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.
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:
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.
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.
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 zo'n oscillatiemeting:
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.
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:
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 wordt vaak beschreven door een Arrhenius-vergelijking voor laagviskeuze vloeistoffen of een Williams-Landel-Ferry-vergelijking (WLF) voor polymeersmelten dichtbij de glastemperatuur.
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.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
