流体粘度を正確に測定する6つの実証済み方法

粘度は、コーティング、塗料、接着剤などの工業用流体における最も本質的な物理的特性の一つです。

本質的に、粘度は流体がせん断応力や引張応力によって変形することへの抵抗を示します。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の相対運動に抵抗する、流体分子間の摩擦を記述します。粘度は、流体が印加された力や自重の下でどのように振る舞うかの手がかりとなります。

流体の粘度が高いほど、「より粘稠」に見えます。例えば、オイルやグリースは水より高い粘度を持ち、したがってより粘稠に見えます。

オイル、コーティング、塗料、接着剤メーカーは、特定用途向けの製品の最適粘度を決定する任務を負うことがよくあります。（このトピックの詳細：コーティングのサービス要件と環境要因）

低粘度流体はより容易に流れます。したがって、粘度が低すぎるコーティングは流れ垂れやたるみを引き起こす可能性があります。一方で、粘度が高すぎるコーティングは「硬く」、塗布が困難になります。

この記事では、動的粘度と運動粘度の違い、およびそれらを測定するさまざまな方法を見ていきます。

動的粘度

動的粘度は、絶対粘度とも呼ばれ、印加された外力によるせん断流れに対する流体の抵抗です。水平面で流体の一層が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記述します。

動的粘度は特に非ニュートン流体の記述に有用です。

数学的に、動的粘度は以下のように表現できます：

μ = τ dy / dc = τ/γ

ここで：

τ = 流体内のせん断応力 (N/m²)
μ = 流体の動的粘度 (N·s/m²)
dc = 単位速度 (m/s)
dy = 層間単位距離 (m)
γ = dc / dy = せん断速度 (s^-1)

動的粘度のSI単位はN·s/m²またはパスカル秒（Pa·s）です。動的粘度の別の単位はポアズ（P）で、1ポアズ = 0.1 N·s/m² = 0.1 Pa·sです。

ポアズ単位は実用上大きすぎる場合があります。このため、センチポアズ（cP）単位がよく代わりに使用されます。センチポアズでは、1 cP = 0.01 P = 0.001 N·s/m² = 0.001 Pa·sです。

運動粘度

運動粘度は、動的粘度と流体密度の比です。これは、重力の影響下での流体のせん断流れに対する抵抗、すなわち流体自重によるせん断流れを反映します。

この粘度は特にニュートン流体の記述に有用です。数学的に、運動粘度は以下のように表現できます：

ν = μ / ρ

ここで：

ν = 運動粘度 (m²/s)
μ = 絶対または動的粘度 (N·s/m²)
ρ = 密度 (kg/m³)

動的粘度のSI単位はm²/sです。この特性の別の単位はストークス（St）で、1 St = 10^-4 m²/s = 1 cm²/sです。

ストークスでの粘度値が大きすぎる場合、より小さな単位であるセンチストークス（cSt）がよく代わりに使用されます。センチストークスでは、1 cSt = 10^-6 m²/s = 1 mm²/sです。

粘度の測定方法

動的粘度と運動粘度を測定するには、いくつかの異なる方法があります。最も一般的な方法は以下の通りです。

1. 粘度カップ

粘度カップは流体の運動粘度を決定するために使用され、通常は陽極酸化アルミニウム製でステンレス鋼オリフィスを備えています。（このトピックの詳細：アルミニウム腐食の理解）

この比較的シンプルな試験は、底部に小さな開口部を持つ容器に流体を入れることを含みます。流体は正確な量で開口部を通過させます。流体が開口部を通過するのにかかる時間を測定し、与えられたカップ用に提供されるチャートを使用して粘度と相関付けます。

粘度カップは通常、塗料、ワニス、類似製品の稠度測定に使用されます。その後、流出時間（秒）をセンチストークス（cSt）での粘度に変換するための表が使用されます。

フォードカップとツァーンカップは、最も一般的に使用される粘度カップの種類です。各カップ設計はユニークであるため、異なるカップタイプ間で粘度値を比較する際は注意が必要です。粘度カップが提供する値は絶対値であり、許容公差は含まれません。これらは各規格間でかなり異なるためです。

2. 振動粘度計

振動粘度計は、振動する電気機械共振子を試験流体に浸漬し、流体が提供する減衰度を測定することで動作します。共振子は一般的にねじれ方向または横方向に振動し、減衰は以下によって決定されます。

装置を一定振幅で振動し続けるために必要な電力入力を記録する
振動停止後の振動減衰時間を測定する
位相角の変化に対する共振子の周波数を測定する

石英粘度計は振動粘度計の一例です。この方法では、振動する石英結晶を流体に浸漬し、振動挙動への特定の影響で粘度を定義します。発振器に印加される電場によりセンサーが動き、流体せん断が生じます。（このトピックの詳細：埋設金属構造物における腐食と電気的干渉）

センサーの動きは、流体の外力（せん断応力）によって影響を受け、センサーの電気的応答に影響を与えます。

3. 回転粘度計

回転粘度計は、試験流体中で物体を回転させるために必要なトルクを測定することで動作します。プロセスは以下の通りです：

一方の面が静止している。
対向面が外部ドライブによって回転する。
流体が面間の空間を満たす。所定速度でディスクまたはボブを回転させるために必要なトルクを測定し記録する。

設定速度を維持するトルクは粘度に直接比例するため、装置は粘度、せん断応力、せん断速度の値を出力できます。外部せん断力が液体に印加されるため、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のタイプです。カップ・ボブ粘度計は、異なる直径の同軸シリンダーで構成されます。せん断される試料体積がテストセル内に保存され、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・プレート粘度計は、精密トルクメーターを備え、離散的な回転速度で駆動されます。平板に近接した狭角コーンを使用します。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：腐食が材料のせん断挙動に与える影響）

4. 毛細管粘度計

毛細管粘度計は、流体粘度を決定する最も古くから知られた方法の一つです。

この方法は、既知の直径と長さを持つU字型毛細管を通過する規定体積の流体にかかる時間を測定します。チューブには通常、上部と下部の2つの目盛り（上部目盛りと下部目盛り）があり、これらが測定基準として使用されます。流体がこれらの目盛りを通過するのにかかる時間は運動粘度に比例するため、標準公式を使用して粘度を決定できます。

毛細管粘度計にはオストワルド粘度計とウベローデ粘度計が含まれます。両方ともU字型機器で、2つのガラス球と毛細管を使用します。（ガラスが腐食防止にどう役立つか：内面腐食防護のための耐食バリアライニングを参照）

しかし、ウベローデ粘度計の大きな利点の一つは、得られる値が使用液体総体積に依存しないことです。オストワルド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〜中粘度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. 落下球粘度計

落下球粘度計は、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。

概念は、既知密度の球が試料充填チューブ内を重力で落下するのにかかる時間を測定することです。チューブは通常、180度素早く回転可能な装置に取り付けられ、反復試験が可能です。3回試験の平均時間を記録し、換算式で試料の粘度を決定します。

落下球粘度計は、さまざまな産業での品質管理や、科学的方法を説明するために学術機関で使用されます。使いやすさと時間測定のシンプルな方法が、意味のある試験結果を保証します。

6. コンシストメーター

コンシストメーターは、スプリング式ゲートの後ろに小さな区画が設けられた金属トロフで構成される装置です。動作は以下の通りです：

試験対象試料をスプリング式ゲートの後ろに配置する。
ゲートを持ち上げ、試料が自重で自由に流れるようにする。
装置の目盛りで、特定時間内に液体が流れた距離を測定する。

コンシストメーター自体は粘度値を直接測定しません。代わりに、ユーザーが試験対象製品に固有の基準を開発できるようにします。この方法は食品業界でより人気があり、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、ドレッシングなどの製品の粘度測定に通常使用されます。（食品業界については：アルミニウムとその合金の耐食特性を参照）