Viscositeit en rheologie.

Elastische vaste stoffen kunnen vervormen en na wegnemen van de belasting weer terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm. Vloeistoffen zijn niet elastisch, zodat een vervorming onomkeerbaar is. Het antwoord van vloeistof op externe belasting is verplaatsing; vloeistoffen stromen en vertonen visceus gedrag. De viscositeit van een vloeistof is in principe een maatstaf voor interne wrijving of weerstand tegen stroming.

Kinematische viscositeit is de mate van stromingsweerstand van een vloeistof onder invloed van de zwaartekracht. Wanneer twee gelijke volumes vloeistof van verschillende aard in identieke capillaire viscosiemeters worden gegoten, dan zal de vloeistof met de hoogste viscositeit het langst doen over de weg door het capillair. Stel dat de ene vloeistof 200 sec. nodig heeft en een tweede 400 sec., dan is op de kinematische viscositeitschaal de laatste vloeistof twee keer zo visceus als de eerste.Absolute viscositeit, ook wel dynamische viscositeit of kortweg viscositeit, is het product van kinematische viscositeit en dichtheid van een vloeistof. De S.I. eenheid van absolute viscositeit is Pascal-seconde of Pas.

De relatie tussen viscositeit en afschuifspanning (shear) wordt beschreven in de viscositeitswet van Newton. Het belasten van een vloeistof met een afschuifspanning kan worden voorgesteld door twee platen te nemen, gescheiden door een smalle spleet die gevuld is met vloeistof. Bij een onderlinge verplaatsing van de platen, worden spanningen in de vloeistof opgewekt. Veel vloeistoffen zoals bijvoorbeeld water, melk, suikeroplossing en minerale oliën gehoorzamen aan de viscositeitswet van Newton en worden daarom Newtonse vloeistoffen genoemd. Bij gelijk blijvende temperatuur en variërende afschuifkrachten, blijft de viscositeit van een Newtonse vloeistof constant.

Niet Newtonse vloeistoffen kunnen worden voorgesteld als een mengsel van moleculen met verschillende vormen en afmetingen. Wanneer ze elkaar passeren –en dat gebeurt bij stroming- bepalen de parameters grootte, vorm en cohesie hoeveel kracht er nodig is om ze te bewegen. Bij elke specifieke mate van afschuiving, veranderen een of meer parameters in dit model en is er meer of minder kracht nodig om beweging te onderhouden.Het leggen van rheologische verbanden helpt ons het gedrag van vloeistoffen te doorgronden, zodat we van te voren weten hoe ze zich gedragen en hoe ze gemanipuleerd kunnen worden om aan onze eisen te voldoen. Er bestaan verschillende niet Newtonse stromingskarakteristieken die worden onderverdeeld naar de relatie tussen viscositeit verandering, afschuifkrachten die op de vloeistof wordt uitgeoefend en de factor tijd.

Niet Newtonse vloeistoffen, onafhankelijk van tijd. (Viscositeit afhankelijk van shear rate en temperatuur).

Pseudo-plastisch of shear thinning.
Dit type vloeistof zal een afnemende viscositeit vertonen, naarmate de afschuifkrachten toenemen. Veel verf, shampoos, emulsies, suspensies en vruchtensapconcentraten vertonen dit gedrag.

Dilatant of shear thicking.
Bij dit type vloeistof neemt de viscositeit toe, naarmate de afschuifkrachten groter worden. Voorbeelden zijn suspensies met een hoog vaste stof aandeel, zoals kleislurries en zetmeel-water suspensies.

Plastisch.
Dit type vloeistof gedraagt zich bij statische toestand als een vaste stof. Om stroming in gang te zetten, moet eerst een bepaalde hoeveelheid stress worden opgebouwd. Sommige ketchups vertonen dit gedrag; dit product zal niet spontaan de fles uitstromen, tenzij de fles eerst wordt geschud. Na het overschrijden van de z.g. "yield value", kan een plastische vloeistof zowel Newtons, pseudo-plastisch of dilatant gedrag vertonen. Andere voorbeelden zijn: kwark, handcrème en smeervet.

Niet Newtonse vloeistoffen, tijdafhankelijk (viscositeit afhankelijk van temperatuur, shear rate en tijd).

Tixotroop.
Bij dit type stromingsgedrag zijn niet alleen de krachten die op de vloeistof worden uitgeoefend bepalend, maar ook de factor tijd. Een tixotrope vloeistof ondergaat -bij constant blijvende afschuifkracht- in de tijd een afname van de viscositeit. Voorbeelden zijn yoghurt en bepaalde typen verf en zware drukinkten.

Rheopexy.
Dit gedrag is het tegenovergestelde van tixotroop stromingsgedrag. De factor tijd is extreem variabel; sommige vloeistoffen bereiken hun uiteindelijke viscositeit binnen enkele seconden, terwijl er ook vloeistoffen zijn waar het proces enkele dagen duurt. Rheopexy is vrij zeldzaam, een voorbeeld is gipspasta.

Laminaire en turbulente stroming.
De definitie van viscositeit gaat uit van laminaire stroming, ofwel de verplaatsing van een laag vloeistof langs een andere laag vloeistof, zonder overdracht van stoffen van de ene naar de andere laag. Viscositeit is de wrijving tussen deze lagen onderling. Bepaald door een aantal factoren, bestaat er een grens aan de snelheid tussen de ene en de andere laag, waar boven er sprake is van uitwisseling van massa. Dit fenomeen wordt turbulentie genoemd. Moleculen of grotere fracties "springen" van de ene naar de andere laag en dissiperen daarbij een aanzienlijke hoeveelheid energie in het proces. Het netto resultaat is dat bij gelijke snelheid, turbulente stroming een grotere hoeveelheid energie input vereist dan laminaire stroming. De hogere energie input wordt waargenomen als een schijnbaar grotere afschuifspanning, in vergelijking met een gelijke krachtuitoefening die bij laminaire stroming zou optreden. Het resultaat is een foutieve meting van de viscositeit, die met name bij dilatante vloeistoffen een rol speelt. Karakteristiek voor turbulente flow is een relatief plotselinge en substantiële toename van de viscositeit bij overschrijding van een bepaalde afschuifspanning. Dilatante vloeistoffen zullen onder toenemende afschuifkrachten een gestage toename van de viscositeit te zien geven.

Niet Newtonse vloeistoffen zijn in de praktijk eerder regel dan uitzondering. Wanneer een product in een productieproces aan uiteen lopende afschuifspanningen wordt onderworpen, dan is enig inzicht in het rheologisch gedrag van dat product essentieel. Grote schade kan worden veroorzaakt door de combinatie van een dilatant reagerend product en een in-line dispergeermachine. Het proces kan zelfs leiden tot het vastlopen van de dispergeermachine omdat het product zich (alleen in de dispergeerkamer, dus niet waarneembaar) als een vaste stof gedraagt.

Gerelateerde begrippen:
Emulgator, een hulpstof voor het stabiliseren van een emulsie.
Emulsie, een mengsel van twee niet mengbare vloeistoffen, waarvan één vloeistof in de vorm van zeer kleine druppeltjes in de andere vloeistof zwevende wordt gehouden.
Gel, een suspensie of polymeeroplossing die zich meer als elastische vaste stof gedraagt dan als vloeistof.
Hydrofiel, stoffen die voorkeur geven aan een verbinding met water.
Hydrofoob, stoffen met een afkeer voor een verbinding met water.
Lipofiel (of oleofiel) stoffen die voorkeur geven aan verbinding met olie.
Lipofoob (of oleofoob), stoffen met een afkeer voor een verbinding met olie.
Micelle, een aggregaat van oppervlakteactieve moleculen in oplossing.
Shear, de mate van deformatie van een vloeistof wanneer deze met mechanische afschuifspanningen wordt belast.
Shear stress, De hoeveelheid kracht per oppervlakteeenheid, die nodig is om deformatie in een vloeistof te bewerkstelligen.
Surfactant, (of tenside) een stof die de oppervlaktespanning verlaagt van het medium waarin het is opgelost.
Suspensie, een dispersie van vaste stof deeltjes in een vloeistof.

©2001, TPE Holland v.o.f.