Versuchsprotokoll Viskositätsmessung

Versuchsdatum: 26.10.04
Zweitabgabe:
Durchgeführt von:
1. Inhaltsangabe
Versuchsprotokoll
Viskositätsmessung
1
Skriptversion 05.12.04
Sttempell
1..Inhaltsangabe--------------------------------------------------------------------------------- 1
2..Aufgabenstellung----------------------------------------------------------------------------- 3
3..Einleitung ------------------------------------------------------------------------------------ 3
4..Beschreibung der Versuchsdurchführung---------------------------------------------------- 4
4.1. Messungen mit dem Rheometer---------------------------------------------------------4
4.1.1 Geräteeinsatz-----------------------------------------------------------------------4
4.1.2 Aufnahme eines Rheogramms von Wasser ----------------------------------------4
4.1.3 Untersuchung der zeitabhängigen Fließverhaltens einer Gelantinelösung --------4
4.2. Messungen mit dem Kapillarviskosimeter ----------------------------------------------5
4.2.1 Auswahl der Kapillaren------------------------------------------------------------5
4.2.2 Füllmenge --------------------------------------------------------------------------5
4.2.3 Messtemperatur --------------------------------------------------------------------5
4.2.4 Durchführung der manuellen Messung --------------------------------------------5
5..Auswertung----------------------------------------------------------------------------------- 6
5.1. Messungen mit dem Rotationsviskosimeter---------------------------------------------6
5.1.1 Rechnerische Auswertung ---------------------------------------------------------6
5.1.2 Zeichnerische Auswertung---------------------------------------------------------6
5.1.3 Übersichtsmessung: Wasser mit Messsystem NV---------------------------------6
5.1.4 Grafische Bestimmung-------------------------------------------------------------7
5.1.5 Bestimmung des scherzeitabhängigen Fließverhaltens der Gelantinelösung------7
5.2. Messungen mit dem Kapillarviskosimeter ----------------------------------------------8
5.2.1 Bestimmung der Huggins-Konstanten für PVP K90F Batch: ZK 2331/188 ------8
5.3. Vergleich der Messverfahren------------------------------------------------------------9
6..Diskussion-----------------------------------------------------------------------------------10
6.1. Vergleich zweier Methoden zur Viskositätsmessung --------------------------------- 10
6.2. Bestimmung des scherzeitabhängigen Fließverhaltens einer Gelatinelösung--------- 10
6.3. Abhängigkeit der Viskosität von PVP-Lösungen von der Konzentration ------------ 11
7..Anhang --------------------------------------------------------------------------------------12
7.1. Rheogramm Wasser ------------------------------------------------------------------- 12
7.2. Rheogramm PVP-Lösung 1%(aq)----------------------------------------------------- 12

2
Skriptversion 05.12.04
7.3. Rheogramm Gelantinelösung --------------------------------------------------------- 12
7.4. Zeitabhängiges Rheogramm Gelatinelösung------------------------------------------ 12
Diagramm Viskosität-Zeitabhängigkeit einer Gelantinelösung---------------------------- 13
Diagramm zur Bestimmung der Huggins-Konstanten für PVP ---------------------------- 14

2. Aufgabenstellung
3
Skriptversion 05.12.04
• Zum Vergleich der Messmethoden ist die Viskosität von Wasser und einer Polyvinylpyrrolidon-Lösung
(1%(aq)) mit dem Rotationsviskosimeter und dem Kapillarviskosimeter
zu bestimmen.
• Die Fließkurve einer Gelatinelösung (5%) und das Zeitverhalten dieser Lösung ist mit
dem Rotationsviskosimeter zu bestimmen.
• Die Viskositäten von PVP K90(ZK 2331/188), verschiedener Konzentration sind mit
dem Kapillarviskosimeter zu bestimmen.
• Es ist die Grenzviskosität und die Huggins-Konstante des obigen Polymers zu
bestimmen.
3. Einleitung
Der Begriff Viskosität leitet sich von dem lateinischen Wort für Mistel "viscum" her, aus deren
Beeren ein zäher Leim hergestellt wurde.
Die Viskosität gehört in den Bereich der Rheologie (Fliesskunde), welcher sich mit dem Verhalten
von Stoffen bei mechanischer Beanspruchung (Deformation) unter verschiedenen äußeren
Bedingungen befasst.
Die Viskosität ist eine temperaturabhängige Stoffeigenschaft. Unter Einwirkung mechanischer
Kraft wird Impuls von Teilchen zu Teilchen übertragen, welche dadurch gegeneinander
verschoben werden. Da also Impuls „transportiert“ wird zählt die Rheologie zu den Transportphänomenen.
Man unterscheidet Newtonsche, strukturviskose, dilatante Flüssigkeiten und strukturviskose
Flüssigkeiten mit Fließgrenze.
In diesem Versuch sollen eine newtonsche Flüssigkeit und eine thixotrope Substanz untersucht
werden. Daher seien diese Verhalten hier kurz erläutert:
Bei newtonschen Flüssigkeiten ändert sich die dynamische Viskosität nicht mit der Schergeschwindigkeit,
Schubspannung und Schergeschwindigkeit stehen also in linearer Beziehung.
Thixotrope Substanzen gewinnen nach beendeter Scherung ihre Ursprungsviskosität nur zeitversetzt
zurück.
Ein Experiment, das vermutlich bald den Ig-Nobelpreis gewinnt beschäftig sich ebenfalls mit
der Viskosität. Im Jahre 1927 füllte Thomas Parnell warmes Pech in einen Glastrichter mit
verschlossenem Auslauf. 1930 wurde der Auslauf geöffnet und ein Becherglas darunter gestellt.
Acht Jahre später fiel der erste Tropfen!
Das Experiment zeigt, dass Pech, obwohl es sich fest anfühlt und unter Hammerschlag sogar
brüchig zerfällt, bei Raumtemperatur eigentlich flüssig ist. Nur eben "etwas" zähflüssig. Wie
sich herausstellte, rund 100 milliardenfach viskoser als Wasser.
Siehe auch: http://www.heise.de/tp/deutsch/inhalt/lis/18310/1.html

4. Beschreibung der Versuchsdurchführung
4.1. Messungen mit dem Rheometer
4.1.1 Geräteeinsatz
Rotovisco RV12 (Haake)
Messeinrichtungen: NV, MVI
Programmgeber PG142 (Haake)
XY-Schreiber Servogor 743
4.1.2 Aufnahme eines Rheogramms von Wasser
Verwendete Messeinrichtung: NV
4.1.2.1 Einfüllen der Substanz
Skriptversion 05.12.04
Verschlusskappe öffnen und Becher nach unten herausnehmen. Soviel Substanz einfüllen,
dass später die Mantelfläche des Rotors gerade vollständig bedeckt ist (- prüfen indem der gefüllte
Becher in den Temperiermantel geschoben wird). Zuviel Substanz ist zu entfernen.
Beim Messsystem NV soll die Flüssigkeit im betriebsfertigen Zustand nur bis zum Zylinderstumpf
des Bechers reichen (siehe auch Herstellerbeschreibung).
4.1.2.2 Übersichtsmessung
Es wird stufenweise die Rotordrehzahl in Messmodus INTERN geändert und der am RV12
angezeigte Messwert notiert.
4.1.2.3 Aufnahme der Fließkurve
Über den Programmgeber PG142 wird die Drehzahl des Rotors in 1 min von 0 auf 300 min -1
geändert. Die Drehzahländerung wird mit dem XY-Schreiber in X-Richtung registriert. In Y-
Richtung wird der Anzeigewert des RV12 registriert. Die Registrierempfindlichkeit ist so gewählt,
dass der Messbereich des Registrierpapiers in seiner Breite und Länge optimal ausgenützt
wird. Es wird die zeitliche Änderung der Drehzahl sowohl nach Zunahme der Drehzahl
im gleichen Zeitintervall zurückgefahren.
4.1.3 Untersuchung der zeitabhängigen Fließverhaltens einer Gelantinelösung
Messeinrichtung: MVI
4.1.3.1 Aufnahme einer Fließkurve
Die Aufnahme der Fließkurve erfolgt analog den Einstellungen unter 3.4.1.3
4.1.3.2 Untersuchung von zeitabhängigen Viskositätsänderungen
Für einen Steuerungs-Zyklus werden folgende Einstellungen am PG142 getätigt:
Ruhezeit:1,5 min.
Beschleunigungszeit auf die Grenzdrehzahl 0,1min.
Grenzdrehzahl: 300 min
4
-1 .
Scherzeit (bei 300 min -1 ): 0,3 min
Das Gerät wird auf Programmwiederholung eingestellt.
Die Registrierung der Signaländerung erfolgt gegen einen konstanten Zeitvorschub von 50
cm/s . Programmgeber und Schreiber müssen zeitgleich gestartet werden.

4.2. Messungen mit dem Kapillarviskosimeter
4.2.1 Auswahl der Kapillaren
5
Skriptversion 05.12.04
Die Größe der Kapillare ist so zu wählen, dass die der Hagenbach-Korrektion anhaftende Unsicherheit
den für die Zeitmessung zugelassenen Fehler nicht überschreitet (siehe Tabelle).
Für Präzisionsmessungen sollten daher die in Klammern stehenden Korrektionssekunden
nicht zur Anwendung kommen. Gegebenenfalls ist ein Viskosimeter mit einer engeren Kapillare
zu verwenden.
4.2.2 Füllmenge
Etwa 15 ml der gefilterte Probe werden durch das Befüllrohr (3) in das Vorratsgefäß (4) gefüllt.
Die maximale Füllmenge ist durch die Messmarken am Vorratsgefäß (4) begrenzt.
4.2.3 Messtemperatur
Das gefüllte Viskosimeter wird mit dem Gestell in den Thermostaten eingehängt/gestellt. Will
man die Messgenauigkeit des Viskosimeters ganz ausnutzen, so sollte der Thermostat die
Messtemperatur sicher auf ± 0,01 °C konstant halten. Temperaturunterschiede von 0,1 °C
können bei Mineralölen bereits einen Fehler von 0,6 % bedingen. Die Messung sollte erst
nach einer Wartezeit von ca. 10 Minuten vorgenommen werden.
4.2.4 Durchführung der manuellen Messung
Die Öffnung des Belüftungsrohres (2) wird mit dem Finger verschlossen. Mit Hilfe eines aufgesetzten
Schlauches saugt man am Kapillarrohr (1), wodurch sich nacheinander das Niveaugefäß
(5), die Kapillare (7), das Messgefäß (8) und die darüber befindliche kleinere Vorlaufkugel
(9) füllen.
Jetzt wird das Saugen beendet, der Schlauch abgenommen und die Öffnung des Belüftungsrohres
(2) wieder freigegeben; dabei reißt die Flüssigkeitssäule am unteren Ende der Kapillare
(7) ab, und es bildet sich an der dort befindlichen Kugelkalotte (6) das hängende Niveau aus.
Gemessen wird die Zeitspanne (Durchflusszeit t), in der der untere Rand des Meniskus der
Probe von der oberen Kante der Ringmessmarke M, zur oberen Kante der Ringmessmarke
M2 absinkt.

5. Auswertung
5.1. Messungen mit dem Rotationsviskosimeter
6
Skriptversion 05.12.04
Messsystembezeichnung Berechnungsfaktoren
M / min·s -1 A / Pa·Skt -1 G / mPa·s·Skt -1 ·min -1
NV 5,41 5,33 986
MV I 2,34 9,66 4120
5.1.1 Rechnerische Auswertung
Die Schubspannung t ist gegeben durch : t = A·S
Die Schergeschwindigkeit D ist gegeben durch: D = M·n
Die Viskosität ? ist gegeben durch:
G
h =
Mit:
n: Drehzahl in min -1
S: Wert der Anzeige in Skt
5.1.2 Zeichnerische Auswertung
S
n
(in der Grafik ist die Ermittlung der Steigung deutlich zu kennzeichnen)
Die Steigung der Fließkurve von Wasser ist zu bestimmen:
DS
Es ist: h = G
Dn
5.1.3 Übersichtsmessung: Wasser mit Messsystem NV
n / min -1 S / Skt ? / mPa·s
1 0 0
2 0 0
4 0 0
8 0 0
16 0 0
32 0,1 3,08
64 0,2 3,08
128 0,3 2,31
256 0,5 1,93
512 1,1 2,12
Der ermittelte durchschnittliche Werte* beträgt: : 2,36 ± 0,51 mPa·s
*Drehzahlbereich: 64 bis 512 min -1
Die Schwankung des Ergebnisses beträgt damit: ± 21,5 %

5.1.4 Grafische Bestimmung
5.1.4.1 Bestimmung der Viskosität von Wasser
7
Skriptversion 05.12.04
Die Steigung wird über den Bereich Dn = 300 min -1 ermittelt. Dabei beträgt DS = 0,38 Skt
ΔS
Aus η = G ⋅ ergibt sich η = 986·
0,
38
= 1,25 ± 0,03 mPa·s
Δn
300
5.1.4.2 Bestimmung der Viskosität von 1% PVP Lösung
Die Steigung wird über den Bereich Dn = 300 min -1 ermittelt. Dabei beträgt DS = 0,85 Skt
ΔS
0,
85
Aus η = G ⋅ ergibt sich η = 986· = 2,79 ± 0,06 mPa·s
Δn
300
5.1.5 Bestimmung des scherzeitabhängigen Fließverhaltens der Gelantinelösung
Parameter:
Temp:17 °C
Ruhezeit: 1,5 min
Scherzeit: 0,3 min
Drehzahl: 300 min -1
Zyklus hMax / mPa·s hMin / mPa·s Δ / mPa·s
1 118,1 112,7 5,4
2 117,4 114,3 3,1
3 118,8 116,6 2,2
4 120,9 118,2 2,7
5 122,9 121,3 1,6
6 125,0 122,1 2,9
7 126,3 124,5 1,9
Aus dem Diagramm wurde folgende Zeitabhängigkeitsfunktion ermittelt.
Für ηmax = 0,872x + 116,635 mit R 2 = 0,941
Für ηmin = 1,103x + 112,583 mit R 2 = 0,991

5.2. Messungen mit dem Kapillarviskosimeter
Parameter:
Kapillarkonstante k = 0,01016 mm 2 ·s -2
Temperatur: 25 °C
Dichte Wasser 25 °C : 0,99704 g·cm -3
2 −
ν = k ⋅ t − y / mm · s
( ) 1
ν: kinematische Viskosität; t: Laufzeit; y: Hagenbach- Couette Konstante
Viskositätsbestimmung von PVP K90F –Lösungen
PVP
K90F in
t / s
t / s y / s ν / mm
water
[%]
1 2 3
2 ·s -1 η / mPa·s
1,00 296 297 296 296,3 0,11 3,010 3,001
0,80 236 237 237 236,7 0,20 2,403 2,395
0,60 185 185 186 185,3 0,30 1,880 1,874
0,40 157 158 157 157,3 0,39 1,595 1,590
0,20 126 126 127 126,3 0,59 1,278 1,274
0,00 106 106 107 106,3 0,82 1,072 1,069
Die Standardabweichung der ersten drei Wiederholungsmessungen beträgt: 0,58 s,
entspricht 0,58 . 10 -3 mPa·s
5.2.1 Bestimmung der Huggins-Konstanten für PVP K90F Batch: ZK 2331/188
(nach BASF-Publikation: PVP, Lewis-Publisher; 1990 S.12)
Die spezifische Viskosität :
η −η
=
η
Die Grenzviskosität : / 100mL·g -1
η sp
[ η]
=
c
lim c→0
Konzentration: c / g·(100mL) -1
η : Viskosität der Polymerlösung; η 0 : Viskosität des reinen Lösungsmittels
? sp 2
Huggin´sche Gleichung: = [ ? ] + K H [ ? ] c
c
η
sp
8
0
0
t − t
≈
t
0
0
Skriptversion 05.12.04

1,00 3,001 1,807
h sp
-1
/ 100mL·g
c
1,807
0,80 2,395 1,241 1,551
0,60 1,874 0,753 1,256
0,40 1,590 0,487 1,218
0,20 1,274 0,192 0,958
0,000 1,069 --- ---
c / g·(100mL) -1 η / mPa·s ηsp
9
Skriptversion 05.12.04
η sp
Die Grenzviskosität wird grafisch bestimmt. Die Steigung ergibt sich, indem
c
gegen c
aufzutragen ist, welche proportional zu [ ] 2
K ⋅ ? ist. Die Extrapolation für c→0 ergibt [η]
Die grafische Auswertung ergibt:
[η] = 0,75 ± 0,16 100ml·g -1
KH = 1,82 ± 0,67
5.3. Vergleich der Messverfahren
Verfahren Stoff Temperatur
°C
Rotationsviskosimeter
Kapillarviskosimeter
H
Ergebnis
mPa . s
Genauigkeit
mPa . s
H 2O 22,2 1,25 0,03
1% PVP K90F 24,9 2,79 0,06
H 2O 25 1,07 0,00057
1% PVP K90F 25 3,00 0,00058
Literaturwert H 2O 20 1,00 -
1% PVP K90F - - -

6. Diskussion
6.1. Vergleich zweier Methoden zur Viskositätsmessung
10
Skriptversion 05.12.04
Es wurde mit zwei Verfahren die Viskosität von Wasser und einer 1% PVP K90F Lösung bestimmt.
Die Ergebnisse des Kapillarviskosimeters liegen näher am Literaturwert und weisen
auch den kleineren Fehler auf. Dies gilt für Wasser. Ob dies auch für die Tensidlösung gilt
lässt sich nicht beantworten, da zum einen kein Literaturwert vorliegt und zum anderen das
Rheometer einen niedrigeren Wert liefert als das Kapillarviskosimeter. (Bei Wasser verhält es
sich andersrum.) Da beim Rheometer keine Wiederholungsmessungen gemacht wurden, lassen
sich die Methoden nicht direkt vergleichen.
Beim Rheometer ist zu bedenken, dass es sich um ein sehr komplexes Messsystem handelt,
und somit das Ergebnis von mehreren Faktoren abhängt. Da die Viskosität temperaturabhängig
ist, muss eine genaue Temperierung gewährleitstet sein. Dies geschieht mit einem Thermostaten
mit einer Genauigkeit von ± 0,1°C. Weiterhin spielt die Messung des exakten
Drehmoments eine zentrale Rolle. In regelmäßigen Abständen muss durch Öle bekannter
Viskosität die Genauigkeit der Messung überprüft und gegebenenfalls kalibriert werden.
Diffizil ist auch die Einstellung des Nullpunktes des Schreibers. Die Justierung durch den
Drehknopf O im Bereich ± 0,00 kann eine y-Auslenkung von ± 10 Skalenteilen zur Folge haben,
was je nach Faktor F in einem kleinen oder größeren Fehler resultiert.
Das Rheometer setzt also hohe Ansprüche an die Zuverlässigkeit des Benutzers um reproduzierbare
Werte zu erhalten.
Das Kapillarviskosimeter nach Ubbelohde ist simpler aufgebaut. Hauptsächliche Fehlerquelle
ist das exakte Messung der Durchlaufzeit. Diesen Fehler kann man durch Wiederholungsmessungen
und Zeitmessung durch dieselbe Person minimieren. Auch die Wahl der Kapillare beeinflusst
das Ergebnis. Längere Durchflusszeiten können genauer gemessen werden. Also
nimmt man für niedrig viskose Flüssigkeiten dünnere Kapillaren als für hochviskose Flüssigkeiten.
Die Sauberkeit der Kapillare beeinflusst maßgeblich das Versuchergebnis. Schon
kleinste Verunreinigungen können sich massiv auswirken.
6.2. Bestimmung des scherzeitabhängigen Fließverhaltens einer Gelatinelösung
In Rheogramm 7.3 sieht man, das die Viskosität zu Beginn der Messung sprunghaft ansteigt
und danach wieder abfällt. (Schwer zu erkennen, da der Nullpunkt zunächst falsch eingestellt
wurde, siehe Diskussion 6.1) Füllt man die Gelatine in den Messbecher des Searle Systems,
so geliert diese bis zum Beginn der Messung aus, d.h. dem Zylinder wird mehr Widerstand
bei seiner Drehung entgegengesetzt. Durch die zunehmende Rotation werden die Netzstrukturen
der Gelatine zerstört, erkennbare durch die pendelnden Bewegungen im Rheogramm. Ab
ca 106 Umdrehungen pro Minute verläuft die Kurve nahezu linear, d.h. alle Strukturen sind
zerstört. Beim Herunterfahren der Drehzahl verläuft die Kurve zunächst linear, bis sie bei ca
52 Umdrehungen pro Minute stark abfällt. Bei höheren Drehzahlen ist die Viskosität der Gelatine
also konstant, bei niedrigeren nicht. Daher handelt es sich um eine nicht-newtonsche
Flüssigkeit. Des weiteren ist erkennbar, dass die Gelatine ihre Ursprungsviskosität nach Beenden
der Scherung nur zeitverzögert zurück gewinnt, es handelt sich also um eine thixotrope
Substanz. Dies wird auch in Rheogramm 7.4 deutlich. Der Rotor wird in 0,1 min auf 300
Umdrehungen pro Minute beschleunigt, hält die Drehzeit für 0,3 Minuten und ruht für 1,5

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Skriptversion 05.12.04
min. In der Ruhezeit vernetzt sich die Gelatine wieder neu. Durch erneute Scherung wird die
Vernetzung wieder zerstört.
6.3. Abhängigkeit der Viskosität von PVP-Lösungen von der Konzentration
Mit zunehmender Anzahl von PVP Molekülen im Wasser nimmt die Viskosität zu. Die langkettigen,
verzweigten und ineinander verschlungenen PVP Moleküle streben einen Zustand
höchster Entropie (Unordnung) an. Da durch Fließen ein Zustand höherer Ordnung erreicht
wird, erhöht sich der Widerstand gegen das Fließen mit zunehmender Konzentration. Es entsteht
mehr Reibung, die Flüssigkeit wird viskoser.

7. Anhang
7.1. Rheogramm Wasser
7.2. Rheogramm PVP-Lösung 1%(aq)
7.3. Rheogramm Gelantinelösung
7.4. Zeitabhängiges Rheogramm Gelatinelösung
12
Skriptversion 05.12.04

7.5. Diagramm Viskosität-Zeitabhängigkeit einer Gelantinelösung
h/ mPa*s
130
125
120
115
110
105
100
Zeitabhänigkeitsfunktion für das Fließverhalten einer 5%igen Gelantinelösung
0 2 4 6 8 10 12
t / min
13
y = 0,872x + 116,635
R 2 = 0,941
y = 1,103x + 112,583
R 2 = 0,991
Viskosität max
Viskosität min
Linear (Viskosität max)
Linear (Viskosität min)
Skriptversion 05.12.04

7.6. Diagramm zur Bestimmung der Huggins-Konstanten für PVP
. -1 . -1
hSP c (100mL g )
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
Diagramm zur Bestimmung der Huggins-Konstanten für PVP
14
y = 1,0157x + 0,7484
R 2 = 0,9617
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
c / g . (100mL) -1
Skriptversion 05.12.04