Viskosität



Allgemeines zur Viskosität

Unter Viskosität versteht man die Eigenschaft einer Flüssigkeit [, eines Gases oder eines Feststoffs] , der gegenseitigen laminaren Verschiebung zweier benachbarter Schichten einen Widerstand entgegen zu setzen1)Falbe, J., Regitz, M. (1995), Römpp Chemie Lexikon, Georg Thieme Verlag

Mathematisch ist sie der Quotient aus Schubspannung und Scherrate:

Darstellung der Viskosität als Formel: Schubspannung (Pa) / Scherrate (1/s)


Die Viskosität ist nicht direkt messbar. Sie wird rechnerisch aus den oben genannten Werten ermittelt.

Es wird unterschieden zwischen der kinematischen und der dynamischen Viskosität.

Schubspannung

Die Schubspannung Ist der Quotient aus der einwirkenden Kraft (in Newton) und der Fläche auf die die Kraft wirkt in m2. Ihre Einheit ist daher N / m2 was der Definition von Pascal entspricht:

Darstellung der Schubspannung als Formel

Scherrate

Ist der Quotient aus der Geschwindigkeit (1m / s) und dem Spaltmaß (m). Ihre Einheit ist also 1^s-1:

Darstellung der Scherrate als Formel:

kinematische Viskosität

Die kinematische Viskosität ist der Quotient aus der Viskosität und der Dichte. Sie kann mit relativ einfachen Mitteln (Auslaufbecher, Kapillarviskosimeter, etc.) bestimmt werden. Von kinematischer Viskosität wird immer dann gesprochen, wenn bei der Analyse die Schwerkraft (also das Gewicht der Probe) die treibende Kraft ist.

dynamische Viskosität

Die dynamische Viskosität definiert sich als Quotient aus der Schubspannung und der Scherrate. Ihre Einheit ist Pa*s


viskose, idealviskos, viskoelastisch, elastisch

Materialien lassen sich anhand ihres Verhaltens in drei Klassen einteilen:

  • viskos, idealviskos: diese verhalten sich unter Scherung immer gleich. Die Viskosität ist bei allen Scherraten gleich.
    D.h. ihre Struktur bleibt auch unter Scherung bestehen.
    Beispiele: Wasser und Öle
  • viskoelastisch: diese verändern unter Scherung ihre Struktur und dadurch ihre Viskosität. Sie kehren ganz (Thixotropie) oder teilweise nach Ende der Scherung in ihren Ursprungszustand zurück. Daher viskoelastisch.
    Beispiele: Leim, Shampoo, Pasten, Gele, Gummi
  • elastisch: verändern ihre Struktur unter Scherung nur minimal und reagieren daher durch Elastizität auf die Scherung.
    Beispiel: Auslenkung eines Stahlturmes, der durch den Wind geschert wird.

Je nach Eigenschaft der Probe sind Rotations- und Oszillationsverfahren als Messverfahren vorzuziehen.
Für kosmetische Mittel sind aufgrund ihrer Beschaffenheit (viskoelastische Flüssigkeiten und Festkörper) hauptsächlich Rotationsverfahren interessant.


relative und absolute Messmethoden der Viskosität

Es wird grundsätzlich zwischen relativen und absoluten Messmethoden unterschieden.

relative Methoden

Relative Messmethoden sind immer von Umgebungsvariablen wie

  • verwendetem Becher
  • verwendeter Spindel
  • Temperatur
  • Drehzahl
  • etc.

abhängig.
Beispiele relativer Viskositätsmessmethoden sind:

  • Auslaufbecher
  • Kugelfallviskosimeter
  • Kapillarviskosimeter
  • einfache Rotationsviskosimeter (wie das klassische Brookfieldviskosimeter)

absolute Methoden

In der Qualitätssicherung und Entwicklung sollte man also absolute Messmethoden anstreben, da deren Ergebnisse methodenübergreifend vergleichbar sind.

Diese Methoden sind definiert in der DIN 53019 und der ISO 3219.

  • Absolute Messmethoden sind:
  • konzentrischer Zylinder
  • Kegel-Platte
  • Platte-Platte

In diesen Normen sind die folgenden Systeme als absolute beschrieben:

konzentrischer Zylinder

Dieser wird vor allem bei niedrigviskosen Flüssigkeiten verwendet, um eine möglichst große Kontaktfläche zur Probe zu erzeugen und somit ausreichende Signalstärken zu erreichen.

Kegel-Platte

Kegel-Platte-Systeme werden vor allem für mittelviskose Flüssigkeiten verwendet deren maximale Partikelgröße 5µm nicht überschreitet.

Die Norm sieht nur Kegelwinkel von <=2° als absolutes System an.

Platte-Platte

Platte-Platte werden für mittelviskose Flüssikgkeiten verwendet deren maximale Partikelgröße 5µm überschreitet bzw. deren maximale Partikelgröße nicht bekannt ist. Weiterhin für stärker viskose Gele, Pasten Polymerschmelzen und weiche Festkörper.


Arten von Scherverhalten

Darstellung der drei grundlegende Arten des Scherverhaltens von Stoffen idealviskoses (newtonsches) (1), scherverdünnendes (2) und scherverdickendes Verhalten (3) als Diagramm
Darstellung der drei Arten von Scherverhalten

Es gibt drei grundlegende Arten des Scherverhaltens von Stoffen idealviskoses (newtonsches) (1), scherverdünnendes (2) und scherverdickendes Verhalten (3).

idealviskos

Die Viskosität der Probe bleibt immer gleich, egal welche Scherrate angelegt wird. Ein Beispiel hierfür ist Wasser.

scherverdünnend

Bei scherverdünnenden Proben – wie vielen kosmetischen Mitteln – werden durch Anlegen der scherenden Kraft Aggregate, Agglomerate, Mizellen, Moleküle, etc. in kleinere Einheiten zerlegt. Beispiel: Joghurt.

Beispiel: Agglomerate einer Suspension im Ruhezustand (links) und unter Scherung (rechts)
Beispiel: Agglomerate einer Suspension im Ruhezustand (links) und unter Scherung (rechts)

Gleiches geschieht bei der Scherung von Emulsionentröpfchen von der Kugelform in die ellipsoide Form.

Beispiel: Emulsionströpfchen im Ruhezustand (links) und unter Scherung (rechts)
Beispiel: Emulsionströpfchen im Ruhezustand (links) und unter Scherung (rechts)

Dadurch sinkt der Widerstand der Probe gegen die Scherung: die Viskosität sinkt.

scherverdickend

Die Viskosität steigt unter Scherbelastung an.


zeitabhängiges Verhalten / Thixotropie

Diagramm das thixotropes Verhalten einer Flüssigkeit  (als Viskositäts-Zeit Diagramm) darstellt

Viskoelastische Stoffe zeigen ein so genanntes zeitabhängiges Verhalten. Sie haben einen Ausgangszustand, den sie unter Scherung verändern.
Nach Ende der Scherung kehren sie teilweise oder vollständig in ihren Ausgangszustand zurück.

Tun sie dies zu 100% – also Zustand vor Scherung = zustand nach Scherung – spricht man von thixotropem Verhalten.


Fehlervermeidung bei der Messung der Viskosität

  • Entspricht das Diagramm des Scherverhaltens nicht einem der Beispiele unter „Arten von Scherverhalten“ (siehe oben) ist die Messung fehlerhaft.
  • Als Faustregel gilt, dass beim Prüfen von Dispersionen der Messspalt mindestens zehnmal größer sein sollte als die maximale Größe der Partikel oder der festen Agglomerate in der Probe. Ansonsten ergeben sich möglicherweise zu hohe Messwerte.
  • Die Probe muss homogen und frei von Luft sein.
  • Die Probenvorbereitung sollte immer einheitlich sein.
  • Bei Messungen mit Kegel/Platte und Platte/Platte Systemen sollte die Probe getrimmt werden.
  • Die Temperierzeit vor einer Messung sollte mindestens 5, besser 10 Minuten betragen.
  • Es sollten keine Kühl- / Heizraten von 1K/min überschritten werden.

Siehe auch

References
1 Falbe, J., Regitz, M. (1995), Römpp Chemie Lexikon, Georg Thieme Verlag