Viskosität von Newtonschen und nicht-Newtonschen Flüssigkeiten

Wenn Sie sich auf dieser Website befinden, haben Sie wahrscheinlich eine allgemeine Vorstellung davon, was Viskosität ist und wie wichtig es für die Entwicklung einer Anwendung ist, die den Flüssigkeitsfluss beinhaltet. Die Fluidcharakterisierung ist jedoch weitaus tiefer und komplexer als normalerweise erwartet. Jedes einzigartige Material hat sein eigenes Verhalten, wenn es Strömung, Verformung oder Belastung ausgesetzt ist.,

Abhängig von ihrem Viskositätsverhalten in Abhängigkeit von Scherrate, Spannung, Verformungshistorie…, flüssigkeiten werden als newtonsche oder nicht-newtonsche charakterisiert.

Newtonsche Flüssigkeiten

Newtonsche Flüssigkeiten sind nach Sir Issac Newton (1642 – 1726) benannt, der das Fließverhalten von Flüssigkeiten mit einer einfachen linearen Beziehung zwischen Scherspannung und Scherrate beschrieb ., Diese Beziehung wird jetzt als Newtons Viskositätsgesetz bezeichnet, wobei die Proportionalitätskonstante η die Viskosität des Fluids ist:

Einige Beispiele für Newtonsche Flüssigkeiten umfassen Wasser, organische Lösungsmittel und Honig. Für diese Flüssigkeiten ist die Viskosität nur von der Temperatur abhängig. Wenn wir uns daher ein Diagramm der Scherspannung gegenüber der Scherrate ansehen (siehe Abbildung 1), können wir einen linearen Anstieg der Spannung mit zunehmenden Scherraten feststellen, wobei die Steigung durch die Viskosität des Fluids gegeben ist., Dies bedeutet, dass die Viskosität von newtonschen Flüssigkeiten konstant bleibt (siehe Abbildung 2), unabhängig davon, wie schnell sie gezwungen sind, durch ein Rohr oder einen Kanal zu fließen (dh die Viskosität ist unabhängig von der Scherrate).

Eine Ausnahme von der Regel sind Bingham-Kunststoffe, bei denen es sich um Flüssigkeiten handelt, die vor dem Fließen eine minimale Spannung erfordern. Diese sind streng nicht-newtonsch, aber sobald der Fluss beginnt, verhalten sie sich im Wesentlichen als Newtonsche Flüssigkeiten (dh die Scherspannung ist linear mit der Scherrate). Ein gutes Beispiel für diese Art von Verhalten ist Mayonnaise.,

Newtonsche Flüssigkeiten bestehen normalerweise aus kleinen isotropen Molekülen (symmetrisch in Form und Eigenschaften), die nicht strömungsorientiert sind. Es ist jedoch auch möglich, newtonsches Verhalten mit großen anisotropen Molekülen zu haben. Beispielsweise können Protein-oder Polymerlösungen mit niedriger Konzentration unabhängig von der Scherrate eine konstante Viskosität aufweisen. Es ist auch möglich, dass einige Proben Newtonsches Verhalten bei niedrigen Scherraten mit einem Plateau anzeigen, das als Nullscherviskositätsbereich bekannt ist.,

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten

In Wirklichkeit sind die meisten Flüssigkeiten nicht-Newtonsche Flüssigkeiten, was bedeutet, dass ihre Viskosität von der Scherrate (Scherverdünnung oder-verdickung) oder der Verformungshistorie (thixotrope Flüssigkeiten) abhängt. Im Gegensatz zu newtonschen Flüssigkeiten zeigen nicht-Newtonsche Flüssigkeiten entweder eine nichtlineare Beziehung zwischen Scherspannung und Scherrate (siehe Abbildung 1), haben eine Streckgrenze oder eine Viskosität, die von der Zeit-oder Verformungshistorie abhängt (oder eine Kombination aller oben genannten!).,

Ein Fluid ist eine Scherverdickung, wenn die Viskosität des Fluids mit zunehmender Scherrate zunimmt (siehe Abbildung 2). Ein häufiges Beispiel für Scherverdickungsflüssigkeiten ist eine Mischung aus Maisstärke und Wasser. Sie haben wahrscheinlich Beispiele dafür im Fernsehen oder im Internet gesehen, wo Menschen über diese Art von Lösungen laufen können und doch werden sie sinken, wenn sie still stehen. Flüssigkeiten sind Scherverdünnung, wenn die Viskosität abnimmt, wenn die Scherrate zunimmt. Scherverdünnungsflüssigkeiten, auch Pseudo-Kunststoffe genannt, sind in industriellen und biologischen Prozessen allgegenwärtig., Typische Beispiele sind ketchup, Farben und Blut.

Das nicht-newtonsche Verhalten von Flüssigkeiten kann durch mehrere Faktoren verursacht werden, die alle mit der strukturellen Reorganisation der Fluidmoleküle aufgrund der Strömung zusammenhängen. Bei Polymerschmelzen und-lösungen führt die Ausrichtung der hoch anisotropen Ketten zu einer verminderten Viskosität. Bei Kolloiden ist es die Segregation der verschiedenen Phasen in der Strömung, die ein Scherverdünnungsverhalten bewirkt.

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Der Flüssigkeitsfluss hängt stark von der Viskosität der Flüssigkeiten ab. Gleichzeitig wird für eine nicht-newtonsche Flüssigkeit die Viskosität durch die Fließeigenschaften bestimmt . Wenn Sie sich Abbildung 3 ansehen, können Sie je nach Flüssigkeitsverhalten drei sehr unterschiedliche Geschwindigkeitsprofile beobachten. Bei all diesen Fluiden wird die Scherrate an den Wänden (d. H. Die Neigung des Geschwindigkeitsprofils in Wandnähe) die Viskosität bestimmen., Eine erfolgreiche Charakterisierung der Viskosität ist der Schlüssel zur Bestimmung, ob eine Flüssigkeit newtonsch oder nicht-Newtonsch ist und welcher Bereich von Scherraten für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden muss. Viele Viskosimeter auf dem Markt messen die Indexviskosität, es fehlt jedoch häufig die richtige Charakterisierung der Scherrate und der absoluten oder wahren Viskosität. Die absolute Viskosität ist einer der wichtigsten Parameter bei der Entwicklung und Modellierung von Anwendungen mit Flüssigkeitsfluss. Daher muss eine ordnungsgemäße Charakterisierung der Viskosität mit einer Scherrate durchgeführt werden, die für den spezifischen Prozess relevant ist., Erfahren Sie mehr über RheoSense-Viskosimeter und wie sie Messungen der wahren Viskosität über einen weiten Bereich von Scherraten ermöglichen.

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