Измерение вязкости

Измерение вязкости является одним из наиболее рас­пространенных методов коллоидной химии. На его значение указывал еще основоположник науки о коллоидах Т. Грэм, который назвал приборы для измерения вязкости коллоидоскопами. Это название подчеркивало роль вискозиметрических исследований. В настоящее время приборы для из­мерения вязкости называются вискозиметрами.

Существует большое число конструкций вискозиметров. Однако наиболее употребительны вискозиметры истечения и ротационные.

В вискозиметрах истечения вязкость, как правило, оце­нивается по объему жидкости, протекающей за определен­ное время через капиллярную трубку (по этой причине в большинстве случаев вискозиметры истечения называются капиллярными). Наибольшее распространение получили вискозиметры Оствальда и Уббелоде (рис.2.). В вискози­метре Оствальда вязкость оценивается по времени истече­ния жидкости из верхнего резервуара под действием собст­венного веса. В вискозиметре Уббелоде истечение жидко­сти вызывается прилагаемой извне разностью давлений.

Рис. 2. Капилярные вискозиметры: а-Оствольда, б-Уббелоде.

Семейство ротационных вискозиметров вклю­чает в себя системы с соосными цилиндрами, конусами, сферами и не­которыми другими поверхностями вращения. Помимо типа рабочих по­верхностей (цилиндры, конусы и др.) ротационные вискозиметры отли­чаются друг от друга также уст­ройствами для измерения момента вращения. В конструкции, момент враще­ния измеряют с помощью упругой нити. Известны конструкции с элект­ромеханическими динамометрами. Для изучения биологических жид­костей применяются приборы, в ко­торых внутренний цилиндр свободно плавает в испытуемой жидкости. Передавая к этому ци­линдру момент вращения с помощью магнитного поля или через промежуточную жидкость, по его угловой скорости можно оценивать вязкость.

Известны приборы для определения вязкости по ско­рости затухания колебаний. Среди них назовем ультразву­ковые вискозиметры. Измерительным элементом их слу­жит металлическая пластинка, совершающая возвратно-поступательное движение с ультразвуковой частотой. К ним же относится один из первых приборов для измерения вяз­кости, сконструированный Кулоном. В приборе Кулона вязкость оценивалась по затуханию колебаний в жидкости цилиндра, подвешенного на упругой нити.

И последнее, в лабораторной практике вязкость иногда оценивают по скорости движения шарика (или другого тела вращения) в жидкости. Если использует­ся метод падения шарика, то измеряют его скорость w.

Далее приведены примеры некоторых вискозиметров.

Капиллярный вискозиметр Оствальда

Этот вискозиметр состоит из капиллярной трубки с радиусом r и длиной L, через которую проходит объем V (рис. 3). Прибор используют следующим образом. Раствор наливают в отверстие 1 до тех нор, пока уровень жидкости не достигнет отметки Р. Затем производят подсасывание через отверстие 2 до тех пор, пока уровень жидкости не поднимется выше отметки А. Тогда подсасывание прекращают, и жидкость опускается вниз вслед­ствие разницы в высоте двух рукавов (т. е. гидростатического давления). Время t, которое требуется для того, чтобы мениск прошел между отметками А и Б, измеряют. В результате изменения

Рис. 3.

Капиллярные вискозиметры типа Оствальда (слева) и Уббелоде (справа). Описание деталей работы смотри в тексте.

В вискозиметре Уббелоде отметки Б и В состоят из двух черточек, причем верхняя предназначается для измерения отсчета времени движения мениска от А до Б, а ниж­няя— от Б до В, Такая двойная отметка позволяет остановить и снова пустить секундо­мер. Относительные величины градиентов сдвига обычно вычисляют из констант, приве­денных в описаниях приборов.

относительной высоты жидкости скорость протекания не по­стоянна. Вязкость ŋ и среднее значение G выражаются как

(6)

где h — средняя высота жидкости, g — гравитационная констан­та и ρ — плотность. Точной оценки h, r и L можно избежать, измеряя

ŋ = ŋ / ŋ 0=(t/t0)*(ρ / ρ 0) (7)

Преимуществом прибора является его низкая стоимость, од­нако он обладает теми недостатками, что нельзя изменять гра­диент сдвига и растворы не должны содержать пыли, чтобы не забивались тонкие капилляры.

Капиллярный вискозиметр Уббелоде

Как указывалось ранее, для того чтобы измерить [ŋ ] при G = 0, необходимо иметь возможность варьировать и концентрацию, и сдвиг. Вискозиметр Уббелоде сконструирован с учетом этого. Как показано на рис.3., в вискозиметре имеется несколько шариков так, что при понижении давления в верхнем шарике средний градиент сдвига понижается. Прибор используют сле­дующим образом. Жидкость наливают через отверстие 1 и за­полняют сосуд X. Отверстие 3 при этом закрывают и производят подсасывание через отверстие 2 до тех пор, пока жидкость не ус­тановится над отметкой А. После этого открывают отверстие 3, а отверстие 2 закрывают, что приводит к освобождению сосу­да Y. Открывают отверстие 2 и определяют время прохождения мениском отметки А, Б, В и Г. Это позволяет определить вязкость при трех различных значениях G. Для изменения концен­трации раствор в сосуде X можно разбавить, потому что количе­ство жидкости в этом сосуде не определяет объема жидкости, содержащегося между А и дном капилляра. Этот прибор очень легко ломается и забивается, но он может оказаться весьма по­лезным до тех пор, пока не требуется очень низких значений G[1]. Вискозиметр Уббелоде не находит больше широкого применения и заменен вискозиметром Зимма — Крозерса.

Вискозиметр Куэтта

Вискозиметр Куэтта: внешний цилиндр обычно вращается, а внутренний неподвижен.

А — вид сбоку; Б — вид сверху. / — вращающийся внешний цилиндр; 2 — внешний ци­линдр (ротор); 3— внутренний цилиндр; 4 — кольцевой зазор, содержащий образец.

Этот прибор предназначен для применения при относительно низких градиентах сдвига и состоит из двух концентрических ци­линдров, разделенных узким кольцом, промежуток между кото­рыми заполняется образцом (рис. 4). Один цилиндр закреплен неподвижно, а другой — вращается. Зная угловую скорость и размеры цилиндра, можно следующим образом вычислить величины, входящие в уравнение (1). Ско­рость слоя жидкости, прилегающего к неподвижному цилиндру, примерно равна нулю; для вращающегося цилиндра — это ско­рость вращения. В промежуточных слоях скорости пропорцио­нальны радиальному расстоянию от неподвижного цилиндра. Следовательно, градиент сдвига является постоянной величиной и составляет

Где R — средний радиус цилиндров, S — скорость вращения (об/мин) и d — расстояние между цилиндрами. Напряжение сдвига F составляет где h — высота цилиндра, а T — момент вращения, необходимый для того, чтобы поддерживать скорость вращения S. Таким образом, прибор действует при низких значениях G, которые можно контролировать и легко из­мерить, что очень ценно для неньютоновых жидкостей, когда бывает необходимо экстраполировать ŋ к G = 0. Сложность при­бора Куэтта связана с силами на концах вискозиметра («конце­вые эффекты»). Заметьте, что верхняя поверхность жидкости подвергается действию капиллярных сил или поверхностному на­тяжению; внизу жидкость находится между неподвижной и вра­щающейся поверхностями. Практически вискозиметр Куэтта делают достаточно длинным, что приводит к пропорциональному уменьшению концевых эффектов.

Рис. 5.

А — вискозиметр Зимма — Крозерса [ Zimm В. Н., Croihers D. М., Proc. Nat. Acad. Sci., 48, 905—911 (1962)]. Б — модификация с погруженным ротором.

1 — пробка; 2 — термостатирующий кожух; 3 — циркулирующая жидкость; 4 — впускная трубка; 5 — мениск; 6 — ротор; 7 — статор; 8 — стальная пластина; 9 —линия на роторе и статоре; 10 — пластмасса и РЬзО4; 11 — фрагмент железного полюса; 12— магнит; 13 — привод мотора мешалки, а — стеклянная термостатированная камера образца (сек­ция, выделенная жирной линией); б — пластины электромагнита (секция, выделенная горизонтальной штриховкой); в—обмотка электромагнита; г — слой изоляции вокруг обмотки; д — циркулирующая вода; е — раствор ДНК; ж — погруженный ротор (пока­заны только внешние очертания ротора); з — воздушный зазор в магните для наблюде­ния за ротором; и — резиновое кольцо, нужное для герметизации при повышенном дав­лении; к — стержень для создания давления; л — гипс; jk — бакелитовый блок; к — верх­няя алюминиевая подставка; о - средняя алюминиевая подставка; п, р — болты и гайки для крепления полюсов магнита к станине; с, т — показана циркуляция воды внутрь и наружу соответственно; у — матовая стеклянная пластина. Все части нарисованы в масштабе, приведенном внизу, кроме пластин магнита (б) и проводов обмотки элек­тромагнита (в), [Ktoiz L. С, Zimm В. И., Macromol., 5. 471—481 (1972).]

Ротационный вискозиметр Зимма—Крозерса с плавающим ротором и его модификация с погруженным ротором

Эта модификация вискозиметра Куэтта позволяет с высокой точ­ностью работать при очень низких градиентах сдвига (рис. 5.). Он принципиально отличается от вискозиметра Куэтта тем, что в приборе Куэтта градиент сдвига зафиксирован и измеряется напряжение сдвига, в то время как в данном вискозиметре на­пряжение сдвига задано, а измеряется градиент сдвига. Раствор помещают между неподвижным внешним цилиндром и плаваю­щим в жидкости внутренним цилиндром, способным вращаться. Внутренний цилиндр содержит стальную пластинку. Снаружи внешнего цилиндра находятся вращающиеся магниты, которые заставляют эту пластинку, а поэтому и внутренний цилиндр вра­щаться. Скорость этого вращения зависит от количества стали во внутреннем цилиндре и вязкости жидкости и не зависит от скорости вращения магнита и плотности образца. Скорость сдви­га можно варьировать изменением количества стали во внутрен­нем цилиндре (добавлением большего количества пластинок). Поскольку момент вращения пропорционален количеству метал­ла во вращающемся магнитном поле, ротор будет вращаться намного быстрее и градиент сдвига возрастет. Градиент сдвига равен тангенциальной скорости, поделенной на радиальное рас­стояние между цилиндрами. Этот прибор просто измеряет вяз­кость относительно стандарта, такого, как вода, путем опреде­ления относительного количества времени, которое требуется, чтобы внутренний цилиндр проделал данное число вращений.

Проблемой для всех вискозиметров с вращающимися цилин­драми является действие поверхностных пленок у мениска (кон­цевые эффекты, о которых говорилось в предыдущем разделе). Прибор с погруженным ротором позволяет решить эту проблему. В этой модификации прибора Зимма — Крозерса внутренний ро­тор содержит захваченный пузырек воздуха, который сжимается под действием прилагаемого давления па раствор сверху. В ре­зультате внутренний цилиндр превращается в поплавок, который может быть так отрегулирован, что он будет полностью погру­жен в жидкость. Этот прибор значительно больше подходит для точного измерения при низкой скорости сдвига. Модификация прибора с погруженным ротором, названного - вязкоэластометром (используемым для другой цели), описана в последнем разделе.