Guida alla misura della viscosità

1 Definizioni di viscosità

1.1 Qual è la viscosità del mio prodotto?

Questa domanda frequente merita un chiarimento, in quanto esistono diversi valori di viscosità per qualificare un prodotto:

• Viscosità cinematica ? (nu), risultante da una misura del tempo di deflusso, tiene conto della gravità e riguarda fluidi meno viscosi e dal comportamento reologico semplice: Fluidi Newtoniani. È espressa in Stokes, cStokes o cm2/s.

• Viscosità dinamica ? (eta) qualifica la maggior parte dei prodotti formulati; è esente dall'effetto della densità e si misura soprattutto con strumenti rotativi. Può considerare il comportamento reologico del prodotto, che gli conferisce un carattere assoluto. Le sue unità sono Pa.s e mPa.s (1 mPa.s = viscosità dell’acqua a 20°C) o Poise o cPoise.

• Nel campo dei polimeri, esistono altri valori di viscosità come la viscosità specifica, la viscosità intrinseca e la viscosità relativa, che permettono di calcolare la massa molare media viscosa di questi polimeri in soluzione.

• È quindi importante definire chiaramente quali informazioni si vogliono raccogliere prima di intraprendere una misura di "viscosità" che potrebbe rivelarsi difficile o inutile per qualificare meglio il prodotto.

1.2 La misura della viscosità definita è rilevante?

La risposta a questa domanda ne solleva altre:

• Perché mi serve il valore di viscosità? Soddisfare uno standard, verificare la stabilità della qualità del prodotto, convalidare un processo industriale, innovare, fornire una specifica a un cliente.
• La definizione dello scopo di questa misura è il primo passo da compiere.
• La temperatura a cui sto misurando riflette il tempo che voglio caratterizzare? È molto importante essere il più vicino possibile a ciò che il prodotto subisce nel ciclo di vita.
• I risultati quantificati di questa misura mi permettono di identificare le discrepanze che giudico tra due prodotti? La precisione di una misura non è sufficiente a renderla rilevante.
• Quali informazioni devo comunicare su questo valore di viscosità? Specificare lo standard utilizzato quando le condizioni di misurazione aiutano il dialogo tra i servizi, con i vostri clienti e con i vostri fornitori.
• Perché non trovo lo stesso valore di viscosità del mio fornitore?Questa domanda, molto frequente e del tutto legittima, ha origine nella nozione di comportamento reologico, che tratteremo nel secondo capitolo. Ciò richiede un dialogo preciso e chiaro sulle misure stabilite reciprocamente. Più informazioni accompagnano il valore di viscosità fornito, più è facile farvi riferimento per effettuare una misura nelle condizioni più vicine con i propri mezzi.

Naturalmente, alcuni standard in vigore o vincoli di prodotto - volume disponibile, temperatura di prova, tipo di prodotto - richiederanno l'uso di strumenti identici o versatili che si adatteranno alla maggior parte delle condizioni dichiarate.

2 Misura della viscosità

2.1 Quale parametro è importante per effettuare una misura di viscosità corretta?

Poiché la viscosità non è un valore fisico costante da misurare, è importante conoscere i parametri variabili che possono influenzare questo valore durante una misurazione.

I fattori più importanti da conoscere o controllare sono i seguenti:

• Temperatura, perché a seconda della formulazione chimica del campione, la temperatura può influenzare il valore della viscosità. Anche se l'aumento della temperatura darà valori di viscosità più bassi, si raccomanda di confrontare le viscosità dei campioni o di essere in accordo con i valori standard.
• La velocità o shear rate è il parametro principale che influenza la viscosità dei prodotti formulati, che sono fluidi non newtoniani. Ciò induce a utilizzare geometrie definite o standard in cui questo parametro è ben noto, come sistemi cono-piatto o a cilindro coassiale.
• Il tempo è la terza variabile da controllare per diversi tipi di prodotti, perché la viscosità tende a diminuire quando lo sforzo è più lungo rispetto a uno breve. Questo effetto tixotropico è raro, ma potrebbe influenzare drasticamente il processo e mettere in difficoltà anche l'accuratezza del controllo della viscosità.

2.2    Scelta del viscosimetro, quale tecnologia scegliere?

A causa di metodi standard storici o di una giustificazione facile da usare, sono stati sviluppati e utilizzati molti tipi di viscosimetri per controllare la misura della viscosità. Se si ha la possibilità di scegliere, è necessario sapere alcune cose per trovare il migliore in funzione del proprio campione o delle proprie esigenze:

• I viscosimetri a tubo cinematico in vetro sono realizzati per ottenere una viscosità cinematica molto accurata, essenzialmente su campioni molto liquidi, senza comportamenti reologici complessi. Sono standard nell'industria petrolifera o utili per analizzare soluzioni di polimeri diluiti con solventi.
• Il viscosimetro Höppler a caduta di sfera, standardizzato nei controlli di viscosità della farmacopea, è ideale per sciroppi e lozioni trasparenti newtoniane; un set di sfere di diverse dimensioni consente di misurare l'intervallo di viscosità ed è possibile controllare la temperatura del campione attraverso un circolatore d'acqua esterno da collegare a un bagno.
• Tazze a deflusso standard, con volume definito e diametro del foro calibrato, molto presenti nel settore dei rivestimenti e delle vernici, facili da usare e perfettamente adatte alle vernici a solvente.
• Viscosimetro rotazionale con girante standard, conforme agli standard ASTM/ISO; il sistema più diffuso per misurare la viscosità dinamica relativa di tutti i tipi di prodotti; l'unica precauzione da prendere è quella di considerare tutti i parametri per una misurazione accurata: velocità, girante, volume del campione, tempo, ecc.
• Viscosimetro rotazionale con geometrie definite dalla velocità di taglio (cono-piatto, sistemi coassiali), compatibile con le norme DIN/ISO, raccomandato per prodotti non newtoniani in tutti i campi di attività. I valori di viscosità più definiti e assoluti si ottengono con queste configurazioni.
   

2.3 Come convalidare i valori misurati a fronte delle esigenze applicative?

Oltre a rispondere a uno standard, una buona domanda prima di creare un metodo di misurazione della viscosità è pensare all'utilità di questo valore rispetto alle informazioni applicative di cui si ha bisogno.

Se si vuole sapere se il campione è adatto ad essere utilizzato da un cliente, si raccomanda di controllare la sua viscosità nella zona di velocità di taglio, usata nell'applicazione.

Un altro caso potrebbe essere quello di valutare la capacità di un prodotto di avere una buona stabilità nel tempo o di essere adattato a una nuova linea di confezionamento o di processo. A seconda dell'applicazione, potrebbe essere interessante creare metodi di misurazione della viscosità specifici da ottimizzare per la qualità dei prodotti.

Alcune formule di calcolo della velocità di taglio di facile utilizzo e la semplice conoscenza delle condizioni di lavorazione, stoccaggio o confezionamento dovrebbero essere utili per considerare i risultati della misurazione in correlazione con l'applicazione.
 

3 Reologia – Come si comportano i fluidi?

3.1Questi due termini non sono in contrapposizione, ma sono ben correlati tra loro:

These two terms are not to be opposed but they are well related to each other:

• La viscosità è l'elemento unitario che verrà utilizzato negli studi reologici condotti su un prodotto. È quindi preponderante e intrinsecamente legata al comportamento della reologia del prodotto.
• La reologia, o scienza dei fluidi, permette di conoscere e capire come un fluido si comporterà sotto l'influenza di parametri durante la sua produzione, il suo imballaggio, il suo stoccaggio, il suo trasporto e, naturalmente, il suo utilizzo.

Key parameters that affect viscosity and translate into rheological studies are temperature, deformation, or shear as well as time. 

I parametri chiave che influenzano la viscosità e si traducono in studi reologici sono la temperatura, la deformazione o il taglio e il tempo. 
I prodotti newtoniani saranno utilizzati per tutti i prodotti fluidi o viscosi in cui la viscosità varia solo con la temperatura. L'acqua, gli oli, i solventi, il miele, le vernici e altre pitture gliceroftaliche rientrano in questa categoria. Una semplice misura della viscosità a una temperatura definita è sufficiente per caratterizzarli.
I prodotti formulati, per la maggior parte, tendono a diventare più fluidi rispetto a quelli a riposo quando vengono deformati o sottoposti a taglio; sono chiamati prodotti visco-fluidificanti o reo-fluidificanti.
Distingueremo tra fluidi pseudoplastici, sostanze visco-fluidificanti che scorrono per gravità come shampoo, emulsioni, etc. 
I prodotti pseudoplastici per i quali è necessario superare un limite di soglia per iniziare a fluire sono ad esempio:

• Ketchup
• Dentifricio
• Vernici
• Cioccolato

Altre informazioni, come la viscoelasticità, possono essere interessanti da analizzare, quando si presentano problemi di stabilità, tenuta o, in alcuni casi, di adesività. 
Come già menzionato, il tempo può anche influenzare la viscosità della tissotropia, un calo della viscosità in funzione del tempo di taglio. Questo fenomeno reversibile si aggiunge al comportamento visco-fluidificante. Spesso è difficile da controllare e può portare a errori di qualità del prodotto e persino a problemi di processo.
 

3.2 Quale strumento scegliere per analizzare la reologia del mio prodotto?

Come detto, i test utilizzati per misurare i diversi comportamenti reologici richiedono strumenti e software adeguati. Spesso vengono consigliate soluzioni sofisticate, complesse e costose, ma in pratica non sempre sono la soluzione migliore.

Pertanto, si consiglia di adottare un approccio pragmatico in base al prodotto da analizzare: 

• Quale volume? 
• Quale ordine di viscosità? 
• Qual è la sua natura? 
• Prodotto caricato o no?
• Quale livello di competenza è richiesta (controllo qualità, R&D, ricerca di base)?
• Qual è il mio budget?
• Ho le competenze interne per utilizzare correttamente tali apparecchiature e interpretare i dati?

Le risposte a queste domande vi guideranno verso la scelta più conveniente in termini di materiali, accessori e metodi in base alle vostre esigenze.

Esempio:
La norma OICCC, stabilita per il cioccolato fin dagli anni '70, quando non esisteva il computer, ha permesso di definire la misura della viscosità del cioccolato a 40°C, con determinazione del limite di scorrimento secondo CASSON, per ottenere entrambi i parametri che ancora oggi qualificano la struttura di un cioccolato, derivanti dal suo contenuto di burro di cacao, e la sua viscosità di taglio una volta superato il LE [2].
 

Questo metodo semplice e completo di controllo reologico dimostra che la reologia è presente in tutti i vostri prodotti, che può fornire soluzioni ai vostri problemi di qualità, pompaggio, stabilità, applicazione, più risultati in un semplice valore di viscosità e senza essere troppo complessi da usare e analizzare.

4 Misurazioni accurate con viscosimetro rotazionale

Un processo passo-passo:
I viscosimetri rotazionali forniscono un modo economico ma affidabile e riproducibile per misurare la viscosità dei campioni liquidi. Possono misurare la viscosità assoluta quando vengono utilizzati, ad esempio con un adattatore per piccoli campioni. Tale accessorio fornisce una velocità di taglio definita in modo da poter calcolare i valori assoluti di viscosità. Tuttavia, in molti casi la misurazione della viscosità relativa è sufficiente. Per questo tipo di misurazione, la girante viene semplicemente inserita in un becker o in una lattina, ottenendo un valore relativo che può essere confrontato con le specifiche QC definite per queste condizioni o altri lotti garantendo una qualità costante del prodotto.
 

Assicuratevi che il viscosimetro sia calibrato correttamente testandolo con un olio di calibrazione certificato ISO 17025. 

1. Preparare il campione in conformità con un metodo di prova standard, come ASTM D2196-10 Standard Test Methods for Rheological Properties of Non-Newtonian Materials by Rotational Viscometer, o ISO 2555, ISO 1652[1].
2. Per ottenere risultati ripetibili, affidabili e accurati, utilizzare lo stesso viscosimetro, girante, velocità di rotazione, tempo di prova, forma, dimensione e posizionamento del contenitore e dimensioni del campione per test ripetitivi e QC. Utilizzare sempre la protezione della girante. 
3. La viscosità dipende dalla temperatura. Controllare la temperatura ambiente e la temperatura del campione, della girante e della protezione della girante per garantire risultati accurati e ripetibili. Questo può essere ottenuto con un bagno d'acqua circolante e vari accessori. Lasciare che tutto si equilibri per almeno un'ora prima di misurare. Utilizzare una sonda di temperatura del campione accessoria con lo strumento durante la misurazione per assicurarsi di mantenere una temperatura di campionamento costante.
4. Assicurarsi che la girante sia pulita, che l'albero non sia piegato e che non abbia ammaccature o scheggiature. 
5. Assicurarsi di non introdurre bolle d'aria nel campione durante la preparazione.
6. Fare attenzione a non sforzare il campione durante la preparazione attraverso scuotimento, agitazione o miscelazione poiché alcuni materiali (fluidificanti / dilatanti con il taglio) richiedono tempo per recuperare la loro viscosità a riposo. Abbassare sempre lentamente la girante nel campione. Se si introduce un taglio, assicurarsi di concedere tempo sufficiente per il recupero prima della misurazione.
7. Assicurarsi che il contenitore del campione sia pulito senza alcun residuo da test precedenti.
8. Assicurarsi che la girante sia immersa nel campione fino al centro della linea sull'albero. Il riempimento eccessivo o insufficiente può causare risultati errati.
9. Evitare turbolenze, normalmente causate da velocità più elevate, che possono alterare i risultati. Ciò è particolarmente importante con campioni a viscosità inferiore.
10. Assicurarsi di utilizzare lo stesso tempo di prova poiché molti fluidi cambiano viscosità nel tempo. Ad esempio, i fluidi che si fluidificano con il taglio diminuiscono di viscosità con l'applicazione del taglio, e in alcuni liquidi questa riduzione della viscosità dipende dal tempo.
11. Nella maggior parte dei casi assicurarsi che la girante ruoti almeno 5 volte prima di registrare un valore. Potrebbe essere necessario regolarla con alcuni fluidi non newtoniani. Ma assicurarsi che il tempo di misurazione non sia troppo lungo, specialmente con campioni altamente viscosi, in quanto ciò può causare un attrito più elevato e il conseguente riscaldamento del campione e variazioni di viscosità. Una regola empirica è quella di consentire alla viscosità visualizzata di stabilizzarsi prima della misurazione. Se non si stabilizza, il fluido probabilmente mostra viscosità dipendente dal tempo. In questo caso è necessario definire uno o più tempi per le misurazioni.
12. Evitare che il campione si asciughi o evapori poiché porterà a una maggiore viscosità.

5 Choose the Correct Viscometer Range and Spindle

I viscosimetri rotazionali sono prodotti in tre diversi intervalli di viscosità per consentire un'ampia gamma di misurazioni della viscosità. Il primo passo è determinare l'intervallo di viscosità che si avvicina alla viscosità dei prodotti che si misureranno: bassa, media o alta viscosità. 

Una volta scelto l'intervallo di viscosimetri che si avvicina al prodotto, il secondo passo è selezionare una girante e la velocità di rotazione. I set di giranti sono forniti con ogni viscosimetro che consente di misurare all'interno dell'intero intervallo di viscosità dello strumento. Alla fine, la maggior parte delle volte la scelta della girante e della velocità di rotazione corretti richiede tentativi ed errori.

Ci sono diversi fattori che occorre considerare prima di selezionare una girante e la velocità di rotazione:

• Se si sta tentando di duplicare un metodo o un risultato, utilizzare la stessa girante, la stessa velocità di rotazione, lo stesso contenitore e la stessa dimensione del campione utilizzati nel metodo da duplicare. 
• Se è necessario approssimare una particolare velocità di taglio, ad esempio lo sforzo che verrà creato quando viene applicato il prodotto, è necessario scegliere una velocità di rotazione che si avvicini a tale velocità di taglio. 
• Se si conosce la viscosità del campione da testare, utilizzare l'impostazione appropriata sul viscosimetro. Basta inserire il codice girante e l'impostazione RPM, lo strumento visualizzerà l'intervallo di viscosità di quella combinazione. Provare diverse combinazioni per selezionare la girante appropriata.
• Se non si conosce la viscosità del fluido da testare, l’obiettivo è trovare una combinazione di velocità e girante che dia una lettura del torchio compresa tra il 10% e il 100%. Cercare di trovare una combinazione che dia la massima lettura possibile del torchio al di sotto del 100%, poiché la precisione sarà migliore. Basta misurare il campione con la girante scelta a varie velocità. Se non è possibile ottenere una lettura tra il 10% e il 100% variando la velocità, è necessario provare una girante diversa. Se la lettura è superiore al 100% alla velocità più bassa, scegliere la girante più piccola successiva. Se la lettura è inferiore al 10% alla velocità massima, scegliere la successiva girante più grande.
• Se è necessario eseguire test a più velocità, scegliere un mandrino che produca letture comprese tra il 10% e il 100% per almeno tre impostazioni di velocità.
• In generale, l'intervallo di viscosità più basso può essere misurato con la girante più grande alla massima velocità. L'intervallo di viscosità più elevato può essere misurato con la girante più piccola alla velocità più bassa.
   

6 Valutazione delle curve di flusso di viscosità

Le curve di flusso a taglio costante per sospensioni e soluzioni misurate nelle stesse condizioni possono presentare un comportamento diverso in un intervallo di velocità di taglio. Inoltre, alcuni materiali possono presentare più di un comportamento distinto su diverse regioni di velocità di taglio della stessa curva di flusso. Diversi tipi di comportamento possono essere classificati in base alla loro forma caratteristica. La figura 1 seguente illustra i comportamenti più frequentemente incontrati.

1.  Newtoniano. La viscosità differenziale e il coefficiente di viscosità sono costanti con la velocità di taglio. 
2.  Dilatanti. La viscosità differenziale e il coefficiente di viscosità aumentano continuamente con la velocità di taglio.
3.  Fluidificanti (pseudoplastici). La viscosità differenziale e il coefficiente di viscosità diminuiscono continuamente con la velocità di taglio. Nessun valore di yield. 
4. Fluidificanti (pseudoplastici) con yield. La viscosità differenziale e il coefficiente di viscosità diminuiscono continuamente con la velocità di taglio una volta superato lo yield stress apparente.
5. Bingham (ideali). Obbediscono idealmente alla relazione di Bingham. Al di sopra dello yield stress di Bingham, la viscosità differenziale è costante ed è chiamata viscosità plastica, mentre il coefficiente di viscosità diminuisce continuamente a un certo valore limite a velocità di taglio infinita. 
6. Bingham (non-ideali). Al di sopra dello yield stress apparente il coefficiente di viscosità diminuisce continuamente, mentre la viscosità differenziale si avvicina ad un valore costante con l'aumentare della velocità di taglio. L'estrapolazione della curva di flusso dalla regione lineare ad alta velocità di taglio (regione plastica) all'asse di taglio fornisce lo yield stress apparente. La viscosità differenziale nella regione lineare è chiamata viscosità plastica.
    

Immagine 1 Classificazione delle curve di flusso di taglio

7 Metodi di viscosità e influenza della velocità di taglio

La maggior parte delle vernici sono liquidi non newtoniani, il che significa che la loro viscosità dipende dalla velocità di taglio applicata, che è una misura di come la vernice viene tagliata o lavorata durante un flusso. Molte vernici hanno una viscosità inferiore quando vengono applicate elevate velocità di taglio, ad esempio durante l'agitazione o la spruzzatura, rispetto alla loro viscosità di stoccaggio.

Diversi metodi di misurazione della viscosità applicano velocità di taglio diverse durante la misurazione. Ciò può comportare valori diversi per la viscosità misurata di vernici non newtoniane per metodi diversi. In alcuni casi, deve essere considerata anche la dipendenza dal tempo della viscosità dopo lo sforzo. La viscosità misurata delle cosiddette vernici tixotropiche dipenderà da come la vernice viene sforzata, ad esempio durante la manipolazione prima della misurazione, poiché la vernice "ricorderà" il trattamento di taglio per qualche tempo.

Per i motivi di cui sopra è importante scegliere un metodo che fornisca una velocità di taglio riproducibile quando si controlla la qualità della vernice. La figura 2 fornisce una panoramica delle velocità di taglio applicate in determinate applicazioni e dei metodi di misurazione.
 

7.1 Reometro

I reometri sono gli strumenti di scelta per studiare l'intero comportamento reologico. Mentre questi strumenti daranno il quadro completo, sono complicati nell'uso e nell'interpretazione dei dati che richiedono personale altamente qualificato e sono più costosi. 

7.2 Viscosimetro rotazionale

I viscosimetri rotazionali sono facili da usare e più spesso utilizzati per applicazioni QC. Come i reometri forniscono risultati ripetibili e affidabili e funzionano alle velocità di taglio più adatte alla rispettiva applicazione.:Basic rotational viscometers a very versatile and cover a broad range of shear rates and viscosities.

• I viscosimetri rotazionali di base sono molto versatili e coprono un'ampia gamma di velocità di taglio e viscosità. Sono utilizzati come modo affidabile e riproducibile per misurare la viscosità relativa in lattine e becker come un semplice controllo QC e possono anche determinare viscosità assolute in un ampio intervallo utilizzando un cosiddetto adattatore per piccoli campioni. 
• I viscosimetri Krebs o Stormer sono utilizzati al meglio con vernici che verranno stese con un pennello o un rullo, cioè vernici che verranno applicate a una velocità di taglio media da 10 a 100 s-1. Un'applicazione tipica sono le vernici decorative, ma questo tipo di viscosimetro viene utilizzato anche in altre applicazioni in cui è richiesto un metodo rapido, affidabile e altamente standardizzato.
• I viscosimetri a cono e a piatto sono spesso utilizzati a velocità di taglio elevate e quindi consentono il controllo della viscosità della vernice durante l'applicazione, ma possono misurare anche a velocità di taglio fino a 20 sec-1. I campioni vengono testati in una geometria definita e gli strumenti possono misurare viscosità assolute fino a 15.000 poise. 
   

7.3    Tazze di deflusso

Le tazze di flusso sono disponibili a basso costo e offrono un modo rapido per controllare la viscosità. Il loro risultato principale è il tempo di efflusso che può essere calcolato in viscosità cinematica. Dovrebbero essere utilizzate solo per liquidi newtoniani in quanto sono soggette a errori per la misurazione, ad esempio, di vernici tixotropiche, poiché il valore misurato per queste vernici può dipendere dalla manipolazione prima della misurazione, come ad es. per mescolare e riempire la vernice nella tazza. Vedere la Insta Visc Viscosity Calculator app per aiutare il calcolo della viscosità dalle misure con le tazze di deflusso [3].

Immagine 2 Velocità di taglio in diverse applicazioni

8 Viscosimetri per applicazioni specialiiscosimetri per applicazioni speciali

8.1 Viscosimetro cono e piatto

Per valutare la misurazione dinamica della viscosità viene utilizzato un viscosimetro a cono e piatto come descritto in DIN ISO 2884-1 e ASTM D4287 [4]. 
I viscosimetri a cono e piatto sono uno strumento pratico per qualsiasi laboratorio di CQ o R&S che richiede test rapidi e semplici dei materiali, indipendentemente dall'applicazione. Sono adatti per materiali newtoniani o non newtoniani con viscosità fino a 15.000 poise e velocità di taglio da un minimo di 25 s-1 fino a 13000 s-1. Gli strumenti sono disponibili con velocità fisse che soddisfano gli standard del settore o velocità variabili che consentono velocità di taglio variabili. La maggior parte ha anche integrato il riscaldamento e il raffreddamento per consentire test da 5 °C a 235 °C.

Di seguito sono riportati i vantaggi e gli svantaggi dell'utilizzo di un viscosimetro a cono e piatto rispetto a un viscosimetro rotazionale standard.

Vantaggi:
 

• Sottopone il campione a velocità di taglio uniformi, a differenza di un viscosimetro tipico in cui le velocità di taglio variano attraverso il contenitore del campione.
• I risultati non dipendono dalle dimensioni e dalla forma del contenitore del campione
• Più facile da riempire e pulire
• Meno quantità di campione necessaria
• Aumento e stabilizzazione della temperatura più rapidi e semplici
• Gestisce rapidamente i test di controllo qualità a 2 punti in cui le velocità di taglio specificate sono molto distanti, ad esempio 20 sec-1 e 9000 sec-1
• Tempo di ciclo rapido = riduzione dei tempi e dei costi di manodopera per eseguire i test
• Intervallo di velocità di taglio sufficientemente ampio da mostrare il comportamento dei materiali pseudoplastici

Svantaggi:

• Necessita di campioni molto omogenei a causa del piccolo volume di campioni
• I materiali che contengono particelle di grandi dimensioni possono produrre risultati incoerenti   
• Più costoso di un viscosimetro rotazionale standard
• Ha bisogno di un volume di riempimento corretto sotto il cono, altrimenti possono verificarsi grandi variazioni nei valori di viscosità
• Essiccazione più rapida dei campioni grazie alle dimensioni ridotte del campione
• Velocità di taglio limitate rispetto ai viscosimetri rotazionali standard

8.2  Viscosimetro Krebs Stormer 

Il metodo più popolare per determinare la viscosità di una vernice decorativa utilizza un viscosimetro Krebs Stormer come descritto in ASTM D562 [5]. Il viscosimetro Stormer utilizza una paletta che ruota nella vernice a 200 giri / min in un contenitore standardizzato. La resistenza creata dalla vernice viene misurata ed espressa in unità Krebs, o KU. Più alto è il numero KU, più viscosa è la vernice. I moderni viscosimetri Krebs Stormer come il BYK byko-visc DS visualizzano simultaneamente la viscosità in centipoise (cP) e grammi (gm). L'unità BYK è utilizzabile con viscosità nell'intervallo 40-141 KU, che equivale a 27-5274 centipoise (cP) per ASTM D562 [5]. Sono semplici, facili da usare e producono risultati indipendenti dall'operatore senza necessità di calcoli.

I viscosimetri Krebs Stormer sono tipicamente utilizzati nelle applicazioni di CQ per garantire che le vernici soddisfino le specifiche di produzione e nella R&S per sviluppare nuovi prodotti. Sono utilizzati al meglio con vernici che verranno stese con un pennello o un rullo, cioè vernici che verranno applicate a una velocità di taglio media da 10 a 100 s-1, a seconda della velocità di applicazione e dello spessore del rivestimento. Possono anche essere utilizzati in altre applicazioni, come materie prime, slurry e alcune applicazioni alimentari all'interno dell'intervallo di viscosità specificato. Misurazione di creme, gel e unguenti.
 

8.3    Misurazione di creme, gel e unguenti

L'utilizzo di un prodotto cosmetico sulla pelle è una tipica esperienza sensoriale, dove le caratteristiche di scorrimento di creme, gel o unguenti sono determinanti. Allo stesso tempo, tali proprietà fisiche sono essenziali per produrre un prodotto adeguatamente confezionato e facile da usare. Tutti questi campioni di cosmetici hanno un comportamento fluidificante al taglio, il che significa che la viscosità diminuisce quando aumenta la deformazione di taglio che imponiamo. Inoltre, creme, unguenti e gel hanno un comportamento plastico, cioè non fluiscono da soli con l’effetto della gravità. A volte aggiungono anche alcune proprietà viscoelastiche, cioè che possono variare da prodotti simili a solidi a prodotti simili a liquidi.

A causa di tutte queste proprietà di flusso, diventa importante definire al meglio la misura della viscosità per ottenere valori che identifichino la qualità e l'aspetto dell'applicazione. Con un viscosimetro rotazionale potremmo applicare una velocità di rotazione definita (ISO 2555) o anche una velocità di taglio o una rampa di velocità di taglio a un campione (ISO 3219). Questo aiuta i formulatori a capire quale forza è necessaria per consentire ai prodotti di iniziare a fluire (dimensione della pompa, pressione di confezionamento per la sua fuoriuscita). La quantità di forza necessaria per permettere alla crema o al gel di fluire è chiamata yield stress. Quando il campione inizia a fluire, assume un comportamento pseudoplastico. Pseudoplasticità - è il comportamento non newtoniano la cui viscosità diminuisce sotto sforzo di taglio. L'utilizzo del viscosimetro rotazionale consente ai formulatori di definire la curva di pseudoplasticità in base a velocità di taglio definite (ISO 3219). In questo modo, si ottiene una migliore comprensione di come il prodotto fluirà o sarà facile da applicare sulla pelle. [6]

Poiché le caratteristiche pseudoplasticità sono il comportamento studiato di questi prodotti, le caratteristiche ambientali influenzano i valori misurati, come la temperatura. Questo induce a misurare la temperatura del campione durante la misurazione o ad utilizzare la camera termostatica per mantenerla. Un altro parametro importante che potrebbe influenzare la viscosità di tali fluidi è il tempo; quando la viscosità diminuisce durante il tempo di taglio, questo è un effetto tixotropico. Questo fattore è importante per la stabilità del prodotto.

Di seguito vengono illustrati i due metodi riferiti secondo lo standard ASTM o ISO: 
ASTM/ISO2555 Viene utilizzato per misurare la viscosità apparente del materiale misurando il torchio con la girante che ruota a velocità costante in un becker definito con 500 ml di campione. La viscosità apparente in centipoise (pari a mPa.s) è calcolata moltiplicando la lettura della scala del viscosimetro per un fattore di scala, che dipende dalla girante e dalla velocità di rotazione. Quando i materiali sono non-newtoniani, questo metodo fornisce informazioni limitate, ma che potrebbero essere sufficienti per i controlli comparativi, a condizione di rispettare tutte le stesse condizioni e testare con il metodo del tempo di arresto (time-to-stop, TTS).
ISO3219 La velocità di taglio è ben nota in questo standard, perché utilizza geometrie di velocità di taglio ben definite. Su modelli premium come il byko-visc RT si offre la possibilità di aumentare e diminuire le velocità di rotazione (quindi velocità di taglio). I campioni saranno tagliati sotto diverse velocità di taglio, questo indurrà ad analizzare il comportamento del flusso, determinare lo yiels stress o l'effetto tissotropico. Con queste possibilità, tutte le aree di applicazione dovrebbero essere osservate per fornire valori di viscosità corretti e utili per R&D, il CQ o per il personale di processo.
 

9 Verifica e calibrazione di viscosimetri con standard di viscosità certificati 17025

Cosmetici, alimenti, vernici, prodotti farmaceutici e per la cura personale e in una miriade di altri settori si eseguono quotidianamente test di viscosità su una grande varietà di prodotti. La viscosità viene misurata in R&S, durante la produzione e nel QC del prodotto finale. I prodotti misurati possono variare in viscosità. Ad esempio, un produttore di alimenti potrebbe dover testare un condimento per insalata a bassa viscosità, nonché ketchup a viscosità più elevata con comportamento del flusso pseudoplastico. 

Quando si utilizza un viscosimetro per testare sostanze con viscosità variabili, è importante assicurarsi che il viscosimetro sia calibrato nell'intervallo di viscosità dei prodotti che si stanno testando. I moderni viscosimetri rotazionali come la serie BYK byko-visc RT consentono all'utente di verificare la calibrazione, nonché di calibrare il proprio strumento in loco utilizzando oli standard certificati ISO 17025 [Riferimento 5]. 

Poiché la viscosità varia con la temperatura, gli oli di taratura sono certificati a temperature specifiche elencate nel certificato. La maggior parte degli oli sono certificati a 25°C, ma sono disponibili anche oli a temperature più elevate. Alcuni oli sono certificati anche a più temperature. È importante notare che la temperatura dell'olio di calibrazione e della girante deve essere mantenuta alla temperatura di certificazione durante la calibrazione. Ciò può essere ottenuto utilizzando un bagno d'acqua circolante o un altro accessorio che consenta la stabilità della temperatura. Per garantire una calibrazione accurata, si consiglia l'uso di due o tre oli con valori di viscosità diversi. Idealmente uno dovrebbe essere al di sotto della viscosità dei tuoi prodotti e uno dovrebbe essere al di sopra. Gli oli standard BYK non cambiano viscosità con il tempo o il taglio.

Gli oli di taratura rilevanti per la viscosità dei prodotti da misurare devono essere acquistati con ogni viscosimetro per garantire letture accurate, nonché per essere conformi alla norma ISO 17025 [riferimento 5] e ad altri sistemi, standard e requisiti di qualità.
 

10 Termini di viscosità – Standard relativi alla viscosità

10.1 Termini e definizioni inerenti alla viscosità

Viscosità assoluta
La forza necessaria a un liquido per superare il suo attrito interno e iniziare a fluire. Conosciuta anche come viscosità dinamica.
Centipoise
Unità di misura per viscosità dinamica equivalente a 1/100 di Poise. È abbreviato cP, cps, cp e cPs.
Dilatante
Descritti anche come fluidi di ispessimento a taglio, sono caratterizzati da una maggiore viscosità con aumenti della velocità di taglio. In altre parole, più si mescolano o agitano questi fluidi, più diventano spessi. I fluidi contenenti solidi sospesi, come alcune caramelle e miscele di sabbia / acqua sono fluidi tipici dilatanti. 
Viscosità dinamica
Conosciuta anche come viscosità di taglio, definita come la resistenza di uno strato di un fluido a muoversi su un altro strato. In altre parole, la quantità di forza necessaria per far fluire un fluido ad una certa velocità.
dyne-cm
Unità di misura tradizionalmente utilizzata per misurare la tensione superficiale. Può riferirsi anche alle misure di torchio nella viscosità.
Fluido
Un fluido è una sostanza che si deforma continuamente sotto l'applicazione di uno sforzo di taglio e può essere un liquido o un gas.
Viscosità cinematica
Una misura della resistenza interna di un fluido al flusso sotto la forza di gravità. Viene misurata determinando il tempo in secondi necessario affinché un volume fisso di fluido fluisca a una distanza nota sotto gravità attraverso un orifizio di un viscosimetro calibrato a temperatura controllata. Gli strumenti tipici utilizzati sono le tazze Zahn e le tazze Ford di diversi tipi, nonché i viscosimetri capillari.
KREBS Unit (KU)
Un'unità Krebs (KU) è il peso in grammi che farà girare un rotore a paletta, che è immerso nel campione, 100 giri in 30 secondi. Viene tipicamente misurato utilizzando un viscosimetro di tipo Krebs Stormer con una girante a paletta che ruota a 200 giri / min. È comunemente usato nell'industria delle vernici e dei rivestimenti. Le unità Krebs possono essere convertite in centipoise utilizzando ASTM D 562. Questi viscosimetri misurano tipicamente da 40-141 KU, che equivale a 27-5274 centipoise.
milliPascal Secondi
Un'unità di misura dinamica della viscosità; abbreviato in mPa-s. 1 pascal secondo equivale a 1000 milliPascal-secondo (mPa-s).
Newtoniano
Sir Isaac Newton assunse che tutti i fluidi ad una data temperatura mostrassero la stessa viscosità, indipendentemente dalla velocità di taglio. In altre parole, il doppio della forza muoverebbe un fluido due volte più velocemente. Da allora abbiamo scoperto che non è così: molti fluidi cambiano viscosità in base alla velocità di taglio. Ma la viscosità di molti fluidi, come l'acqua, rimane costante indipendentemente dalla velocità di taglio. Quindi, ci riferiamo a questi fluidi come newtoniani. Misurare i fluidi newtoniani è semplice, poiché la viscosità misurata sarà la stessa indipendentemente dalla girante, dalla velocità o dal viscosimetro utilizzato. 
Non-Newtoniano
Questi fluidi sono quelli in cui la viscosità cambia al variare della velocità di taglio.  Quando la loro velocità di taglio è variata, il loro sforzo di taglio non varia nella stessa proporzione e la loro viscosità cambia, più o meno. In altre parole, quando viene applicata più forza al fluido, si fluidificherà o si ispessirà e fluirà più lentamente o più velocemente. Questo è a volte indicato come pseudoplasticità e dilatazione. Esistono molti tipi di comportamento non newtoniano, tra cui pseudoplastico, dilatante, plastico, tixotropico e reopectico. Vedi questi termini per ulteriori spiegazioni.
Plastici
In condizioni statiche questo tipo di fluido si comporta come un solido. Uno sforzo deve essere applicato al fluido affinché inizi a fluire. Questo sforzo è lo yield stress. Un esempio di questo tipo di fluido è il ketchup, normalmente non si riversa dalla bottiglia a meno che la bottiglia non venga scossa o colpita con il palmo della mano. La quantità di energia necessaria per avviare questo flusso è chiamata Static Yield. Questi fluidi possono anche avere caratteristiche di flusso newtoniane, pseudoplastiche o dilatanti.
Poise
Unità di misura della viscosità dinamica nel sistema di unità centimetro-grammo-secondo. 10 Poise (10 P) = 1 Pascal secondo (Pa-s). Abbreviato in P.
Pseudoplastici
Questi fluidi diminuiscono di viscosità man mano che viene applicata la forza. In altre parole, più si mescolano questi fluidi, più fluidi diventeranno. Vernice, smalto, panna montata, sangue, latte e sabbie mobili sono tutti esempi di fluidi pseudoplastici. Conosciuti anche come fluidi fluidificanti con il taglio. Questi sono i fluidi non newtoniani più comuni.
Viscosità relativa
Il valore di viscosità di un materiale non newtoniano ad una velocità di taglio definita. 
Reologia
Lo studio della deformazione e del flusso dei materiali, in particolare dei fluidi non newtoniani.
Reometro
Un tipo di viscosimetro, i reometri misurano il modo in cui i liquidi fluiscono in risposta alle diverse forze applicate. Viene tipicamente utilizzato con fluidi che hanno caratteristiche di viscosità complesse che non possono essere definite da un singolo valore di viscosità.
Reopessia
Un raro comportamento di liquidi non newtoniani in cui la viscosità aumenta nel tempo sotto una forza di taglio costante. In altre parole, più a lungo un fluido viene miscelato o agitato, maggiore diventa la sua viscosità. Molti fluidi reopectici si addensano o addirittura si solidificano quando vengono scossi. La pasta di gesso, così come alcuni lubrificanti, sono esempi di fluidi reopectici.
Secondi reciproci
Unità di misura della velocità di taglio.  Scritto anche come secondi-1.
Taglio (liquidi)
Il movimento relativo tra strati adiacenti di un liquido in movimento. Le forze di taglio agiscono tangenzialmente a una superficie causando deformazioni.
Velocità di taglio (Shear rate)
Questa è la velocità con cui un fluido viene tagliato durante il flusso, definito anche come la velocità di variazione della velocità alla quale gli strati di fluido si muovono l'uno accanto all'altro. La velocità di taglio è normalmente espressa in secondi reciproci (1/s) o secondi -1. Viene calcolata con un viscosimetro considerando la forma della girante e la velocità di rotazione mentre ruota in un contenitore campione di fluido. 
Sforzo di taglio (Shear stress)
Principalmente causato dall'attrito tra particelle fluide, dovuto alla viscosità del fluido. Definito come la forza per unità di area utilizzata per spostare un materiale. Uno sforzo di taglio è un esempio di sforzo tangenziale, cioè agisce lungo la superficie, parallela alla superficie. L'attrito dovuto alla viscosità del fluido è la fonte primaria di sforzi di taglio in un fluido. Quando lo sforzo di taglio viene applicato a un fluido a riposo, il fluido non può rimanere a riposo ma si muoverà a causa dello sforzo di taglio.
Static Yield
La quantità di forza/torchio necessaria per avviare il flusso di un materiale a riposo. Ad esempio, la quantità di forza necessaria per il ketchup a farlo fluire dalla bottiglia.
Viscosimetro Stormer
Definito nell'ASTM D562, un viscosimetro di tipo Stormer utilizza una girante a paletta che ruota a 200 giri/min. È il tipo di viscosimetro più utilizzato per i test di viscosità di vernici e rivestimenti.
Stoke
Un'unità di misura cinematica che può essere espressa in termini di centistokes (cS o cSt); 1 stokes = 100 centistokes = 1 cm2 s-1 = 0,0001 m2 s-1. Uno stoke equivale a un Poise diviso per la densità del fluido in g/cm3.
Tissotropia
Questi fluidi diminuiscono di viscosità se sottoposti a taglio costante. Ad esempio, alcuni gel diventano fluidi quando vengono scossi o agitati, ma ritornano allo stato di gel quando lo scuotimento o l'agitazione vengono interrotti. Questo è un comportamento pseudoplastico non newtoniano che dipende fortemente dal tempo, sia per la fluidificazione che per il suo inizio, così come per il ritorno del liquido al suo stato precedente. Il comportamento tissotropico dipende dal tempo e può verificarsi in combinazione con altri comportamenti di flusso. Può anche essere osservato solo con determinate forze di taglio.

La tissotropia è rara, ma questo comportamento può essere trovato in gelatine, grassi, inchiostri da stampa pesanti, soluzioni colloidali, etc.
Torchio
L'equivalente rotazionale della forza lineare. In un viscosimetro questo viene misurato come la quantità di energia di cui la girante ha bisogno per ruotare di una certa distanza mentre è immersa in un campione. Forza (F) x Distanza (r) = Coppia. La distanza viene misurata dal punto di rotazione al punto in cui agirà la forza. L'unità di coppia SI è un in Newton-metro (N-m).
Viscosimetro
Si dice che il primo uso della parola viscosimetro sia stato nel 1883, e la sua definizione è uno strumento con cui misurare la viscosità, tipicamente liquidi. In altre parole, misura la resistenza di un fluido alla deformazione sotto sforzo di taglio. In un tipico viscosimetro rotazionale, una girante si muove attraverso il fluido campione per misurare la viscosità. Le tazze Zahn e le tazze Ford sono esempi di viscosimetri in cui il campione scorre attraverso un orifizio sotto la forza di gravità e la viscosità viene misurata determinando il tempo in secondi necessario affinché una quantità fissa di liquido fluisca attraverso una dimensione dell'orifizio definita. Un altro tipo di viscosimetro è un viscosimetro a bolle, che misura la viscosità misurando il tempo necessario a una bolla d'aria per passare attraverso un liquido in un tubo.
Viscosità
Una semplice definizione è che è una misura di spessore, ad esempio il grasso è più spesso dell'acqua e quindi ha una viscosità più elevata. In senso scientifico, la viscosità di un fluido è una misura della sua resistenza alla deformazione ad una data velocità, o la resistenza di un materiale al flusso. La viscosità è uguale allo sforzo di taglio diviso per la velocità di taglio.
Yield Stress
Questo è definito come la quantità di forza richiesta affinché un materiale inizi a fluire. Un esempio pratico è un tubetto di dentifricio: l'Yield Stress è la quantità di energia necessaria per avviare il flusso del dentifricio dal tubetto. Un altro esempio è spremere bottiglie di senape, maionese o ketchup - lo Yield Stress è la quantità di forza necessaria per farli fluire dalla bottiglia. Questo è un fattore chiave da controllare quando si sviluppano nuovi alimenti e altri beni di consumo come i prodotti per la cura personale che saranno confezionati in una bottiglia di compressione.  Se l'effetto è troppo alto, il consumatore avrà difficoltà a dispensare i prodotti, e se troppo basso il materiale uscirà dall'imballaggio troppo velocemente.

10.2 Viscosity related ASTM standards for rotational viscometry

Viscosity measurement is also a topic of numerous international standards. These standards ensure that there is a mutual understanding of test methods and quality between suppliers and buyers. The following list gives an overview of the test methods specified by ASTM for viscosity measurement:

• C474 Standard Test Methods for Joint Treatment Materials for Gypsum Board Construction 

• C965 Practices for Measuring Viscosity of Glass Above the Softening Point 

• C1276 Standard Test Method for Measuring the Viscosity of Mold Powers Above their Melting Point Using a Rotational Viscometer 

• D115 Methods of Testing Varnishes Used for Electrical Insulation 

• D562 Standard Test Method for Consistency of Paints Using the Stormer Viscometer 

• D789 Test Methods for Determination of Relative Viscosity, Melting Point, and Moisture Content of Polyamide (PA) 

• D803 Standard Test Methods for Testing Tall Oil 

• D1074 Test Method for Compressive Strength of Bituminous Mixtures 

• D1076 Specification for Rubber-Concentrated, Ammonia Preserved, Creamed and Centrifuged Natural Latex 

• D1084 Test Methods for Viscosity of Adhesives 

• D1337 Test Method for Storage Life of Adhesives by Viscosity and Bond Strength 

• D1338 Practice for Working Life of Liquid or Paste Adhesives by Viscosity and Bond Strength 

• D1417 Methods of Testing Rubber Latices-Synthetic 

• D1439 Methods of Testing Sodium Carboxymethyl-cellulose 

• D1824 Test Method for Apparent Viscosity of Plastisols and Organosols at Low Shear Rates by Brookfield Viscometer 

• D1986 Test Method for Determining the Apparent Viscosity of Polyethylene Wax Brookfield Viscometer 

• D2196 Standard Test Methods for Rheological Properties on Non-Newtonian Materials by Rotational Viscometer 

• D2243 Test Method for Freeze-Thaw Resistance of Waterborne Coatings 

• D2364 Standard Methods of Testing Hydroxyethyl-cellulose 

• D2556 Test Method for Apparent Viscosity of Adhesives Having Shear Rate Dependent Flow Properties 

• D2669 Test Method for Apparent Viscosity of Petroleum Waxes Compounded with Additives (Hot Melts) 

• D2983 Standard Test Method for Low-Temperature Viscosity of Automotive Fluid Lubricants Measured 

• D3236 Standard Test Method for Apparent Viscosity of Hot Melt Adhesives and Coating Materials 

• D3468 Standard Specification for Liquid-Applied Neoprene and Chlorosulfonated Polyethylene Used in Roofing and Waterproofing 

• D3716 Standard Test Methods for Use of Emulsion Polymers in Floor Polishes 

• D3730 Standard Guide for Testing High-Performance Interior Architectural Wall Coatings 

• D3791 Standard Practice for Evaluating the Effects of Heat on Asphalts 

• D3794 Guide for Testing Coil Coatings 

• D3806 Standard Test Method for Small-Scale Evaluation of Fire-Retardant Paints  

• D4016 Standard Test Method for Viscosity of Chemical Grouts by the Brookfield Viscometer  

• D4143 Standard Guide for Testing Latex Vehicles 

• D4212 Standard Test Method for Viscosity by Dip- Type Viscosity Cups 

• D4280 Standard Specification for Extended Life Type, Raised, Retroreflective Pavement Markers 

• D4402 Standard Test Method for Viscosity Determinations of Asphalts Using a Rotational Viscometer 

• D4712 Guide for Testing of Industrial Water- Reducible Coatings (withdrawn 2017) 

• D4800 Standard Guide for Classifying and Specifying Adhesives 

• D4878 Standard Test Methods for Polyurethane Raw Materials: Determination of Viscosity of Polyols 

• D4889 Standard Test Methods for Polyurethane Raw Materials: Determination of Viscosity of Crude or Modified Isocyanates 

• D5018 Standard Test Method for Shear Viscosity of Coal-Tar and Petroleum Pitches 

• D5133 Standard Test Method for Low Temperature, Low Shear Rate, Viscosity/Temperature Dependence of Lubricating Oils Using a Temperature-Scanning Technique 

• D5146 Standard Guide to Testing Solvent-Borne Architectural Coatings 

• D5324 Standard Guide for Testing Water-Borne Architectural Coatings 

• D5400 Standard Test Methods for Hydroxypropyl cellulose 

• D6080 Standard Practice for Defining the Viscosity Characteristics of Hydraulic Fluids 

• D6083 Specification for Liquid Applied Acrylic Coating Used in Roofing (withdrawn 2014, no replacement) 

• D6267 Standard Test Method for Apparent Viscosity of Hydrocarbon Resins at Elevated Temperatures 

• D6373 Standard Specification for Performance Graded Asphalt Binder 

• D6577 Standard Guide for Testing Industrial Protective Coatings 

• D6895 Standard Test Method for Rotational Viscosity of Heavy-Duty Diesel Drain Oils at 100°C