DIN 53019-1 Messung von Viskositäten und Fließkurven mit Rotationsviskosimetern - Teil 1: Grundlagen und Messgeometrie

Die vom Deutschen Institut für Normung (DIN) herausgegebene Norm „DIN 53019-1 Viskosimeter – Messung von Viskositäten und Fließkurven mit Rotationsviskosimetern – Teil 1: Grundlagen und Messgeometrie“ beschreibt Strömungsfelder zur Messung des Fließverhaltens newtonscher und nicht-newtonscher Fluide in Rotationsviskosimetern und legt spezifische Messgeometrien fest. Das Fließverhalten wird durch Scherviskosität, Scherviskositätsfunktion, Viskositätskurve oder Fließkurve definiert. Die Eigenschaften dieser Norm gelten unter folgenden Bedingungen:

• Die Flüssigkeit sollte nicht über die Grenzflächen gleiten (Wandhaftung).
• Die Beschleunigungskräfte im Fluid müssen so gering bleiben, dass der Strömungsprozess ausschließlich durch laminare, stationäre Schichtströmung bestimmt wird.
• Lokale und zeitliche Temperaturunterschiede in der Flüssigkeit sollten vernachlässigbar klein sein.
• Strömungsfelder werden durch Begrenzungsflächen (einfache Begrenzungsflächen) definiert, die jeweils aus einer zylindrischen Schale, einer konischen Schale oder einer kreisförmigen Fläche bestehen. In der Praxis werden auch zusammengesetzte Begrenzungsflächen verwendet.
• Andere Begrenzungen als diese einfachen Begrenzungsflächen sollten das Strömungsfeld nicht beeinflussen.
• Oberflächenoszillationsfehler und Achsenfehlausrichtungen sollten vernachlässigbar klein sein.

Abweichungen davon führen, sofern sie nicht durch Korrekturen (DIN 53019-3) ausgeglichen werden, zu einer Erhöhung der Messunsicherheit (DIN 53019-2).

Bei der Verwendung von Rotationsviskosimetern müssen die Eigenschaften des Fluids, die Charakteristika des Strömungsprozesses, die Konstruktion der Geräte sowie systematische Abweichungen, die sich aus dem Versuchsablauf ergeben, berücksichtigt werden. Die Norm DIN 53019-3 fordert ein konstantes Strömungsfeld zwischen Oberflächen, die sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit drehen.

Folgende Situationen sind vom Anwendungsbereich dieser Anwendung ausgeschlossen:

• Öffnungs- und Schließvorgänge sowie Torsionsschwingungen (Oszillationen)
• Hinzufügen weiterer Grundströmungen zur Rotationsströmung
• Messabweichungen von reinen Zeit-, Drehzahl- und Drehmomentmessungen (DIN 53019-2)
• Temperatur-, Scher- oder Scherspannungsrampen.

Soweit die Einflussfaktoren, die zu systematischen Messabweichungen führen, quantitativ bestimmt werden können, liefert die DIN 53019-3 Informationen zu entsprechenden Korrekturen. Für nicht korrigierbare Messabweichungen werden Hinweise zur Vermeidung dieser Abweichungen und zur Abschätzung der Abweichung für Unsicherheitsberechnungen gegeben.

Die Norm DIN 53019-1 legt die grundlegenden Prinzipien und Anforderungen für die Messung von Viskosität (dynamischer Viskosität) und Fließkurven (rheologisches Verhalten unter variierender Scherung) mit Rotationsviskosimetern fest. Sie konzentriert sich insbesondere auf die Verwendung von Koaxialzylinder-Messgeometrien (konzentrischen Zylindern), die als absolute Messsysteme weithin anerkannt sind.

In einem Rotationsviskosimeter rotiert eine Welle (Innenzylinder) in einem mit der Probe gefüllten Behälter (Außenzylinder). Das Drehmoment, das zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Drehzahl erforderlich ist, wird gemessen. Daraus lassen sich Scherspannung und Schergeschwindigkeit (und somit die absoluten Viskositätswerte) berechnen, sofern die Geometrie definierte Kriterien erfüllt.

Die wichtigsten Vorteile von Geometrien gemäß DIN 53019-1 sind folgende:

• Ein definierter, schmaler Ringspalt zwischen Zylinder und Gehäuse gewährleistet eine nahezu konstante Gleitgeschwindigkeit über den Spalt.
• Ergebnisse der absoluten (berechenbaren) Viskosität (nicht nur relative/vergleichende Werte).
• Es eignet sich für Newtonsche und viele nicht-Newtonsche Flüssigkeiten.

Der Hauptinhalt dieser Norm lautet wie folgt:

• Grundlagen der Rotationsmessung: Drehmoment, Winkelgeschwindigkeit, Scherspannung, Scherrate und Viskosität.
• Geometrische Anforderungen an Messsysteme (insbesondere Koaxialzylinder):
• Spezifische Verhältnisse der Radien des Innen- und Außenzylinders.
• Begrenzung der Spaltbreite zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Scherfläche.
• Kanteneffekte und Kantenglättung.
• Bedingungen für gültige Messungen (z. B. laminare Strömung, keine Scherkräfte an den Wänden, Temperaturkontrolle).
• Berechnungsformeln für Schergeschwindigkeit, Scherspannung und Viskosität.
• Richtlinien für geeignete Probenarten (Flüssigkeiten mit Partikeln bis zu ca. 100 µm in vielen konzentrischen Zylinderanordnungen).

Die Norm DIN 53019 ist eng an die Norm ISO 3219 angelehnt (die ebenfalls Rotationsviskosimeter mit definierter koaxialer Zylindergeometrie für absolute Messungen abdeckt). Dies steht im Gegensatz zur Norm ISO 2555 (bzw. DIN EN ISO 2555), die für relative Messungen mit im Allgemeinen undefinierten Geometrien gilt. Während die Norm DIN 53019 die Bestimmung absoluter Viskositätswerte ermöglicht, sind die Ergebnisse der Norm ISO 2555 stärker geräte- und aufbauspezifisch.

Dieser Standard ist in folgenden Bereichen üblich:

• Qualitätskontrolle von Farben, Lacken, Tinten, Klebstoffen und Polymeren.
• Lebensmittelindustrie (Saucen, Emulsionen)
• Kosmetik und Pharmazeutika
• Petrochemikalien (Öle, Schmierstoffe)

Teil 2 dieser Norm (DIN 53019-2) befasst sich mit Messverfahren, Kalibrierung und Auswertung und ergänzt damit den ersten Teil (DIN 53019-1), der sich auf Prinzipien und Gerätegeometrie konzentrierte.

Folglich bildet die Norm DIN 53019-1 den grundlegenden Rahmen für die genaue, reproduzierbare und absolute Viskositätsbestimmung mit Rotationsviskosimetern mit genau definierter koaxialer Zylindergeometrie. Sie ist nach wie vor eine wichtige Referenz in europäischen Rheologie- und Materialprüflaboratorien.

Seit vielen Jahren versteht unser Unternehmen mit seinen kompetenten und erfahrenen Mitarbeitern die Bedürfnisse seiner Kunden, bietet ihnen die benötigten fortschrittlichen Prüfdienstleistungen und unterstützt sie beim Aufbau, der Implementierung und der Optimierung von Managementsystemen. In diesem Rahmen bieten wir auch Prüfdienstleistungen gemäß der Norm DIN 53019-1 an.