流体粘度を測定する 6 つの方法

粘度は、コーティング、塗料、接着剤などの工業用流体の最も重要な物理特性の 1 つです。

基本的に、粘度は、せん断応力または引張応力による変形に対する流体の抵抗を示します。言い換えれば、この特性は、異なる速度で移動する流体層間で反対の相対運動を引き起こす流体分子間の摩擦を表します。粘度は、加えられた力または自重の下で流体がどのように動作するかについての手がかりになります。

流体の粘性が高いほど、「濃く」見えます。たとえば、オイルやグリースは水よりも粘度が高いため、より濃く見えます。

オイル、塗料、塗料、接着剤の製造業者は、特定の用途に最適な製品の粘度を決定する必要があることがよくあります。 (このトピックの詳細については、次を参照してください: コーティングのサービス要件と環境要因 .)

低粘度の液体はより流れやすい傾向にあります。したがって、粘度が低すぎるコーティングを使用すると、流れやたるみが発生する可能性があります。一方、粘度が高すぎるコーティングは「硬く」なり、塗布が困難になる可能性があります。

この記事では、動的粘度と動粘度の違いと、それらを測定するさまざまな方法について説明します。

動的粘度

絶対粘度とも呼ばれる動的粘度は、適用された外力によるせん断流に対する流体の抵抗です。これは、流体の 1 つの層が水平面内で別の層の上を移動するときに提供される内部抵抗の量を表します。

動的粘度は、非ニュートン流体を記述するときに特に役立ちます。

数学的には、動的粘度は次のように表すことができます:

μ =τ dy / dc =τ/γ

場所:

• τ =流体のせん断応力 (N/m ² ).
• μ =流体の動的粘度 (N s/m ² ).
• dc =単位速度 (m/s)。
• dy =レイヤー間の単位距離 (m)。
• γ =dc / dy =せん断速度 (s ^-1 ).

動的粘度の SI 単位は N s/m ² です。 またはパスカル秒 (Pa s)。動的粘度のもう 1 つの測定単位はポイズ (p) で、1 ポイズは N s/m ² の 10 分の 1 に相当します。 または 1/10 Pa s.

ポイズ単位は、実際には大きすぎる場合があります。このため、代わりにセンチポアズ (cP) 単位がよく使用されます。センチポイズ単位では、1 cP は 0.01P、0.001 N s/m ² に相当します。 または 0.001 Pa s.

動粘度

動粘度は、流体の密度に対する動的粘度の単純な比率です。これは、重力の影響下でのせん断流 (つまり、流体の自重によるせん断流) に対する流体の抵抗を反映しています。

この粘度は、ニュートン流体を記述するのに特に役立ちます。数学的には、動粘度は次のように表すことができます:

ν =μ / ρ

場所:

• ν =動粘度 (m ² /s).
• μ =絶対または動的粘度 (N s/m ² ).
• ρ =密度 (kg/m ³ ).

動的粘度の SI 単位は m ² です。 /秒。この特性のもう 1 つの測定単位はストーク (St) で、1 St は 10 ^-4 に相当します。 m ² /s は 1 cm ² に等しい /s.

ストークの粘度値が大きすぎる場合は、より小さな単位センチストーク (cSt) が代わりに使用されることがよくあります。センチストークでは、1 cSt は 10 ^-6 に等しい m ² /s =1mm ² /s.

粘度はどのように測定されますか?

動的粘度と動粘度の両方を測定するには、いくつかの異なる方法があります。最も一般的な方法のいくつかを以下に示します:

1.粘度カップ

粘度カップは、流体の動粘度を決定するために使用され、通常、ステンレス鋼のオリフィスを備えた陽極酸化アルミニウムで作られています。 (このトピックの詳細については、次を参照してください: アルミニウムの腐食を理解する .)

この比較的単純なテストでは、底に小さな開口部がある容器に液体を入れます。流体は、正確な量で開口部を通って流れることができます。流体が開口部を通過するのにかかる時間が測定され、特定のカップに付属のチャートを使用して粘度と関連付けられます。

粘度カップは通常、塗料、ワニス、および同様の製品の濃度を測定するために使用されます。次に表を使用して、流出時間 (秒単位) をセンチストーク (cSt) 単位の粘度に変換します。

Ford および Zahn カップは、最も一般的に使用される粘度カップの種類の一部です。各カップのデザインはユニークです。したがって、異なるカップ タイプ間で粘度値を比較する場合は注意が必要です。粘度カップが提供する値は絶対値であり、許容公差は含まれていません。これらは各規格間で大きく異なるためです。

2.振動粘度計

振動粘度計は、振動する電気機械共振器を試験流体に浸し、流体が提供する減衰の程度を測定することによって動作します。共振器は通常、ねじれ方向または横方向に振動し、減衰は次の式で決定できます。

• 装置を一定の振幅で振動させるために必要な電力入力を記録する
• 振動がオフになった後の振動の時間減衰の測定
• さまざまな位相角に対する共振器の周波数の測定

水晶粘度計は振動式粘度計の一例です。この方法では、振動する水晶振動子が流体に浸され、振動挙動への特定の影響が粘度を定義します。発振器に電場が印加されると、センサーが移動し、流体のせん断が発生します。 (このトピックの詳細については、次を参照してください: 埋もれた金属構造の腐食と電気的干渉 .)

センサーの動きは、センサーの電気的応答に影響を与える流体の外力 (せん断応力) の影響を受けます。

3.回転粘度計

回転粘度計は、試験流体内で物体を回転させるのに必要なトルクを測定することによって機能します。プロセスは次のようになります。

1. 表面の 1 つが静止しています。
2. 合わせ面は外部ドライブによって回転します。
3. 流体がサーフェス間のスペースを満たします。ディスクまたはボブを所定の速度で回転させるために必要なトルクが測定され、記録されます。

設定速度を維持するトルクは、粘度に正比例します。したがって、装置は、粘度、せん断応力、およびせん断速度の値を出力することができます。液体には外部せん断力がかかるため、回転粘度計は流体の動的粘度を測定します。

カップ、ボブ、コーン、プレートはすべて回転粘度計です。カップとボブの粘度計は、異なる直径の同軸シリンダーで構成されています。せん断されるサンプルのボリュームは、テストセル内に保存されます。特定の回転速度を達成するために必要なトルクが測定され、プロットされます。

コーンとプレートの粘度計には、個別の回転速度として駆動される正確なトルク メーターがあります。平板に近接した狭角コーンを採用。粘度は、せん断応力とせん断速度から計算されます。 (このトピックの詳細については、次を参照してください: 材料のせん断挙動に対する腐食の影響 .)

4.キャピラリー粘度計

毛細管粘度計は、流体の粘度を測定する最も初期の既知の方法の 1 つです。

この方法では、定義された体積の流体が既知の直径と長さの U 字型毛細管を流れるのにかかる時間を測定します。チューブには通常、測定基準として使用される上下の 2 つのマークがあります。流体がこれらのマークを通過するのにかかる時間は、動粘度に比例します。したがって、粘度は標準式を使用して決定できます。

キャピラリー粘度計には、オストワルド粘度計とウベローデ粘度計があります。どちらも U 字型の器具で、ガラス球が 2 つあり、キャピラリー チューブを使用します。 (ガラスによる腐食防止の詳細については、次を参照してください: 内部腐食保護のための腐食バリア ライニングの外観 .)

ただし、ウベローデ粘度計の主な利点の 1 つは、得られる値が使用する液体の総量に依存しないことです。オストワルド粘度計とウベローデ粘度計の主な違いは、オストワルド粘度計が低粘度から中粘度の液体の測定に適しているのに対し、ウベローデ粘度計は高粘度液体の測定に適していることです。

5.落球粘度計

落球粘度計は、透明なニュートン流体の動的粘度を決定するために使用されます。

この概念では、既知の密度の球体が重力下でサンプルが満たされたチューブを通過するのにかかる時間を測定します。チューブは通常、180 度すばやく回転できる装置に取り付けられており、繰り返しテストを行うことができます。 3 回のテストの平均時間を記録し、変換式で使用してサンプルの粘度を決定します。

落球式粘度計は、科学的方法を説明するために、さまざまな業界や学術機関での品質管理に使用されています。時間測定を記録するための使いやすさと簡単な方法により、有意義なテスト結果が得られます。

6.濃度計

稠度計は、バネ仕掛けのゲートの後ろに小さなセクションが設けられた金属製のトラフで構成された装置です。仕組みは次のとおりです。

1. テストするサンプルは、スプリング式ゲートの後ろに配置されます。
2. ゲートが持ち上げられ、サンプルが自重で自由に流れるようになります。
3. 特定の時間に液体が流れる距離は、装置の目盛によって測定されます。

粘度計自体は粘度値を直接測定しません。代わりに、ユーザーはテスト対象の製品に固有の独自の標準を開発できます。この方法は食品業界でより一般的であり、通常、ケチャップ、マヨネーズ、ジャム、フィリング、スープ、ベビーフード、サラダ ドレッシングなどの製品の粘度を測定するために使用されます。 (食品業界の詳細については、次を参照してください: アルミニウムとその合金の腐食特性 .)

粘度に影響する要因

流体の粘度に依存するさまざまな要因があります。これらは:

• 流体温度。 通常、液体の粘度は温度の上昇とともに低下します。ただし、ガスの粘度は通常、温度の上昇とともに増加します。
• 流れの状態。 層流の場合、液体の粘度は一定のままです。一方、乱流の場合は粘度が変化します。
• プレッシャー。 圧力が上昇すると、気体の粘度は通常増加します。液体の場合、非圧縮性であるため、圧力はあまり影響しません。
• 多相流。 多相流の粘度は、各相の体積によって変化します。
• 浮遊粒子。 浮遊物は粘度上昇の原因となります。
  
  

ニュートンの粘度の法則

The relationship between a fluid's shear stress and shear rate under mechanical stress is governed by Newton’s law of viscosity.

Newton’s viscosity law states that, for a given temperature and pressure, the shear stress between two adjacent layers in a fluid is proportional to the velocity gradients between those layers. Put differently, the ratio of shear stress to shear rate in a fluid is a constant and is viscosity's coefficient.

However, Newton’s law of viscosity applies only to Newtonian fluids. Non-Newtonian fluids do not follow Newton’s law of viscosity; and therefore their viscosity changes and depends on the shear rate.

Conclusion

Viscosity is an important fluid property that is essential for a number of different products in various industries.

Dynamic and kinematic viscosities describe different properties and can produce very different results when testing fluids. It is therefore important to understand the difference between viscosity types and to take appropriate test mechanisms for the sample at hand.