Wprowadzenie
W branży klejów i uszczelniaczy parametr lepkości jest decydujący w określeniu właściwości użytkowych końcowego produktu, procesie aplikacji oraz stabilności. Pomiar ten jest niezbędny zarówno w kontroli jakości, jak i podczas opracowywania nowych receptur. Jedną z najpopularniejszych metod pomiaru lepkości jest metoda wykorzystująca lepkościomierz Brookfield.
Czym jest lepkość i dlaczego ma znaczenie?
Lepkość jest jedną z najważniejszych cech płynów. Jest to właściwość fizyczna, która określa tarcie wewnętrzne wynikające z przesuwania się względem siebie warstw płynu podczas przepływu. Im wyższa lepkość, tym większy opór płyn stawia podczas przepływu. Ciecz o niskiej lepkości płynie łatwo, ponieważ jej budowa molekularna powoduje bardzo małe tarcie w ruchu.
W przypadku klejów parametr ten ma ogromne znaczenie, ponieważ:
- wpływa na sposób nakładania kleju (pędzlem, wałkiem czy natryskiem),
- determinuje czas otwarty kleju i jego zdolność penetracji materiału,
- ma znaczenie dla jakości i trwałości łączenia,
- pozwala przewidzieć zachowanie się kleju;
Nieodpowiednia lepkość może powodować problemy w procesach technologicznych, np. nadmierne spływanie, niewystarczającą przyczepność lub trudności w dozowaniu produktu.
Lepkościomierz Brookfielda- zasada działania
Wiskozymetry Brookfielda należą do grupy wiskozymetrów rotacyjnych. Pomiar odbywa się poprzez zanurzenie w badanym medium specjalnego wrzeciona (spindle), które obraca się z określoną prędkością. Moment obrotowy potrzebny do pokonania oporu cieczy jest rejestrowany i przeliczany na wartość lepkości (najczęściej w jednostkach mPa·s lub cP – centypuazach).
Podstawowe etapy pomiaru Brookfieldem to:
- Wybór odpowiedniego wrzeciona – kształt i rozmiar wrzeciona muszą być dostosowane do zakresu lepkości badanej próbki.
- Prędkość obrotowa – kleje, będące często cieczami nienewtonowskimi, mogą wykazywać zależność lepkości od prędkości ścinania. Dlatego wykonuje się pomiary w kilku prędkościach, by uzyskać pełniejszy obraz reologii.
- Temperatura pomiaru – lepkość kleju jest silnie zależna od temperatury, dlatego należy stosować termostatyzację próbki (najczęściej 23°C lub 25°C).
W metodzie Brookfielda lepkość jest obliczana na podstawie momentu obrotowego potrzebnego do utrzymania stałej prędkości obrotowej wrzeciona zanurzonego w badanej próbce. Przeliczenie momentu obrotowego na lepkość wynika z zależności pomiędzy siłą ścinającą, prędkością ścinania a geometrią układu pomiarowego. Odbywa się to w następujący sposób:
- Pomiar momentu obrotowego
Silnik elektryczny napędza wrzeciono, a sprężyna kalibrowana (tzw. torsion spring) przeciwdziała jego obrotowi. Moment obrotowy, jaki ciecz wywiera na wrzeciono, powoduje skręcenie tej sprężyny. Stopień skręcenia jest proporcjonalny do momentu obrotowego. - Zależność momentu od lepkości
Siła oporu cieczy na powierzchni wrzeciona jest związana z lepkością dynamiczną równaniem:
Moment obrotowy jest następnie związany z naprężeniem ścinającym i powierzchnią styku wrzeciona z cieczą:
- Przeliczenie na lepkość
Lepkościomierz Brookfielda jest fabrycznie skalibrowany, więc urządzenie mierzy moment obrotowy (proporcjonalny do skręcenia sprężyny) i używa znanych wartości oraz do obliczenia lepkości:
Wynik wyświetlany jest w mPa·s.
- % momentu obrotowego
Urządzenie zwykle pokazuje % momentu w stosunku do maksymalnego momentu, dla którego wrzeciono jest skalibrowane. Prawidłowy pomiar powinien mieścić się w zakresie 10 – 90% momentu nominalnego (Full Scale Range – FSR).
Znaczenie pomiaru lepkości Brookfieldem w produkcji klejów
Lepkościomierze Brookfielda stały się standardem w przemyśle klejowym z uwagi na:
- Prostotę i powtarzalność pomiarów – urządzenia te są intuicyjne i pozwalają uzyskać wiarygodne wyniki nawet w warunkach produkcyjnych.
- Uniwersalność – sprawdzają się zarówno przy klejach dyspersyjnych, konstrukcyjnych, rzadkich oraz takich w formie past.
- Monitorowanie stabilności partii produkcyjnych – regularny pomiar lepkości pozwala wykryć nieprawidłowości w recepturze, np. wahania zawartości polimeru czy wypełniaczy.
- Wsparcie procesów badawczo-rozwojowych – pomiar reologii jest kluczowy przy projektowaniu nowych receptur klejów i uszczalniaczy o określonych właściwościach aplikacyjnych.
Interpretacja wyników pomiaru
Wynik uzyskany z wiskozymetru Brookfielda jest najczęściej wyrażony w centypuazach (cP). W zależności od rodzaju kleju wartości te mogą mieścić się w bardzo szerokim zakresie, np.:
- Kleje rzadkie (np. niektóre cyjanoakrylowe): 50–500 m·Pas,
- Kleje do drewna i konstrukcyjne: 50 000–200 000 m·Pas,
- Pasty i uszczalniacze: > 200 000 m·Pas (wymagają odpowiednich wrzecion i adapterów).
Podsumowanie
Pomiar lepkości metodą Brookfielda jest nieodzownym elementem w procesie wytwarzania i kontroli jakości klejów i uszczalniaczy. Pozwala on na szybkie określenie parametrów reologicznych produktu, wpływając tym samym na jego właściwości aplikacyjne, stabilność i ostateczną skuteczność. Odpowiednie dobranie warunków pomiaru (wrzeciona, prędkości, temperatury) gwarantuje powtarzalność wyników i umożliwia skuteczne monitorowanie procesów produkcyjnych.
Źródła
- Imran Khan & Brandon Poh (2010). Effect of silica filler on viscosity and adhesion properties of natural rubber based adhesive. Journal of Applied Polymer Science..
- Thibodeau, Brookfield Engineer (2004). Measuring viscosity of pastes.
- D2196‑20: Standard Test Methods for Rheological Properties of Non‑Newtonian Materials by Rotational Viscometer.
mgr inż. Wiktoria Długosz
Stwórz łatwo własną witrynę internetową z Webador