Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 11650:2016 ISO 6388:1989 Chất hoạt động bề mặt-Xác định đặc tính dòng chảy sử dụng nhớt kế quay

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 11650:2016

ISO 6388:1989

CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT - XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH DÒNG CHẢY SỬ DỤNG NHỚT KẾ QUAY

Surface active agents - Determination of flow properties using a rotational viscometer

Lời nói đầu

TCVN 11650:2016 hoàn toàn tương đương với ISO 6383:1989.

TCVN 11650:2016 do Ban kỹ thuật Tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC91 Chất hoạt động bề mặt biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

Lời giới thiệu

Đặc tính lưu biến của chất hoạt động bề mặt nhìn chung được xác định bằng cách sử dụng nhớt kế quay, phù hợp với việc nghiên cứu các chất có đặc tính lưu biến phức tạp, ví dụ, chất dẻo, sơn.

Khi xây dựng tiêu chuẩn này, đã tham khảo các thuật ngữ, định nghĩa và thiết bị trong ISO 3219, là tiêu chuẩn đề cập đến chất dẻo. Phương pháp quy định trong tiêu chuẩn này là cụ thể cho chất hoạt động bề mặt.

CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT - XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH DÒNG CHẢY SỬ DỤNG NHỚT KẾ QUAY

Surface active agents - Determination of flow properties using a rotational viscometer

1  Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định phương pháp xác định đặc tính dòng chảy của các chất hoạt động bề mặt không phải dạng rắn, bao gồm cả dạng đơn và dạng hỗn hợp, và của các sản phẩm có chứa chủ yếu các chất hoạt động bề mặt, sử dụng nhớt kế quay có các xylanh đồng trục, dạng côn và đĩa hoặc côn kép, .v.v...

CHÚ THÍCH: Đặc tính lưu biến của hệ có chất hoạt động bề mặt thường được đánh dấu bằng các điểm bất thường. Những điểm bất thường này hầu hết là do xu hướng kết hợp của các phân tử chất hoạt động bề mặt. Đặc tính lưu biến biến đổi về cơ bản là hàm của đặc tính và nồng độ của chất hoạt động bề mặt. Thay đổi nhỏ về nhiệt độ, nồng độ muối khoáng, và sự có mặt của bất kỳ chất nào khác, cũng có thể gây ra sự biến đổi đặc tính lưu biến của chất hoạt động bề mặt; thậm chí hình thái lưu biến đôi khi có thể bị thay đổi. Phương pháp quy định trong tiêu chuẩn này nhằm tính đến tất cả những yếu tố này. Trong trường hợp chất hoạt động bề mặt cụ thể và đặc biệt, các phương pháp xác định khác có thể được sử dụng. Đối với hệ thống newton, ví dụ, viện dẫn theo ISO 3104 và ISO 1652, có độ chính xác tốt hơn.

Khi tính chất newton của hệ chưa biết, phương pháp quy định trong tiêu chuẩn này tạo khả năng lựa chọn thiết bị mà cho phép việc xác định được tiến hành.

2  Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau đây rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

TCVN 5454 (ISO 607), Chất hoạt động bề mặt và chất tẩy rửa - Các phương pháp phân chia mẫu.

ISO 862:1984, Surface active agents - Vocabulary (Chất hoạt động bề mặt - Từ vựng).

3  Thuật ngữ, định nghĩa, ký hiệu và đơn vị

3.1  Tổng quát

Độ nhớt của chất lỏng trượt giữa hai mặt phẳng song song, một trong hai mặt phẳng dịch chuyển trong chính mặt phẳng của nó có chuyển động tuyến tính và đồng nhất tương đối với mặt phẳng kia, được xác định bằng phương trình Newton:

trong đó

η là độ nhớt (động học);

t là ứng suất trượt;
là tốc độ trượt
v là vận tốc của mặt phẳng này tương đối với mặt phẳng kia, và

z là tọa độ vuông góc với cả hai mặt phẳng.

CHÚ THÍCH: Các sản phẩm mà độ nhớt không phụ thuộc vào tốc độ trượt mà tại đó phép đo được thực hiện được coi là có đặc tính newton và được gọi là “newton”. Các sản phẩm khác được coi là không có đặc tính Newton và được gọi là “phi newton”.

Độ nhớt biểu kiến của sản phẩm phi newton là tỷ lệ của ứng suất trượt với tốc độ trượt được áp dụng.

Giá trị của độ nhớt biểu kiến, hàm của tốc độ trượt, có thể phụ thuộc vào hiện tượng trễ lưu biến và nhiệt của mẫu trong thiết bị.

Thứ nguyên của độ nhớt là ML^-1 T^-1, và trong hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị là giây newton trên mét vuông (N.s/m²) hoặc giây pascal (Pa.s).1)

3.2

Hiện tượng lưu biến (rheological phenomena) (xem Hình 1 và Hình 2 và ISO 862).

CHÚ THÍCH: Hiện tượng lưu biến được mô tả đối với xác định ứng suất trượt.

3.2.1

Tính trượt mỏng (shear thinning)

Sự suy giảm ở các điều kiện đẳng nhiệt và thuận nghịch, không có hiện tượng trễ của độ nhớt biểu kiến với sự tốc độ trượt tăng.

3.2.2

Tính tăng nhớt (dilatancy)

Sự gia tăng ở các điều kiện đẳng nhiệt và thuận nghịch, không có hiện tượng trễ của độ nhớt biểu kiến với sự tốc độ trượt tăng.

3.2.3

Độ nhớt phụ thuộc vào thời gian (time-dependent viscosity)

Ở điều kiện đẳng nhiệt và thuận nghịch, thay đổi độ nhớt biểu kiến trong quá trình chảy có độ lớn của tốc độ trượt không đổi.

3.2.3.1

Tính xúc biến (thixotrophy)

Sự suy giảm của độ nhớt hoặc độ đặc, ở điều kiện đẳng nhiệt và thuận nghịch, bằng cách áp dụng biến dạng trượt từ độ nhớt hoặc độ đặc tại trạng thái nghỉ (ngay sau khi bắt đầu trượt) đến giá trị cuối cùng (phụ thuộc vào độ lớn của tốc độ trượt).

Khi biến dạng trượt bị gián đoạn độ nhớt hoặc độ đặc tại trạng thái nghỉ phải được thiết lập lại trong thời gian nhất định, “thời gian hồi phục tính xúc biến”.

3.2.3.2

Tính lưu biến (rheopexy)

Hiện tượng mà theo đó thời gian hồi phục tính xúc biến, một tốc độ trượt tương đối cao bị gián đoạn, bị ngắn lại do áp đặt một tốc độ trượt nhỏ.

3.2.3.3

Tính kháng xúc biến (anti-thixotropy):

Sự gia tăng của độ nhớt hoặc độ đặc dưới điều kiện đẳng nhiệt và thuận nghịch, bằng cách áp dụng biến dạng trượt từ độ nhớt hoặc độ đặc tại trạng thái nghỉ (ngay sau khi bắt đầu trượt) đến giá trị cuối cùng (phụ thuộc vào độ lớn của tốc độ trượt).

Khi biến dạng trượt bị gián đoạn độ nhớt tại trạng thái nghỉ phải được thiết lập lại trong thời gian nhất định, “thời gian hồi phục tính xúc biến”.

3.2.3.4

Hiện tượng trễ lưu biến (rheological hysteresis)

Nếu tốc độ trượt ở điều kiện đẳng nhiệt và thuận nghịch gia tăng tuyến tính với thời gian từ không đến giá trị tối đa (up-branch nhánh trên) và sau đó giảm từ giá trị tối đa về không (down-branch nhánh dưới), tỷ lệ của biểu đồ trượt cho thấy chu trình trễ được sử dụng để phát hiện và đặc trưng tính xúc biến hoặc kháng xúc biến.

3.2.4

Tính dẻo (plasticity)

Đặc tính dẻo là thể đàn hồi khi chịu ứng suất nhỏ hơn giá trị tới hạn, t₀, “ứng suất đàn hồi”. Trên giá trị giới hạn này, sự chảy sẽ xảy ra. Khi hàm D = f(t) (D là tốc độ trượt) đối với t > t₀ được biểu diễn bằng một đường thẳng, người ta nói chất chảy theo mô hình Bingham.

4  Nguyên tắc

Xác định đặc tính chảy của phần mẫu thử newton và phi newton bằng nhớt kể quay1) quy định cho phép thực hiện đồng thời các phép đo tốc độ trượt mà tại đó phép xác định được tiến hành đối với các sản phẩm newton, còn đối với các sản phẩm phi newton, có thể sử dụng phép đo tốc độ trượt biểu kiến khác nhau cho phép xác định.

5  Chất chuẩn

Phải sử dụng chất lỏng newton làm chất chuẩn.

6  Thiết bị, dụng cụ

6.1  Nhớt kế, có các xylanh đồng trục, dạng côn và đĩa, côn kép hoặc kết hợp của cả hai loại, có các đặc tính kỹ thuật sau:

6.1.1  Trong trường hợp nhớt kế có các xylanh đồng trục, đường kính trong và đường kính ngoài của xylanh (stator và rotor), tương ứng d_e và d_i, phải sao cho giá trị của tỷ lệ d_e/d_i càng nhỏ càng tốt và, tốt nhất là nhỏ hơn hoặc bằng với 1,10 và trong mọi trường hợp không được lớn hơn 1,50. Nếu tỷ lệ có giá trị lớn hơn 1,10, thì phải ghi lại trong báo cáo thử nghiệm và nếu có thể, phải thực hiện việc hiệu chỉnh. Việc hiệu chỉnh này cũng phải được báo cáo trong báo cáo thử nghiệm.

Ngoài ra, nếu dụng cụ không bao gồm thiết bị hình học (đế hình nón và vòng bảo vệ trên nó) để chỉnh sửa hiệu ứng bờ, phải tuân thủ theo yêu cầu bổ sung sau:

trong đó: h_i là chiều cao của xylanh bên trong.

6.1.2  Trong trường hợp nhớt kế có xylanh dạng côn và đĩa, hoặc côn kép, giá trị của góc α, được tạo thành bởi đường sinh của hình côn và đĩa hoặc được hình thành bởi đường sinh của hai hình côn phải càng nhỏ càng tốt, và tốt nhất nhỏ hơn hoặc bằng 1°, và trong mọi trường hợp không được lớn hơn 4°. Nếu góc α có giá trị lớn hơn 1°, phải ghi lại việc này trong báo cáo thử nghiệm và nếu có thể, phải thực hiện việc hiệu chỉnh. Việc hiệu chỉnh này cũng phải được báo cáo trong báo cáo thử nghiệm.

6.1.3  Trong trường hợp nhớt kế kết hợp hai nguyên tắc trước, mỗi đặc tính kỹ thuật phải được quan sát, trừ khi một trong số các thiết bị có giá trị tỷ lệ rất thấp và có thể coi là sự hiệu chỉnh.

6.1.4  Trong tất cả các trường hợp, thiết bị phải cho phép số tần số quay được sử dụng.

Thiết bị phải chính xác trong 2 % tổng toàn bộ thang chia đối với phép đo độ nhớt và đối với mọi kết hợp của roto, stato và tần số quay.

Giới hạn độ nhớt và tốc độ trượt mà thiết bị có thể đo phải phù hợp với phép đo được thực hiện và tốc độ trượt yêu cầu.

CHÚ THÍCH: Bằng các stato, roto và tần số quay khác nhau, phần lớn thiết bị thương mại cho phép các phép đo độ nhớt nằm trong khoảng kéo dài ít nhất từ 10^-2 Pa.s đến 10³ Pa.s (10 cP đến 10⁶ cP).

Tốc độ trượt được phép thay đổi từ các thiết bị khác nhau tùy vào mỗi loại thiết bị.

Điều chỉnh và hiệu chuẩn thiết bị thông thường do nhà sản xuất thực hiện.

Khuyến nghị nên kiểm tra việc điều chỉnh và hiệu chuẩn thực hiện theo định kỳ, sử dụng chất lỏng có độ nhớt đã biết, hoặc trong phòng thử nghiệm người sử dụng, hoặc trong phòng thử nghiệm chính thức.

6.2  Nhớt kế, có các hệ thống đo không có hình dạng xác định (đĩa, hình chữ T, .v.v...).

6.3  Bể điều nhiệt, làm cho sản phẩm thử nghiệm đạt và duy trì tại nhiệt độ thử nghiệm (thường là 23 °C), chính xác đến 0,2 °C.

Dung sai ± 0,2 °C thích hợp với nhiệt độ trong khoảng từ 0 °C đến 50 °C. Tuy nhiên, dung sai chặt chẽ hơn (ví dụ: ± 0,1 °C) được yêu cầu đối với các phép đo chính xác và trong dải nhiệt độ thông thường.

Cần chú ý rằng, trong tất cả các trường hợp mà tốc độ trượt cao, tự quá trình đo gây nên sự gia nhiệt của mẫu và cần phải chú ý để ngăn ngừa hiện tượng này, hoặc cần tính đến hiện tượng này bằng cách áp dụng hiệu chỉnh (thường do nhà sản xuất nhớt kế cung cấp).

CHÚ THÍCH: Nhìn chung, nhớt kế có bán sẵn trên thị trường bao gồm thiết bị ổn nhiệt.

CHÚ THÍCH: Những sơ đồ này chỉ nhằm mục đích mô tả rõ hơn về hiện tượng.

Hình 1 - Quy tắc đặc trưng của dòng chảy đối với hệ thống dưới ứng suất không đổi [D = f(t)] và hệ thống tại tốc độ trượt không đổi [t = f(D)]

CHÚ THÍCH: Những sơ đồ này chỉ nhằm mục đích mô tả rõ hơn về hiện tượng.

Hình 2 - Mô tả đường cong hiện tượng trễ đối với sản phẩm bị ảnh hưởng mạnh trong đặc tính lưu biến do khoảng thời gian trong biến dạng trượt được áp dụng

7  Lấy mẫu

Mẫu phòng thử nghiệm của chất hoạt động bề mặt được chuẩn bị và bảo quản theo các chỉ dẫn đưa ra trong TCVN 5454 (ISO 607).

8  Cách tiến hành

8.1  Phần mẫu thử

Lấy cẩn thận một phần mẫu thử từ mẫu phòng thử nghiệm đồng nhất (Điều 7), đảm bảo rằng mẫu hoàn toàn không có bọt khí.

CHÚ THÍCH:

1) Khi xử lý các sản phẩm chia thành hai pha trên một khoảng nhiệt độ cụ thể, cần chú ý cẩn thận để đảm bảo rằng phép xác định được thực hiện bên ngoài khoảng nhiệt độ này.

2) Trong trường hợp các sản phẩm có đặc tính phụ thuộc vào thời gian, cần chú ý cẩn thận để đảm bảo rằng hoạt động xử lý (bao gồm gia nhiệt) mà tại đó sản phẩm luôn đồng nhất và được ghi lại trong báo cáo thử nghiệm.

8.2  Phép xác định

8.2.1  Đặt phần mẫu thử (8.1) trong bình đo điều nhiệt và điều chỉnh đến nhiệt độ đã chọn đối với phép xác định. Sau đó lắp xylanh đo đồng trục, hoặc thiết bị đo được lựa chọn khác vào trong bình đo. Vận hành thiết bị tại tần số quay không đổi và đo momen ngẫu lực áp dụng (momen xoắn).

Thực hiện một số phép đo trên cùng mẫu và lặp lại các phép đo tại các tốc độ trượt khác nhau của nhớt kế.

8.2.2  Trong trường hợp thiết bị có các xylanh đồng trục, sự phân bố xuyên tâm của ứng suất trượt t_r trong khoảng cách giữa các xylanh đồng trục được đưa ra theo công thức:

trong đó:

T là momen ngẫu lực áp dụng;

l là chiều dài khoảng cách giữa các xylanh đồng trục;

r là bán kính được xem xét.

Tính đến các trường hợp đặc biệt đối với ứng suất trượt tại các thành của xylanh trong và ngoài, t_i và t_e, được đưa ra theo công thức:

và

trong đó:

T và l có cùng ý nghĩa như đề cập trước;

d_i là đường kính của xylanh trong;

d_e là đường kính của xylanh ngoài.

8.2.2.1  Trường hợp sản phẩm newton

Trong trường hợp đo sản phẩm newton, tốc độ trượt có thể được tính bằng cách nhân tần số quay của xylanh bằng hệ số, giá trị do nhà sản xuất đưa ra về nguyên tắc, tính tốc độ trượt tại thành xylanh mà trên đó momen xoắn được đo. Về lý thuyết, tốc độ trượt được đưa ra theo công thức:

trong đó

D_i và D_e là tốc độ trượt, tính bằng giây mũ trừ một, tương ứng của xylanh trong và xylanh ngoài

n là tần số quay của roto trên phút

d_e và d_i có cùng ý nghĩa như trước

CHÚ THÍCH: Khi áp dụng công thức trên, không có nghĩa xylanh nào thuộc hai xylanh thực sự quay.

8.2.2.2  Trường hợp sản phẩm phi newton

Trong trường hợp đo trên sản phẩm phi newton, tốc độ trượt tại thành của phần chuyển động của thiết bị không thể được tính bằng cách nhân tần số quay của xylanh theo hệ số đối với thực thể newton. Trong trường hợp này giá trị nhận được tương ứng với “tốc độ trượt biểu kiến”, ký hiệu D_a.

Mối quan hệ giữa D_a và t_i hoặc t_e được biểu diễn bởi đường cong “độ lỏng biểu kiến” (hoặc tính lưu động). Tỷ lệ t_i/D_a hoặc t_e/D_a tương ứng với độ nhớt biểu kiến.

CHÚ THÍCH

1) Nếu giá trị của tỷ lệ d_e/d_i nhỏ hơn hoặc bằng với 1,10 và đối với chất lỏng có hầu hết đặc tính Newton, sự chênh lệch giữa D_i, D_e và D_a là nhỏ. Độ nhớt η khi đó có thể được coi là độ nhớt biểu kiến η_a, nghĩa là không có sự khác biệt đáng kể giữa đặc tính lưu biến và đường cong lưu biến biểu kiến.

2) Trong trường hợp tính chất của chất lỏng phi newton, hoặc nếu giá trị của tỷ lệ d_e/d_i lớn hơn 1,10 đối với hệ đồng trục, hoặc thậm chí lớn hơn nhiều trong trường hợp thiết bị hình học không xác định, tần số quay (n) của roto phải được lấy thay cho D_a. Không thể so sánh những đường cong này với các đường cong D_a là hàm của t_i hoặc t_e.

8.3  Hiệu chuẩn

Sử dụng phương pháp được mô tả trong 8.2 với các chất chuẩn (Điều 5). Đo độ nhớt của mỗi chất chuẩn này. Sử dụng chất chuẩn phù hợp đối với từng thiết bị.

Đường cong thể hiện D là hàm của t sẽ cần đi qua gốc. Đối với thiết bị hình dạng không xác định, đường cong hiệu chuẩn phải là đường thẳng đi qua gốc, không kể đơn vị trên trục tọa độ.

9  Biểu thị kết quả

9.1  Kết quả tốt nhất được đưa ra dưới dạng đường cong dòng chảy D_a là hàm của t_i hoặc t_e hoặc là đồ thị hoặc bảng trình bày độ nhớt biểu kiến η_a là hàm của D hoặc t.

9.2  Các kết quả thu được sử dụng các thiết bị hình học không xác định thường được biểu diễn là đường cong có giá trị n là hoành độ và giá trị độ nhớt biểu kiến tương ứng với tần số quay n là tung độ:

trong đó:

T là momen của cặp được áp dụng (hoặc bất kỳ giá trị nào khác tỷ lệ);

n là tần số quay của roto.

Hằng số hiệu chuẩn được xác định trước bằng cách đo η_a (η) đối với chất chuẩn newton có độ nhớt đã được biết η.

9.3  Khi các phép đo được thực hiện trên thực thể chất dẻo, cần chỉ ra ứng suất đàn hồi t_o nếu giá trị chính xác được biết.

9.4  Khi thực hiện thử nghiệm hiện tượng trễ trên sản phẩm xúc biến hoặc sản phẩm kháng xúc biến, cần báo cáo chương trình biến dạng trượt và phương thức mà sản phẩm được xử lý.

CHÚ THÍCH: Ngoài các yếu tố khác, đường cong dòng chảy và độ nhớt biểu kiến phụ thuộc vào hình học của thực thể được sử dụng, liệu thiết bị có hình học xác định hay không. Đường cong chỉ có thể được so sánh với đường cong khác khi chúng đạt được sử dụng cùng loại thiết bị.

Theo đặc tính của thành phần của chúng, một số lớn các dung dịch đậm đặc hoặc hỗn hợp nhão đưa lại các kết quả không chắc chắn từ phép xác định này đến phép xác định khác. Trong thực tế, khó để xác định phương pháp chuẩn bị mẫu có độ tái lập.

Do vậy, chỉ thông tin có sẵn liên quan đến lĩnh vực của đường cong có thể được vẽ biểu đồ, và không thể rút ra kết luận về sự lưu biến hệ thống.

Cần nhấn mạnh sự thực rằng đặc tính lưu biến của một số lớn các chất hoạt động bề mặt bị biến đổi do sự xuất hiện của số nhỏ các tạp chất, chất điện phân, dung môi, chất kị nước, cũng như sự biến động của nhiệt độ.

9.5  Độ chính xác của phép đo đạt được đặc biệt phụ thuộc vào các đặc tính của dòng chảy. Cũng có các ảnh hưởng của mẫu, chương trình trượt và hệ thống đo được sử dụng. Vì những lý do này, độ chính xác được yêu cầu, trong từng trường hợp cụ thể, phải được công bố.

10  Báo cáo thử nghiệm

Báo cáo thử nghiệm phải bao gồm các thông tin sau:

a) Tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết đầy đủ mẫu;

b) Viện dẫn phương pháp được sử dụng (viện dẫn tiêu chuẩn này);

c) Kết quả thử nghiệm và đơn vị tính được sử dụng;

d) Điều kiện thử nghiệm:

- Dữ liệu về tính đồng nhất của mẫu;

- Mô tả mẫu thử nghiệm và sự chuẩn bị mẫu (đặc biệt khi điều này bị ảnh hưởng bởi độ dài về thời gian mà cắt được áp dụng);

- Nhiệt độ thử nghiệm;

- Hệ thống đo, chi tiết đơn vị đo được sử dụng, tỷ lệ của đường kính xylanh và chiều dài của khoảng cách giữa chúng;

- Chương trình cắt, số cài đặt của tần số quay, thời gian cần đối với phép đo tại mỗi cài đặt, tổng thời gian cắt.

e) Chi tiết thao tác bất kỳ không được quy định trong tiêu chuẩn này hoặc trong tiêu chuẩn viện dẫn và bất kỳ thao tác nào được coi là tùy chọn cũng như bất kỳ sự cố nào ảnh hưởng đến các kết quả.

Thư mục tài liệu tham khảo

[1] ISO 3219, Plastics - Polymers/resins in the liquid State or as emulsions or dispersions - Determination of viscosity using a rotational viscometer with defined shear rate (Chất dẻo - Polyme/nhựa ở trạng thái lỏng hoặc như nhũ tương hoặc phân tán - Xác định độ nhớt sử dụng nhớt kế quay với tốc độ trượt xác định)

[2] ISO 31041), Petroleum products - Transparent and opaque liquids - Determination of kinematic viscosity and calculation of dynamic viscosity (Sản phẩm dầu mỏ - Chất lỏng trong suốt và không trong suốt - Xác định độ nhớt động học và tính toán độ nhớt động lực)

[3] TCVN 4859:2013 (ISO 1652:2011), Latex cao su - Xác định độ nhớt biểu kiến bằng phương pháp thử Brookfield