8.8. Капиллярные вискозиметры

Вязкость - свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой при разных видах деформации. Количественной характеристикой вязкости являются динамическая и кинематическая вязкости.

Динамическая вязкость, или коэффициент вязкости (символ η, Па * с) определяется из уравнения

dF = η(dυ/dl)dS. (8.7)

где dF - сила внутреннего трения, действующая на площадку dS внутреннего слоя жидкости при градиенте скорости dυ >/dl, с^-1.

Внесистемная единица коэффициента вязкости - пуаз (П): 1 П = 0,1 Па*с. Коэффициент вязкости воды при 20 °С довольно точно равен 0,01 П или 1 сП (сантипуазу). Более точное значение η(Н₂О) при 20 ^СС равно 0,010019 ± 0,000003 П.

Кинематическая вязкость (символ υ, м²/с) - величина, равная отношению коэффициента вязкости жидкости к ее плотности р:

υ = η/ (8.8)

Единица кинематической вязкости, равная 1 см²/^с» получила название стокса (Ст). Величина, обратная коэффициенту вязкости,

 = η ^-1 (8.9)

является текучестью жидкости.

Относительная вязкость (символ η _от, безразмерная величина) равна отно­шению коэффициента вязкости жидкости η_в к значению коэффициента вяз­кости чистого растворителя - эталонной жидкости с известным значением η_э^:

η _от = η_B /η_Э (8.10)

Обычно в качестве эталонной жидкости применяют воду, для которой при 20 °С η_Э = 1,0019 сП = 1,0019* 10^-2 Па • с. Рекомендуют и другие эталонные жидкости: бензол С₆Н₆ (η_Э = 6,468* 10^-4 Па • с, 20 °С), этанол С₂Н₅ОН (η_Э = 1,09 • 10^{- 3} Па*с, 25 °С).

Большой диапазон значений динамической вязкости и свойств исследуемых жидкостей обусловили разнообразие методов определения вязкости и конструкций вискозиметров: капиллярные, шариковые, ротационные, ультразвуковые, вибрационные и др., позволяющие измерять значения η_Э до 10¹² Ш^,с от нескольких градусов кельвина до 1500 К при давлениях до

1 ГПа.

В этом разделе рассматриваются только наиболее часто употребляемые в обычных лабораториях капиллярные вискозиметры.

Рис. 176. Вискозиметры Оствальда (а), Уббелоде, или ВПЖ-1 (б), Мартина (в).

Микровискозиметр (г) и насадка Эппельбея (д)

Метод измерения скорости истечения исследуемой жид­кости через капилляр при постоянных давлении и температуре является простым и достаточно точным для жидкостей, вязкость которых лежит в интервале от 10^-3 до 10³ Па *с.

Наиболее широко используют в лабораториях капиллярный вискозиметр Оствальда (рис. 176, а). Чтобы определить вязкость с его помощью, точно измеренный объем эталонной жидкости (2-5 мл) пипеткой вносят в колено 4 прибора, который затем помещают в термостат, поддерживающий температуру 20 ± 0,1 °С. Ртутный резервуар контрольного термометра должен находиться при этом на одном уровне с серединой капилляра 3,а уровень жидкости в вискозиметре не должен быть выше уров­ня жидкости в термостате.

Значение динамической вязкости жидкости сильно зависит от температуры. Например, вязкость воды при 20 °С изменяется на 2,5% при изменении температуры на 1 ⁰С, а вязкость касторового масла при той же температуре изменяется на 8,5% с из­менением ее на 1 °С.

После установления постоянной температуры эталонную жидкость при помощи груши, одетой на левое колено 1, засасывают через капилляр из колена 4 так, чтобы ее мениск был несколько выше метки M₁ и расширение 2 было полностью заполнено. После этого грушу снимают и дают возможност. жидкости стекать. Время τ_э, необходимое для перемещения мениска эталонной жидкости от метки М₁ до метки М₂, измеряв секундомером с точностью до 0,05 с. Коэффициент вязкости эталонной жидкости η_э дается выражением

η_э = _Эτ_Э, (8.11)

где к - постоянная вискозиметра, Па • мл/г; _Э - плотность эталонной жидкости (в г/мл) при температуре опыта.

Из этого выражения находят постоянную к вискозиметра. За­тем опыт повторяют с тем же точным объемом исследуемой жидкости В:

η_в = _Bτ_B. (8.12)

После деления первого выражения на второе получаем рас­четную формулу

η_в = η_э (_Bτ_B /_Эτ_Э) (8.13)

Определение постоянной вискозиметра проводят периодиче­ски перед каждым измерением коэффициента вязкости. Прежде чем выполнять измерения вискозиметр последовательно промы­вают бензином или ацетоном, хромовой смесью, чистой водой, этанолом, диэтиловым эфиром, после чего продувают обеспы­ленным сухим воздухом (см. разд. 2.9). Размеры прибора, длину и диаметр капилляра, эталонную жидкость выбирают так, чтобы значения τ_B и τ_Ээ лежали в интервале 100 - 200 с.

В основе уравнения (8.13) лежит предположение о посто­янстве среднего столба жидкости между метками M₁ и M₂, так как в прибор вводят точный и постоянный объем жидкости при одной и той же температуре жидкости в пипетке и термостатируемом вискозиметре.

Если же температуры жидкости до и после ее введения в прибор различны, то средняя высота столба жидкости уже не будет постоянной, что, естественно, внесет некоторую погреш­ность в определение вязкости.

Ошибку в измерения может внести и различие в поверхност­ном натяжении эталонной и исследуемой жидкостей. Пока уровень жидкости понижается в расширении 2 (рис. 176, о), имеющем достаточно большой диаметр, чтобы капиллярными явлением можно было пренебречь, существенной погрешности в измерение не вносится. Но когда жидкость опустится в нижнюю конусообразную часть расширения 2, влияние поверхностного натяжения начнет возрастать и достигнет максимального значения в капилляре до отметки М_2. Для устранения этого влияния Джонс и Визей предложили выше и ниже метки М₂ на 10 мм делать диаметр капилляра таким же, как и у метки М₁ (более широким).

Джоне Гарри (1865 - 1916) - американский физикохимик, ученик Оствальда

Перед измерениями вискозиметр следует тщательно устано­вить в вертикальном положении (по отвесу), чтобы гидростати­ческое давление при истечении жидкости через капилляр было одним и тем же как при калибровке, так и при измерении вяз­кости исследуемой жидкости.

Когда капилляр имеет внутренний диаметр порядка 0,1 -0, 2 мм, то при точности измерений около 0,1 % необходимо сле­дить, чтобы в жидкость и вискозиметр не попала пыль, мель­чайшие капли другой жидкости, не смешивающейся с исследу­емой, или пузырьки газа. В противном случае эти инородные включения фактически уменьшат диаметр капилляра и вызовут большие погрешности в определении вязкости. Надо заметить, что инородные включения могут иметь размер, ненаблюдаемый визуально.

Поэтому весь вискозиметр и особенно капилляр перед рабо­той подвергают, как было сказано выше, тщательной очистке от поверхностных загрязнений. Также должна быть очищена от взвешенных и коллоидных частиц эталонная и исследуемая жидкости (перегонкой, фильтрованием через стеклянный по­ристый фильтр,( см. разд. 1.5).

Наилучшим способом обнаружить погрешность, появив­шуюся от загрязнений капилляра, является повторение измере­ния вязкости жидкости при помощи других вискозиметров того же типа.

Для предотвращения попадания в вискозиметр посторонних частиц из воздуха применяют приставку Эппельбея (рис. 176, д), надеваемую на трубки 1 и 4 вискозиметров. В шариках пристав­ки располагают плотные тампоны из полимерной ваты.

При засасывании жидкости через капилляр резиновой гру­шей на резиновую трубку приставки надевают зажим Гофмана, который открывают во время измерения времени истечения жидкости.

С помощью вискозиметра марки ВПЖ-1 отечественного производства (рис. 176, б) определяют кинематическую вязкость следующим образом. В колено 4 вводят такое количество жид­кости, чтобы мениск ее в колене 1 чуть не доходил до нижнего отверстия капилляра 3. Затем вискозиметр опускают в термостат выдерживают 10- 15 мин при 20 ±0,1 °С. После этого, не вынимая его из термостата, закрыв пальцем отросток 5 при помощи груши, надетой на колено 1, засасывают жидкость выше метки M₁, следя за тем, чтобы в резервуаре 6 не образовалось разрыва жидкости. Прекратив засасывание и отняв палец от трубки 5, дают жидкости стекать в расширение 6 и наблюду за понижением ее мениска. Как только он коснется метки М₁ включают секундомер, который останавливают в момент при­косновения мениска к метке М₂.

Записав время истечения жидкости, повторяют эксперимент не менее 4-5 раз. Затем вискозиметр моют, сушат и вновь за­полняют, но уже эталонной жидкостью и проводят не менее 4 - 5 измерений.

Если результаты двух последних измерений совпадают в пре­делах 0,3%, то находят среднее арифметическое время истечения и вычисляют постоянную вискозиметра (в сСт/с):

к = υ _Э/τ_Э. (8.14)

Параметры вискозиметров марок ВПЖ-1 и ВПЖ-2 (ГОСТ 10028-67) приведены в табл. 30.

Значение кинематической вязкости (в сСт) вычисляют из со­отношения

Υ =kτg/980,7, . (8.15)

где τ - время истечения, с; g - ускорение силы тяжести в месте измерения вязкости, см/с².

Допускают, что g/980,7 1, если погрешность ±0,02% не имеет значения.

При использовании пипеточного вискозиметра Мартина (1925 г.) избыток исследуемой или эталонной жидкости вводят в трубку 4 (рис. 176, в), после чего прибору придают наклонное положение и через капилляр 3 засасывают в расширение 2 жид­кость до уровня немного более высокого, чем метка M₁. Когда восстанавливают вертикальное положение вискозиметра, жид­кость в трубке 7 должна закрывать только нижний конец капил­ляра. Емкость расширения 2 составляет 3-6 мл, капилляр имеет длину 100 - 200 мм, а внутренний диаметр-0,1-0,3мм. Перед измерением вискозиметр с закрытой трубкой 1 погружа­ют в термостат и по достижении равенства температур термо­статной и исследуемой жидкостей (10-20 мин) открывают трубку 1.

Считают, что погрешности, связанные с различными значе­ниями поверхностного натяжения исследуемой и калибровоч­ной жидкостей и неполным их вытеканием, являются незначительными. Допускают, что толщина жидкой пленки, остающейся на стенках вискозиметра, приблизительно постоянна для различных жидкостей.

Мартин Арчер Джон Портер (р. 1910) - английский биохимик и физикохимик, лауреат Нобелевской премии.

Таблица 30. Параметры вискозиметров ВПЖ-1,ВПЖ-2

Внутренний диаметр капилляра, мм	Значение постоянной к, сСт/с	Вместимость резервуара 2 (рис. 176, 6, в), мл
0,34 ±0,02 0,54 ± 0,02	3 *10-3 0,01	1,5 ±0,2 0, 3,0 ± 0,3

Если надо определить вязкость небольшого объема жидкости, хо применяют микровискозиметр (рис. 176, г). Прибор состоит из капилляра 4 с нанесенной на него шкалой, помешенного в термостатируемую рубашку 2 с термометром 5. Концы капилля­ра сообщаются с сосудами 1 вместимостью около 1 мл. Левый сосуд 1 содержит исследуемую жидкость 3, которую под строго контролируемым давлением (водяной манометр, см. разд. 10.4) вводят в капилляр до метки M₁. Затем создают небольшое дав­ление и пускают секундомер, отмечая время, в течение которого столбик жидкости пройдет путь от метки M₁ до метки М₂- Ана­логичную операцию проводят и с эталонной жидкостью при точно таком же внешнем давлении. Значение коэффициента вязкости вычисляют, как и при работе с вискозиметром Ост­вальда.