Độ nhớt là gì? Phân biệt các loại độ nhớt và nguyên lý đo bằng Viscometer

Độ nhớt (Viscosity) là một trong những đặc tính quan trọng nhất khi đánh giá khả năng chảy của chất lỏng và nhiều loại vật liệu công nghiệp. Dầu, sơn, keo, polymer, mỹ phẩm, thực phẩm hay dung dịch hóa chất đều có thể được đánh giá dựa trên đặc tính độ nhớt.

Trong thực tế, cùng một vật liệu có thể cho kết quả độ nhớt khác nhau tùy thuộc vào nhiệt độ, tốc độ cắt, phương pháp đo và trạng thái của vật liệu. Vì vậy, để có được kết quả đáng tin cậy, không chỉ cần biết giá trị viscosity mà còn phải hiểu điều kiện mà phép đo được thực hiện.

Viscometer là thiết bị chuyên dụng dùng để xác định độ nhớt của chất lỏng. Tùy theo loại thiết bị và ứng dụng, phép đo có thể được thực hiện bằng nguyên lý quay, mao quản, bi rơi hoặc các phương pháp chuyên dụng khác.

Bài viết dưới đây sẽ giúp làm rõ độ nhớt là gì, các loại độ nhớt phổ biến, sự khác nhau giữa chất lỏng Newtonian và Non-Newtonian, các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt và nguyên lý cơ bản của phép đo viscosity.

Độ nhớt là gì?

Hiểu đơn giản, độ nhớt thể hiện mức độ cản trở dòng chảy của một chất lỏng.

Một chất lỏng có độ nhớt thấp sẽ dễ chảy, trong khi chất lỏng có độ nhớt cao sẽ chảy chậm hơn và cần nhiều lực hơn để tạo ra chuyển động.

Ví dụ:

• Nước có độ nhớt tương đối thấp.
• Dầu ăn có độ nhớt cao hơn nước.
• Mật ong có độ nhớt cao hơn đáng kể.
• Một số loại dầu bôi trơn hoặc polymer có thể có độ nhớt rất cao.

Về mặt vật lý, độ nhớt có thể được hiểu là sức cản bên trong của chất lỏng đối với sự biến dạng hoặc chuyển động tương đối giữa các lớp chất lỏng.

Tuy nhiên, không nên hiểu rằng mỗi chất lỏng luôn có một giá trị độ nhớt cố định. Với nhiều vật liệu, viscosity thay đổi đáng kể khi điều kiện tác động thay đổi.

Đây là lý do việc lựa chọn đúng loại Viscometer và đúng điều kiện đo có vai trò rất quan trọng.

So sánh chất lỏng có độ nhớt cao và chất lỏng có độ nhớt thấp. Ở cùng nhiệt độ, chất trước chảy chậm hơn chất sau.	Từ chất lỏng nhớt lý tưởng đến chất rắn đàn hồi. Vật liệu đàn hồi viscoelastic trong cuộc sống hàng ngày.

Mô hình hai bản phẳng và nguyên lý hình thành độ nhớt

Một cách đơn giản để hình dung về độ nhớt là sử dụng mô hình gồm hai bản phẳng đặt song song, giữa hai bản là một lớp chất lỏng.

Bản phía dưới đứng yên trong khi bản phía trên chuyển động.

Khi bản phía trên chuyển động, nó tạo ra lực cắt lên chất lỏng. Các lớp chất lỏng nằm giữa hai bản sẽ chuyển động với vận tốc khác nhau, tạo thành sự biến dạng theo phương cắt.

Trong điều kiện dòng chảy tầng, lực tác động lên chất lỏng có thể được biểu diễn thông qua shear stress (ứng suất cắt):

τ = F / A

Trong đó:

• τ: shear stress, đơn vị Pa
• F: lực tác động, đơn vị N
• A: diện tích chịu lực, đơn vị m²

Tốc độ biến dạng của chất lỏng được biểu diễn bằng shear rate (tốc độ cắt):

γ̇ = v / h

Trong đó:

• γ̇: shear rate, đơn vị s⁻¹
• v: vận tốc chuyển động của bản
• h: khoảng cách giữa hai bản

Đối với chất lỏng Newtonian, độ nhớt động lực có thể được xác định theo quan hệ:

η = τ / γ̇

Đây là cơ sở quan trọng để hiểu cách nhiều loại Viscometer và Rheometer xác định đặc tính dòng chảy của vật liệu.

Bánh sandwich nhớt ảo: mô hình hai đĩa. Dòng chảy tầng bao gồm các lớp cực mỏng.

Sử dụng mô hình hai tấm để tính ứng suất cắt. Ứng suất cắt là lực di chuyển tấm trên chia cho diện tích của tấm.	Sử dụng mô hình hai tấm để tính tốc độ cắt. Tốc độ cắt là vận tốc của tấm chuyển động chia cho khoảng cách giữa các tấm.

 

Chất lỏng Newtonian là gì?

Newtonian liquid – chất lỏng Newtonian là chất lỏng có độ nhớt gần như không thay đổi khi shear rate thay đổi, trong phạm vi điều kiện xác định.

Theo đó, khi shear rate tăng, shear stress tăng tương ứng với độ nhớt của chất lỏng.

Một số ví dụ phổ biến gồm:

• Nước
• Một số loại dầu
• Một số dung môi

Trên đồ thị thể hiện độ nhớt theo shear rate, chất lỏng Newtonian có xu hướng tạo thành đường gần như nằm ngang vì giá trị viscosity không phụ thuộc đáng kể vào shear rate.

Đối với những chất lỏng này, việc xác định độ nhớt tại một điều kiện đo cụ thể thường tương đối đơn giản.

Hàm độ nhớt biểu thị độ nhớt động và tốc độ cắt. Các loại hành vi dòng chảy khác nhau: Newton = độ nhớt lý tưởng (1) | Cắt mỏng (2) | Cắt dày (3)

 

Chất lỏng Non-Newtonian là gì?

Ngược lại, Non-Newtonian liquid là những chất lỏng có độ nhớt thay đổi khi điều kiện tác động, đặc biệt là khi shear rate thay đổi.

Đây là nhóm vật liệu rất phổ biến trong công nghiệp.

Có thể gặp hành vi Non-Newtonian trong:

• Sơn
• Mực in
• Keo
• Mỹ phẩm
• Dầu gội
• Yogurt
• Polymer
• Paste và slurry

Hai dạng phổ biến là shear thinning và shear thickening.

Shear thinning

Với vật liệu shear thinning, độ nhớt giảm khi shear rate tăng.

Ví dụ, một số loại sơn có thể tương đối đặc khi đứng yên nhưng trở nên dễ chảy hơn khi khuấy, bơm hoặc phun.

Đặc tính này rất quan trọng khi đánh giá khả năng:

• Bơm vật liệu
• Phun phủ
• Khuấy trộn
• Trải hoặc phủ lên bề mặt

Shear thickening

Ngược lại, vật liệu shear thickening có độ nhớt tăng khi shear rate tăng.

Một số hệ huyền phù hoặc dung dịch có hàm lượng chất rắn cao có thể thể hiện đặc tính này.

Vì vậy, đối với vật liệu Non-Newtonian, việc nói rằng “độ nhớt của vật liệu là X mPa·s” đôi khi chưa đủ thông tin.

Cần biết thêm độ nhớt được đo ở shear rate nào và bằng phương pháp nào.

Những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt

Độ nhớt của một vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.

Cấu trúc phân tử và thành phần vật liệu

Các tương tác giữa các phân tử, cấu trúc bên trong và thành phần của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống lại biến dạng.

Vật liệu có cấu trúc liên kết hoặc tương tác nội tại mạnh thường có xu hướng thể hiện độ nhớt cao hơn.

Shear rate và shear stress

Đối với chất lỏng Non-Newtonian, thay đổi shear rate có thể làm thay đổi đáng kể giá trị viscosity.

Do đó, khi so sánh hai kết quả đo, cần đảm bảo các điều kiện như shear rate, tốc độ quay và hình học đo tương đương.

Nhiệt độ

Nhiệt độ là một trong những yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến độ nhớt.

Đối với phần lớn chất lỏng, khi nhiệt độ tăng, độ nhớt giảm; ngược lại, khi nhiệt độ giảm, độ nhớt tăng. Tuy nhiên, mức độ thay đổi không giống nhau đối với mọi loại vật liệu.

Chính vì vậy, kết quả đo viscosity nên luôn đi kèm nhiệt độ thử nghiệm.

Ví dụ:

Viscosity = 500 mPa·s tại 25 °C

có ý nghĩa kỹ thuật rõ ràng hơn việc chỉ ghi:

Viscosity = 500 mPa·s

Áp suất

Áp suất ít ảnh hưởng đến độ nhớt hơn nhiệt độ. Tăng áp suất lên hệ số 300 sẽ làm tăng độ nhớt khoảng 10%.

Áp suất cũng có thể ảnh hưởng đến độ nhớt, đặc biệt khi vật liệu được sử dụng trong điều kiện áp suất cao.

Khi áp suất tăng, chuyển động của các phân tử có thể bị hạn chế và độ nhớt của nhiều chất lỏng có xu hướng tăng. Trong các phép đo thông thường ở áp suất thấp hoặc trung bình, ảnh hưởng của áp suất thường nhỏ hơn so với ảnh hưởng của nhiệt độ.

Độ nhớt động lực là gì?

Dynamic viscosity hay độ nhớt động lực thường được ký hiệu bằng η.

Đây là một trong những dạng viscosity được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu vật liệu và kiểm tra chất lượng.

Đối với chất lỏng Newtonian:

η = τ / γ̇

Đơn vị SI là:

Pa·s – Pascal second

Trong thực tế, đơn vị mPa·s cũng được sử dụng rất phổ biến.

Một số quy đổi thường gặp:

1 Pa·s = 1.000 mPa·s

và:

1 mPa·s = 1 cP

Trong đó cP (centipoise) là đơn vị viscosity thường gặp trong các tài liệu và ứng dụng công nghiệp.

Độ nhớt động học là gì?

Kinematic viscosity – độ nhớt động học được ký hiệu bằng ν (nu).

Độ nhớt động học được xác định bằng độ nhớt động lực chia cho khối lượng riêng của vật liệu:

ν = η / ρ

Trong đó:

• ν: độ nhớt động học
• η: độ nhớt động lực
• ρ: khối lượng riêng

Đơn vị SI của độ nhớt động học là:

m²/s

Trong thực tế, mm²/s và cSt (centistokes) được sử dụng phổ biến.

1 cSt = 1 mm²/s.

Kinematic viscosity đặc biệt phổ biến trong lĩnh vực dầu, nhiên liệu và chất bôi trơn.

Độ nhớt biểu kiến là gì?

Với chất lỏng Newtonian, viscosity có thể được xem là ổn định trong một phạm vi shear rate.

Nhưng với chất lỏng Non-Newtonian, giá trị viscosity thay đổi theo shear rate.

Khi đó, cần ghi rõ độ nhớt được đo tại shear rate nào. Giá trị này được gọi là apparent viscosity – độ nhớt biểu kiến.

Ví dụ:

η = 398 mPa·s tại shear rate = 60 s⁻¹

Con số này không nên được hiểu là “độ nhớt cố định” của vật liệu mà là độ nhớt tại một điều kiện shear rate cụ thể.

Đây là điểm rất quan trọng khi lựa chọn và sử dụng Viscometer để kiểm tra các loại vật liệu Non-Newtonian.

Độ nhớt tương đối và ứng dụng trong Polymer

Relative viscosity – độ nhớt tương đối được sử dụng phổ biến trong việc đánh giá polymer ở dạng dung dịch.

Về cơ bản, độ nhớt của dung dịch polymer được so sánh với độ nhớt của dung môi nguyên chất ở cùng điều kiện đo.

Công thức:

ηr = η / η₀

Trong đó:

• ηr: relative viscosity
• η: độ nhớt của dung dịch polymer
• η₀: độ nhớt của dung môi

Độ nhớt tương đối có thể được sử dụng làm cơ sở để tính toán nhiều thông số liên quan đến chất lượng polymer, bao gồm intrinsic viscosity, reduced viscosity và molar mass.

Đây là lý do phép đo viscosity không chỉ được sử dụng để kiểm tra khả năng chảy mà còn có thể hỗ trợ đánh giá chất lượng và đặc tính phân tử của polymer.

Dòng chảy tầng và dòng chảy rối trong phép đo độ nhớt

Khi đo viscosity, trạng thái dòng chảy của chất lỏng cũng cần được kiểm soát.

Laminar flow – dòng chảy tầng là trạng thái trong đó chất lỏng chuyển động thành các lớp tương đối ổn định và có trật tự.

Ngược lại, turbulent flow – dòng chảy rối tạo ra các xoáy và chuyển động không ổn định.

Trong một số phương pháp đo, dòng chảy rối có thể gây sai lệch kết quả vì thiết bị có thể ghi nhận thêm ảnh hưởng của các chuyển động bất thường trong chất lỏng. Tốc độ quay quá cao hoặc điều kiện hình học không phù hợp có thể làm tăng nguy cơ xuất hiện dòng chảy rối.

Vì vậy, phạm vi đo và điều kiện vận hành của Viscometer cần được lựa chọn phù hợp với mẫu thử.

Viscometer là gì?

Viscometer hay máy đo độ nhớt là thiết bị được sử dụng để xác định viscosity của chất lỏng.

Tùy theo nguyên lý hoạt động, Viscometer có thể được chia thành nhiều nhóm.

Một số loại phổ biến gồm:

• Rotational Viscometer – máy đo độ nhớt dạng quay
• Capillary Viscometer – máy đo độ nhớt mao quản
• Falling Ball Viscometer – máy đo độ nhớt bằng bi rơi
• Các hệ thống đo viscosity chuyên dụng cho dầu, polymer, thực phẩm, hóa chất…

Trong đó, Rotational Viscometer là một lựa chọn phổ biến khi cần kiểm tra các loại chất lỏng có độ nhớt khác nhau và đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng kiểm tra QC.

Viscometer đo độ nhớt như thế nào?

Với Rotational Viscometer, một spindle hoặc hệ thống đo được đưa vào mẫu và quay với tốc độ xác định.

Khi spindle chuyển động, chất lỏng tạo ra lực cản lên hệ thống đo.

Thiết bị xác định lực cản hoặc torque này, sau đó sử dụng thông tin về tốc độ quay và hình học của bộ đo để tính toán độ nhớt.

Với các thiết bị hiện đại, người sử dụng có thể kiểm soát nhiều thông số như:

• Tốc độ quay
• Spindle
• Nhiệt độ
• Thời gian đo
• Phạm vi độ nhớt

Việc lựa chọn đúng spindle và tốc độ quay rất quan trọng, đặc biệt khi kiểm tra các vật liệu có độ nhớt cao hoặc hành vi Non-Newtonian.

Viscometer và Rheometer khác nhau như thế nào?

Đây là hai loại thiết bị dễ bị nhầm lẫn vì đều có thể được sử dụng để đánh giá đặc tính dòng chảy của vật liệu.

Viscometer chủ yếu tập trung vào phép đo độ nhớt trong một hoặc một số điều kiện xác định.

Trong khi đó, Rheometer có khả năng phân tích rộng hơn, bao gồm:

• Shear stress
• Shear rate
• Flow curve
• Yield stress
• Viscoelasticity
• Storage modulus G’
• Loss modulus G”
• Oscillation test

Có thể hiểu đơn giản:

Viscometer phù hợp khi mục tiêu chính là xác định độ nhớt; Rheometer phù hợp khi cần nghiên cứu sâu hơn về hành vi biến dạng và dòng chảy của vật liệu.

Đối với những ứng dụng QC cần một phép đo viscosity nhanh và lặp lại ổn định, Viscometer thường là lựa chọn hợp lý. Trong khi đó, các phòng R&D cần phân tích sâu về polymer, cao su, gel, keo hoặc vật liệu phức tạp có thể cần đến Rheometer.

Ứng dụng của phép đo độ nhớt

Kiểm tra viscosity được sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp.

Dầu và chất bôi trơn

Độ nhớt là một trong những thông số quan trọng để đánh giá dầu động cơ, dầu thủy lực, dầu hộp số và nhiều loại chất bôi trơn.

Sơn và coating

Viscosity ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng:

• Khuấy trộn
• Bơm
• Phun
• Phủ
• Leveling
• Kiểm soát độ dày lớp phủ

Keo và chất kết dính

Độ nhớt giúp đánh giá khả năng bơm, định lượng và phủ keo lên bề mặt sản phẩm.

Thực phẩm

Các sản phẩm như sauce, syrup, chocolate, yogurt và nhiều loại thực phẩm dạng lỏng hoặc bán rắn đều có thể được đánh giá bằng phép đo viscosity.

Mỹ phẩm

Kem, lotion, shampoo, gel và các sản phẩm chăm sóc cá nhân thường yêu cầu kiểm soát viscosity để đảm bảo độ ổn định và cảm giác khi sử dụng.

Polymer

Phép đo viscosity có thể được sử dụng để đánh giá chất lượng polymer, đặc tính dung dịch polymer và một số thông số liên quan đến khối lượng phân tử.

Cần lưu ý gì khi đo độ nhớt?

Một kết quả viscosity chỉ có giá trị khi điều kiện đo được xác định và kiểm soát phù hợp.

Khi thực hiện phép thử, nên chú ý:

• Nhiệt độ mẫu
• Loại Viscometer
• Spindle hoặc hệ thống đo
• Tốc độ quay
• Shear rate
• Thời gian đo
• Lượng mẫu
• Điều kiện chuẩn bị mẫu
• Khả năng xuất hiện bọt khí
• Tình trạng dòng chảy

Đặc biệt, khi so sánh hai kết quả từ hai thiết bị khác nhau, cần đảm bảo phương pháp và điều kiện thử tương đương. Nếu không, sự khác biệt về kết quả chưa chắc phản ánh sự khác biệt thực sự của vật liệu.

Kết luận

Độ nhớt là thông số quan trọng để đánh giá khả năng chảy và mức độ chống biến dạng của chất lỏng. Tuy nhiên, viscosity không phải lúc nào cũng là một giá trị cố định.

Độ nhớt có thể phụ thuộc vào:

• Shear rate
• Shear stress
• Nhiệt độ
• Áp suất
• Thành phần và cấu trúc vật liệu
• Thời gian tác động

Đối với chất lỏng Newtonian, việc xác định viscosity tương đối đơn giản. Nhưng với vật liệu Non-Newtonian, cần quan tâm đến điều kiện đo và shear rate để kết quả có ý nghĩa.

Viscometer là lựa chọn phù hợp khi mục tiêu chính là kiểm tra độ nhớt. Trong khi đó, Rheometer cung cấp khả năng phân tích sâu hơn về hành vi dòng chảy, biến dạng và tính nhớt-đàn hồi của vật liệu.

Vì vậy, việc lựa chọn giữa Viscometer và Rheometer nên dựa trên loại vật liệu, mục đích kiểm tra, yêu cầu QC/R&D và phạm vi thông số cần đánh giá.

Cần tư vấn Viscometer hoặc Rheometer?

Nếu bạn đang tìm hiểu Viscometer, máy đo độ nhớt hoặc Rheometer và chưa chắc nên lựa chọn thiết bị nào cho ứng dụng của mình, hãy liên hệ với chúng tôi. Đội ngũ kỹ thuật có thể hỗ trợ tư vấn nguyên lý đo, phương pháp thử, phạm vi độ nhớt, cấu hình thiết bị và giải pháp phù hợp với từng loại vật liệu.

Liên hệ với chúng tôi để được tư vấn và báo giá thiết bị đo độ nhớt, Rheometer phù hợp với nhu cầu kiểm tra của bạn.

CÔNG TY TNHH TDMK

📞 Hotline/Zalo tư vấn kỹ thuật: HOTLINE 097 775 3665

📧 Email báo giá: haopm@tdmk.com.vn

🌐 Website: https://tdmk.vn/