وبلاگ
چرا نتایج ویسکوزیته در دستگاههای مختلف متفاوت است؟
اندازه گیری ویسکوزیته یکی از مهمترین آزمونهای کنترل کیفیت در صنایع دارویی، شیمیایی، غذایی، آرایشی و بسیاری از فرآیندهای صنعتی است. با وجود پیشرفت فناوری در ساخت ویسکومتر ها، یکی از رایجترین چالشهایی که کارشناسان آزمایشگاه با آن مواجه میشوند، مشاهده اختلاف در نتایج اندازه گیری هنگام استفاده از دستگاههای مختلف است. گاهی یک نمونه با دو ویسکومتر مختلف مقادیر کاملا متفاوتی را نشان میدهد.
این موضوع معمولا این سوال را ایجاد میکند که آیا یکی از دستگاهها دچار خطا شده است یا اینکه علت اختلاف به عوامل دیگری مربوط میشود؟ در بسیاری از موارد، اختلاف نتایج ناشی از تفاوت شرایط اندازهگیری و رفتار رئولوژیکی نمونه است، نه خرابی یا عدم دقت دستگاه. در این بخش، به بررسی دلایل اختلاف در اندازهگیری ویسکوزیته میپردازیم و تاثیر عواملی نظیر کالیبراسیون، سرعت چرخش (RPM)، نوع سیال، سیستمهای اندازهگیری و تفاوت محیط آزمایشگاه با خط تولید را تحلیل میکنیم.
کالیبراسیون
قبل از هر اندازه گیری، باید از کالیبره بودن تجهیزات اطمینان حاصل کرد. این کار با استفاده از نمونه های استاندارد انجام میشود؛ برای کالیبراسیون ویسکومتر باید از سیالات نیوتونی با ویسکوزیته مشخص استفاده کرد. اگر دستگاه های متفاوت استاندارد را با دقت قابل قبولی اندازه گیری کنند( مثلا خطای کمتر از 1 درصد) نشان میدهد که دستگاه ها سالم و کالیبره هستند و باید اختلاف را جای دیگری جسنجو کرد.
رفتار غیرنیوتنی مواد و سرعت دوران اسپیندل (RPM)
یکی از مهمترین عواملی که باعث اختلاف بین دستگاههای مختلف میشود، رفتار سیالات غیرنیوتنی است. برخلاف سیالات نیوتنی که ویسکوزیته آنها مستقل از نرخ برش است، بسیاری از محصولات مانند ژلها و کرمها دارای رفتار غیرنیوتنی هستند. در این مواد، مقدار ویسکوزیته بهShear rate اعمالشده وابسته است. بنابراین اگر دو دستگاه در نرخهای برشی متفاوت اندازه گیری انجام دهند، حتی روی یک نمونه یکسان نیز نتایج متفاوتی گزارش خواهند کرد. به همین دلیل هنگام مقایسه داده های ویسکوزیته، تنها مقدار نهایی ویسکوزیته کافی نیست و باید محدوده Shear rate نیز بررسی شود.
چرا تغییر RPM باعث تغییر ویسکوزیته میشود؟
تغییر مقدار ویسکوزیته در RPM مختلف اغلب نتیجه رفتار طبیعی سیال است. در بسیاری از مواد، با افزایش RPM ساختار داخلی سیال شکسته شده و مقاومت آن در برابر جریان کاهش مییابد. این رفتار که Thinning Shear نام دارد، باعث میشود مقدار ویسکوزیته در سرعت های بالاتر کمتر اندازه گیری شود. نمونه هایی مانند رنگ، سسها، ژلها، محصولات آرایشی و بسیاری از فرآوردههای دارویی از این نوع هستند. در مقابل، برخی نمونه ها ممکن است رفتار Shear Thickening داشته باشند. در این حالت با افزایش سرعت دوران، ذرات موجود در سیال بهطور موقت افزایش ویسکوزیته نشان می دهد. این پدیده کمتر اتفاق می افتد.
شرایط اندازه گیری
سیالی که در خط تولید اندازه گیری میشود، دقیقا همان شرایط نمونه ای را که وارد آزمایشگاه میشود، ندارد. عواملی مانند شرایط جریان، دما، تماس با هوا، زمان نمونه برداری و میزان برش میتوانند خصوصیات سیال را تغییر دهند. به همین دلیل، حتی اگر یک نمونه از یک مخزن برداشت شود، ممکن است نتیجه اندازه گیری در دستگاه داخل خط تولید (In-Line) با نتیجه آزمایشگاه متفاوت باشد.
وجود ذرات معلق در نمونه
نمونههای دارای ذرات ، مانند سوسپانسیون ها، گاهی ممکن است رفتار Shear Thickening نشان دهند. این اتفاق معمولا به دلیل رسوب ذرات یا تجمع (Aggregation) آنها در نرخ های برشی بالا رخ میدهد که موجب افزایش ویسکوزیته میشود.
سیستم باز و سیستم بسته
در سیستمهای باز، نمونه در تماس مستقیم با هوا قرار میگیرد. در مورد نمونههای پروتئینی، این تماس میتواند باعث مهاجرت مولکولها به سطح مشترک هوا و مایع شود. همچنین تبخیر بخشی از حلال ممکن است ویسکوزیته را افزایش دهد یا حتی رفتار برشی نمونه را تغییر دهد. در مقابل، در ویسکومترهایی که در یک سیستم بسته اندازهگیری انجام میدهند اثر تبخیر و تماس با هوا تا حد زیادی حذف میشود. به همین دلیل، مقایسه مستقیم نتایج حاصل از سیستمهای باز و بسته همیشه قابل اعتماد نیست.
دما
تقریبا در تمام مایعات با افزایش دما، ویسکوزیته کاهش پیدا میکند. در فرآیندهای صنعتی معمولا دمای سیال بالاتر از دمای آزمایشگاه است و علاوه بر آن ممکن است بهصورت مداوم تغییر کند. در مقابل، اندازهگیری آزمایشگاهی معمولا در دمای ثابت انجام میشود. بنابراین حتی اختلاف چند درجه سانتیگراد نیز میتواند باعث تفاوت قابل توجه در نتایج شود.
در زمان مشاهده اختلاف نتایج چه مواردی باید بررسی شود؟
پیش از نتیجه گیری درباره درستی یا نادرستی یک دستگاه، بهتر است موارد زیر بررسی شوند:
- آیا هر دو دستگاه از یک روش آزمون استفاده میکنند؟
- آیا نوع اسپیندل و سیستم اندازه گیری آن در هر دو دستگاه یکسان است؟
- آیا سرعت دوران یا نرخ برش برابر بوده است؟
- آیا دمای اندازهگیری در هر دو آزمون یکسان بوده است؟
- نمونه در سیستم باز یا بسته اندازه گیری شده است؟
- آیا نمونه دارای ذرات معلق یا سوسپانسیون بوده است؟
- آیا زمان اندازه گیری و شرایط آماده سازی نمونه مشابه بوده است؟
جمعبندی
اختلاف نتایج ویسکوزیته بین دستگاههای مختلف لزوما نشان دهنده خطای دستگاه یا کالیبراسیون نامناسب نیست. عواملی مانند رفتار غیرنیوتنی سیال، نرخ برش، سرعت دوران اسپیندل، دما، شرایط جریان، تماس نمونه با هوا، نوع سیستم اندازه گیری و حتی زمان نمونه برداری میتوانند بر نتیجه آزمون تاثیر بگذارند. بنابراین برای مقایسه علمی نتایج ویسکوزیته، تنها مقایسه یک عدد کافی نیست. تمامی شرایط آزمون باید تا حد امکان یکسان باشند و ویژگیهای رئولوژیکی نمونه نیز در تفسیر نتایج در نظر گرفته شوند. تنها در این صورت میتوان به ارزیابی دقیق عملکرد دستگاهها و کیفیت واقعی محصول دست یافت.