Viscosimetrie en reologie zijn de meet- en studietechnieken waarmee het vloei- en vervormingsgedrag van vloeistoffen en zachte stoffen wordt vastgelegd. Reologie is het overkoepelende vakgebied — letterlijk de leer van het stromen — en bestudeert hoe een stof reageert op een opgelegde kracht: vloeit hij vrij als water, schuift hij traag als honing, of vertoont hij elastisch én vloeiend gedrag tegelijk, zoals tandpasta of yoghurt? Viscosimetrie is het meten van één specifieke reologische grootheid, namelijk de viscositeit. In dit artikel leest u wat reologie en viscosimetrie inhouden, welke vloeistoftypen er zijn, hoe een rheometer en een viscosimeter werken, en wat het verschil is tussen dynamische en kinematische viscositeit.
Reologie is de wetenschap die de vervorming en het stromingsgedrag van materie bestudeert. De term werd in 1929 ingevoerd door de Amerikaanse scheikundige Eugene C. Bingham, en is afgeleid van het Griekse rheo (stromen) en logos (leer). Reologie wordt ook wel stromingsleer of vloeileer genoemd. Het vakgebied beslaat het continuüm tussen ideale vaste stoffen (puur elastisch) en ideale vloeistoffen (puur viskeus); de meeste praktijkmaterialen — polymeren, emulsies, suspensies, gels, voedingsmiddelen, biologische vloeistoffen — vertonen een mengvorm van elastisch en viskeus gedrag, oftewel visco-elasticiteit.
Reologie maakt deel uit van de natuurkunde, in het bijzonder de continuümmechanica, maar overlapt sterk met de fysische chemie. Of u reologie als scheikunde of natuurkunde beschouwt hangt af van de invalshoek: de meetprincipes zijn fysisch, maar de toepassing op formuleringen (farmacie, cosmetica, voedingsmiddelen, coatings) is overwegend chemisch van aard.
Reologie is zichtbaar in alledaagse materialen. Ketchup is een klassiek voorbeeld van shear-thinning gedrag: in de fles blijft het dik, maar bij kloppen of schudden — waarbij een schuifkracht wordt uitgeoefend — vloeit het ineens gemakkelijk. Tandpasta gedraagt zich als een Bingham-plastisch materiaal: het blijft op de tandenborstel staan totdat u begint te poetsen en de minimale schuifkracht (zwichtspanning) wordt overschreden. Bloed is een shear-thinning vloeistof waarvan de viscositeit afhangt van de stroomsnelheid in bloedvaten, wat van belang is bij de studie van hart- en vaatziekten. In de industrie bepaalt reologie of een verf goed aanbrengt zonder te druipen, of een farmaceutische crème de juiste smeerbaarheid heeft, en of een polymeersmelt goed verwerkt kan worden in een spuitgietmachine.
Viscositeit is de inwendige weerstand van een vloeistof tegen stromen — een maat voor hoe "stroperig" een vloeistof is. Microscopisch gezien is viscositeit het gevolg van de wrijving tussen vloeistoflagen die ten opzichte van elkaar bewegen. Hoe sterker de moleculaire interacties (waterstofbruggen, polariteit, molecuulgrootte), hoe groter de viscositeit. Water heeft bij 20 °C een viscositeit van circa 1 mPa·s, honing rond 10.000 mPa·s, en bitumen kan oplopen tot miljoenen Pa·s.
Er bestaan twee samenhangende definities van viscositeit:
De SI-eenheid van dynamische viscositeit is de pascal·seconde (Pa·s). In de laboratoriumwereld wordt vaker de millipascal·seconde (mPa·s) gebruikt, die numeriek gelijk is aan de oudere eenheid centipoise (cP). Kinematische viscositeit wordt uitgedrukt in mm²/s (of het equivalent centistokes, cSt). Welke eenheid van toepassing is hangt af van de meetmethode: rotatieviscometers en rheometers leveren dynamische viscositeit, capillair-viscometers leveren kinematische viscositeit. Voor onderlinge vergelijking is de dichtheid van het monster nodig om de ene grootheid naar de andere om te rekenen.
Het verschil tussen reologie en viscositeit is dat viscositeit één enkele eigenschap is, terwijl reologie het volledige vervormings- en stromingsgedrag beschrijft — inclusief elasticiteit, zwichtspanning, tijdsafhankelijk gedrag en visco-elasticiteit. Voor een Newtoniaanse vloeistof als water is één viscositeitswaarde voldoende om het reologisch gedrag volledig te karakteriseren. Voor complexere systemen als verven, polymeeroplossingen, crèmes of bloed is dat niet zo: deze stoffen hebben een viscositeit die afhangt van de afschuifsnelheid, de tijd of de voorgeschiedenis van de schuif.
Nee, reologie en viscositeit zijn niet hetzelfde, al hangen ze nauw samen. Viscositeit is één reologische grootheid: de weerstand van een vloeistof tegen stromen, uitgedrukt als getal met een eenheid (Pa·s of mPa·s). Reologie is het bredere vakgebied dat naast viscositeit ook elasticiteit, zwichtspanning, tijdsafhankelijk gedrag en visco-elasticiteit omvat. Anders gezegd: elke viscositeitsmeting is een reologische meting, maar reologie omvat veel meer dan viscositeit alleen. Voor eenvoudige vloeistoffen als water of ethanol is de viscositeit voldoende om het gedrag te beschrijven. Voor gels, crèmes, polymeren en suspensies schiet één viscositeitswaarde tekort en is een volledige reologische karakterisering — met vloeicurve, oscillatiemeting en zwichtspanning — noodzakelijk.
Naast de SI-eenheden komen in specifieke industrieën traditionele eenheden voor:
Het fundamentele model van de reologie beschrijft een vloeistof tussen twee evenwijdige platen. De bovenste plaat beweegt met een snelheid v ten opzichte van de stilstaande onderste plaat, met een vloeistoflaag van dikte h ertussen. De kracht die nodig is om de plaat per oppervlakte-eenheid te bewegen, is de schuifspanning τ (tau, in pascal). De snelheidsgradiënt door de vloeistof — v/h — is de afschuifsnelheid γ̇ (gamma-punt, in 1/s).
De relatie tussen beide grootheden is de wet van Newton voor vloeistoffen:
τ = η · γ̇
De evenredigheidsconstante η is de dynamische viscositeit. Voor een Newtoniaanse vloeistof is η een materiaalconstante die alleen van temperatuur en druk afhangt, niet van γ̇. Voor niet-Newtoniaanse vloeistoffen geldt deze evenredigheid niet en is η zelf een functie van γ̇; men spreekt dan van een schijnbare viscositeit.
Het reologisch gedrag van een vloeistof wordt zichtbaar in een vloeicurve: een grafiek van schuifspanning τ tegen afschuifsnelheid γ̇. Aan de vorm van de curve is af te lezen tot welk type vloeistof het monster behoort.
Een vloeicurve (ook wel stromingscurve of reogram) is de grafische weergave van de relatie tussen schuifspanning en afschuifsnelheid voor een vloeistof of zachte stof. De curve wordt opgenomen door de afschuifsnelheid geleidelijk op te voeren en tegelijk de benodigde schuifspanning te registreren. De helling van de curve op een willekeurig punt geeft de (schijnbare) viscositeit op dat punt. Een rechte lijn door de oorsprong duidt op Newtoniaans gedrag; een gebogen curve wijst op niet-Newtoniaans gedrag. Wanneer bij thixotroop materiaal ook de terugweg wordt gemeten, ontstaat een hystereselus waaruit de mate van structuurherstel kan worden afgelezen.
Shear thinning (pseudoplastisch gedrag) is het verschijnsel waarbij de viscositeit van een vloeistof daalt naarmate de afschuifsnelheid toeneemt. De oorzaak ligt in de structuur van het materiaal: bij lage schuifsnelheid zijn moleculen of deeltjes willekeurig geordend en remmen ze de stroming; bij hogere schuifsnelheid richten ze zich in de stromingsrichting, waardoor de weerstand afneemt. Shear thinning is het meest voorkomende niet-Newtoniaanse gedrag en wordt aangetroffen in polymeeroplossingen, bloed, verf, cosmetische emulsies en veel voedingsmiddelen. In de praktijk is dit gewenst gedrag: een verf die dik blijft in de pot maar dun uitvloeit bij het aanbrengen, gedraagt zich shear-thinning.
Thixotropie is een tijdsafhankelijke vorm van shear thinning: de viscositeit daalt niet alleen bij toenemende afschuifsnelheid, maar ook bij langdurig aanhouden van dezelfde schuif. Na het stoppen van de schuif bouwt de vloeistof zijn structuur — en daarmee zijn hogere viscositeit — geleidelijk weer op. De tijd die daarvoor nodig is varieert van seconden (dunne gels) tot minuten of langer (sterk gestructureerde systemen). Thixotropie is relevant bij verven (doorzakken na aanbrengen), cosmetische crèmes (herstel na uitsmeren) en cementachtige materialen. Een veelgebruikte meting is de driestappentest: meten bij lage schuifsnelheid, overschakelen naar hoge schuifsnelheid en vervolgens terugschakelen om het herstelgedrag in kaart te brengen.
Voor kwantitatieve beschrijving van vloeicurves zijn diverse wiskundige modellen gangbaar:
Veel praktische materialen vertonen geen zuiver viskeus gedrag, maar een combinatie van viskeus en elastisch gedrag — visco-elasticiteit. Bij een kortdurende belasting reageert het materiaal elastisch (terugverend), bij een langdurende belasting vloeit het. Dit gedrag wordt gemeten met een oscillerende rheometer, die het monster onderwerpt aan een sinusvormige afschuifsnelheid.
Twee karakteristieke grootheden volgen uit een oscillatiemeting. De opslagmodulus G′ (ook: elastische modulus) geeft de elastische component weer — de energie die het materiaal opslaat en bij ontlasting teruggeeft. De verliesmodulus G″ (ook: viskeuze modulus) geeft de viskeuze component — de energie die door inwendige wrijving als warmte verloren gaat. De verhouding van beide grootheden levert de verliesfactor tan δ = G″ / G′. Wanneer tan δ < 1 overheerst het elastische karakter (het materiaal gedraagt zich gel-achtig); wanneer tan δ > 1 overheerst het viskeuze karakter (het materiaal gedraagt zich vloeistofachtig). Het punt waarop G′ en G″ gelijk zijn (tan δ = 1) markeert de overgang van gel naar vloeistof en wordt de gel-sol-overgang of het kruispunt (crossover point) genoemd.
Deze visco-elastische karakterisering is essentieel in de farmacie (gels, zalven), de voedingsmiddelenindustrie (textuur), de polymeerverwerking en de bouwchemie.
Drie standaardtests vormen de basis van de visco-elastische karakterisering:
Een viscosimeter (of viscometer) is een instrument dat één viscositeitswaarde meet, doorgaans bij één afschuifsnelheid of onder gestandaardiseerde stroomcondities. Voor Newtoniaanse vloeistoffen levert dit een volledige karakterisering op; voor niet-Newtoniaanse vloeistoffen alleen een momentopname.
De drie meest gebruikte typen viscosimeters zijn:
Een capillair-viscosimeter — bijvoorbeeld het Ubbelohde- of het Ostwald-type — bestaat uit een glazen U-buis met een nauwkeurig gekalibreerd capillair en een meetbol. De vloeistof stroomt door het capillair onder invloed van de zwaartekracht, en gemeten wordt de tijd die een bepaald volume nodig heeft om door het capillair te lopen. De viscositeit wordt berekend volgens de wet van Hagen–Poiseuille. Capillair-viscosimeters leveren de kinematische viscositeit (mm²/s) en zijn extreem nauwkeurig voor laagviskeuze, Newtoniaanse vloeistoffen zoals oplosmiddelen, minerale oliën, biobrandstoffen en polymeeroplossingen. Voor capillair-viscosimetrie zijn temperatuurregulatie (waterbad) en een chronometer of automatische detectie nodig.
Een rotatieviscosimeter — bekend onder de naam Brookfield, maar ook geleverd door andere fabrikanten — meet het koppel dat nodig is om een spil (spindle) of cilinder met een vaste rotatiesnelheid door de vloeistof te bewegen. Uit het gemeten koppel en de bekende geometrie volgt de dynamische viscositeit (mPa·s of Pa·s). Rotatieviscosimeters zijn geschikt voor middel- tot hoogviskeuze monsters en kunnen door variatie van het toerental ook niet-Newtoniaans gedrag in kaart brengen. Toepassingen liggen in verf- en coatingformulering, voedingsmiddelen, lijmen, cosmetica en farmaceutische preparaten.
Bij de kogelvalviscosimeter — het Höppler-type is het bekendste voorbeeld — valt een metalen kogel door een schuin geplaatste, met monster gevulde buis. De valtijd tussen twee meetstrepen is een directe maat voor de viscositeit. Deze methode is geschikt voor transparante, Newtoniaanse vloeistoffen in een breed viscositeitsbereik en wordt veel toegepast voor smeeroliën en suikeroplossingen.
De keuze hangt af van drie factoren: het verwachte viscositeitsbereik, het vloeistoftype (Newtoniaans of niet-Newtoniaans) en de vereiste nauwkeurigheid. Voor laagviskeuze, zuivere Newtoniaanse vloeistoffen zoals oplosmiddelen en lichte oliën is de capillair-viscosimeter de nauwkeurigste en goedkoopste keuze. Voor middel- tot hoogviskeuze producten als verven, pastes, cosmetica en voedingsmiddelen biedt de rotatieviscosimeter de flexibiliteit om ook vloeicurves op te nemen. Voor screeningdoeleinden of voor transparante oliën in een breed viscositeitsbereik volstaat de kogelvalviscosimeter. Wanneer naast viscositeit ook elasticiteit of tijdsafhankelijk gedrag moet worden bepaald, is een rheometer de aangewezen keuze.
Een rheometer is een geavanceerder meetinstrument dat het volledige reologische gedrag van een monster in kaart brengt — niet alleen één viscositeitsgetal, maar de viscositeit als functie van afschuifsnelheid, tijd, temperatuur én oscillatiefrequentie. Het principe van een moderne rheometer is dat een rotatie- of oscillatie-element (cone-and-plate, plate-and-plate of concentrische cilinders) met regelbare snelheid of frequentie wordt aangedreven, terwijl tegelijkertijd het opgewekte koppel met hoge resolutie wordt gemeten. Hieruit volgen schuifspanning τ en afschuifsnelheid γ̇ — en daarmee η, G′, G″, tan δ en de zwichtspanning.
Een rheometer wordt onder meer gebruikt voor:
De keuze van meetgeometrie is bepalend voor het succesvol meten van een monster:
De reologie kent drie hoofdmethoden, elk geschikt voor een ander type meting en monster. De capillair-viscosimetrie meet de uitlooptijd van een vloeistof door een gekalibreerd capillair onder invloed van de zwaartekracht en levert de kinematische viscositeit; deze methode is uiterst nauwkeurig voor laagviskeuze, Newtoniaanse vloeistoffen. De rotatie-reometrie (of rotatieviscosimetrie) legt het koppel vast dat nodig is om een geometrie — cilinder, kegel of plaat — door het monster te draaien bij een opgelegde snelheid of schuifspanning; zo worden vloeicurves en de dynamische viscositeit als functie van afschuifsnelheid bepaald. De oscillerende reometrie ten slotte onderwerpt het monster aan een sinusvormige vervorming bij kleine amplitude en levert de visco-elastische moduli G′ en G″ als functie van frequentie of temperatuur. In de praktijk combineren moderne rheometers rotatie- en oscillatiemeting in één instrument, zodat zowel de vloeicurve als de visco-elastische karakterisering op hetzelfde monster kunnen worden uitgevoerd.
Doordat de viscositeit van vloeistoffen sterk temperatuurafhankelijk is, hoort temperatuurregeling onlosmakelijk bij elke serieuze viscositeitsmeting. Twee typen regeling worden gebruikt:
Het is essentieel dat het monster voldoende tijd krijgt om de ingestelde temperatuur aan te nemen voordat de meting begint, doorgaans 3–5 minuten voor dunne vloeistoffen en 10–15 minuten voor visceuze pasta's.
Een viscosimeter meet uitsluitend de viscositeit, vaak bij één enkele afschuifsnelheid en bij één temperatuur. Een rheometer meet de viscositeit én alle andere reologische grootheden over een breed bereik van afschuifsnelheden, frequenties en temperaturen. In de praktijk wordt elke rheometer ook als viscosimeter ingezet, maar omgekeerd niet: een eenvoudige viscosimeter kan geen visco-elastische metingen verrichten en geen frequentiesweep uitvoeren. Voor Newtoniaanse vloeistoffen volstaat een viscosimeter; voor formuleringen, gels, suspensies en visco-elastische materialen is een rheometer noodzakelijk.
Reologie is het vakgebied — de theorie van vervorming en stromen. Reometrie (reometrie) is de praktische tegenhanger: het meten van reologische grootheden met instrumenten. Een reogram (of vloeicurve) is een grafiek waarin de schuifspanning τ tegen de afschuifsnelheid γ̇ wordt uitgezet, en die typerend is voor het reologische gedrag van het monster — Newtoniaans, shear-thinning, shear-thickening of Bingham-plastisch.
De viscositeit van vloeistoffen daalt sterk met de temperatuur — een verschil van 10 °C kan de viscositeit met tientallen procenten veranderen. Daarom moeten alle viscosimetrische metingen bij een gecontroleerde temperatuur worden uitgevoerd, doorgaans in een thermostaatbad of een Peltier-element. De gerapporteerde temperatuur (vaak 20 °C of 25 °C voor laboratoriumdoeleinden, 40 °C of 100 °C voor smeeroliën) hoort altijd bij de viscositeitswaarde. Voor oliën wordt de mate waarin de viscositeit met de temperatuur verandert uitgedrukt als viscositeitsindex (VI), genormeerd volgens ASTM D2270.
De temperatuurafhankelijkheid van viscositeit heeft een moleculaire oorzaak. Bij hogere temperatuur neemt de thermische bewegingsenergie van de moleculen toe, waardoor zij gemakkelijker langs elkaar kunnen bewegen en de inwendige wrijving afneemt. Bij laagviskeuze vloeistoffen wordt dit verband goed beschreven door een Arrhenius-vergelijking: ln(η) = A + B/T, waarbij T de absolute temperatuur is en A en B vloeistofspecifieke constanten. Voor polymeersmelten dichtbij de glastemperatuur geldt de Williams-Landel-Ferry-vergelijking (WLF), die een sterkere temperatuurafhankelijkheid modelleert dan de eenvoudige Arrhenius-benadering. Voor smeeroliën wordt de mate van viscositeitsvariatie met temperatuur uitgedrukt als viscositeitsindex (VI): een hogere VI betekent een kleinere viscositeitsdaling bij temperatuurstijging, wat gunstig is voor smeertoepassingen met wisselende bedrijfstemperaturen.
Voor betrouwbare reologische metingen zijn enkele veelvoorkomende foutbronnen het kennen waard:
De empirische Cox-Merz-regel stelt dat de steady-state viscositeit als functie van afschuifsnelheid (η(γ̇)) gelijk is aan de complexe viscositeit als functie van oscillatiefrequentie (η*(ω)), bij gelijke numerieke waarden van γ̇ en ω. Voor veel polymeeroplossingen en -smelten geldt deze regel goed, wat betekent dat oscillatiemetingen (die het monster niet vernietigen) als alternatief kunnen dienen voor rotatiemetingen bij gevoelige systemen. Voor sterk gestructureerde of gevulde systemen geldt de regel niet en moet de steady-state-viscositeit rechtstreeks worden gemeten.
Viscosimetrie en reologie zijn onmisbaar in een breed scala van branches en toepassingen:
Voor een betrouwbare meting zijn naast het juiste instrument een nauwkeurige temperatuurregeling, schone meetlichamen en gevalideerde monstervoorbereiding noodzakelijk. Belangrijk daarbij is dat het monstervolume voldoende is, dat luchtbellen worden vermeden en dat de meetgeometrie past bij het verwachte viscositeitsbereik.
De belangrijkste internationale normen voor viscosimetrie zijn:
Reologie raakt aan diverse aspecten van laboratoriumwerk en analytische chemie. Voor de zuiverheidsgraden van de oplosmiddelen en standaarden die in viscosimetrie en reologische karakterisering worden gebruikt, zie zuiverheidsgraden van chemicaliën. Voor de juiste opslag van organische oplosmiddelen en oliën met gevaarsindicatie, zie het artikel over PGS 15-opslag, en raadpleeg altijd het veiligheidsinformatieblad (VIB) van het te meten medium.
Voor het assortiment aan glaswerk en kunststof artikelen voor monstervoorbereiding kunt u terecht in onze categorieën glaswerk en porselein en laboratoriumplastics. Neem contact op voor advies over een viscosimetrische opstelling die past bij uw monstertype en toepassing.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
