유체 점도 정확 측정을 위한 6가지 검증된 방법

점도는 코팅, 페인트, 접착제와 같은 산업용 유체의 가장 필수적인 물리적 특성 중 하나입니다.

본질적으로 점도는 전단 또는 인장 응력에 의한 유체의 변형 저항을 나타냅니다. 즉, 이 특성은 서로 다른 속도로 움직이는 유체 층 사이에서 상대적 운동에 반대하는 유체 분자 간 마찰을 설명합니다. 점도는 유체가 가해진 힘이나 자체 무게 하에서 어떻게 행동할지에 대한 단서가 될 수 있습니다.

유체가 더 점성이 높을수록 더 "걸쭉해" 보입니다. 예를 들어, 오일이나 그리스는 물보다 점도가 높기 때문에 더 걸쭉해 보입니다.

오일, 코팅, 페인트, 접착제 제조업체는 종종 특정 응용 분야에 대한 제품의 최적 점도를 결정하는 임무를 맡습니다. (자세한 내용은: 코팅을 위한 서비스 요구 사항 및 환경 요인.)

저점도 유체는 더 쉽게 흐르는 경향이 있습니다. 따라서 점도가 너무 낮은 코팅은 흐름과 처짐을 유발할 수 있습니다. 반면, 점도가 너무 높은 코팅은 "뻣뻣"하고 도포하기 어려울 수 있습니다.

이 글에서는 동적 점도와 운동 점도의 차이와 이를 측정하는 다양한 방법을 살펴보겠습니다.

동적 점도

동적 점도는 절대 점도라고도 하며, 가해진 외부 힘으로 인한 전단 흐름에 대한 유체의 저항입니다. 수평면에서 유체 한 층이 다른 층 위를 움직일 때 제공되는 내부 저항의 양을 설명합니다.

동적 점도는 비뉴턴 유체를 설명할 때 특히 유용합니다.

수학적으로 동적 점도는 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

μ = τ dy / dc = τ/γ

여기서:

τ = 유체의 전단 응력 (N/m²)
μ = 유체의 동적 점도 (N·s/m²)
dc = 단위 속도 (m/s)
dy = 층간 단위 거리 (m)
γ = dc / dy = 전단 속도 (s⁻¹)

동적 점도의 SI 단위는 N·s/m² 또는 파스칼-초(Pa·s)입니다. 동적 점도의 또 다른 측정 단위는 푸아즈(Poise, P)로, 1 푸아즈는 0.1 N·s/m² 또는 0.1 Pa·s와 같습니다.

푸아즈 단위는 실용적인 목적으로 너무 클 수 있습니다. 이 때문에 센티푸아즈(cP) 단위가 종종 대신 사용됩니다. 센티푸아즈 단위에서 1 cP는 0.01 P, 0.001 N·s/m² 또는 0.001 Pa·s와 같습니다.

운동 점도

운동 점도는 단순히 동적 점도와 유체 밀도의 비율입니다. 중력의 영향 하에서 전단 흐름에 대한 유체의 저항, 즉 유체 자체 무게로 인한 전단 흐름을 반영합니다.

이 점도는 뉴턴 유체를 설명하는 데 특히 유용합니다. 수학적으로 운동 점도는 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

ν = μ / ρ

여기서:

ν = 운동 점도 (m²/s)
μ = 절대 또는 동적 점도 (N·s/m²)
ρ = 밀도 (kg/m³)

운동 점도의 SI 단위는 m²/s입니다. 이 특성의 또 다른 측정 단위는 스토크(Stoke, St)로, 1 St는 10⁻⁴ m²/s와 같으며 1 cm²/s와 같습니다.

스토크 단위의 점도 값이 너무 큰 경우, 더 작은 단위인 센티스토크(centistoke, cSt)가 종종 대신 사용됩니다. 센티스토크에서 1 cSt는 10⁻⁶ m²/s = 1 mm²/s와 같습니다.

점도는 어떻게 측정되는가?

동적 점도와 운동 점도를 측정하는 몇 가지 다른 방법이 있습니다. 가장 일반적인 방법은 다음과 같습니다:

1. 점도 컵

점도 컵은 유체의 운동 점도를 결정하는 데 사용되며 일반적으로 양극 산화 알루미늄으로 제작되고 스테인리스 강 오리피스를 가집니다. (자세한 내용은: 알루미늄 부식 이해.)

이 비교적 간단한 테스트는 바닥에 작은 구멍이 있는 용기에 유체를 넣는 것을 포함합니다. 유체는 정확한 양으로 구멍을 통해 흐르도록 허용됩니다. 유체가 구멍을 통과하는 데 걸리는 시간이 측정되고, 주어진 컵에 제공된 차트를 사용하여 점도와 상관관계가 분석됩니다.

점도 컵은 일반적으로 페인트, 바니시 및 유사 제품의 일관성을 측정하는 데 사용됩니다. 그런 다음 표를 사용하여 유출 시간(초)을 센티스토크(cSt)의 점도로 변환합니다.

포드(Ford) 컵과 자른(Zahn) 컵은 가장 일반적으로 사용되는 점도 컵 유형 중 일부입니다. 각 컵 설계는 고유하므로 다른 컵 유형 간의 점도 값을 비교할 때 주의해야 합니다. 점도 컵이 제공하는 값은 절대 값이며 허용 오차는 포함하지 않습니다. 이는 각 표준마다 상당히 다르기 때문입니다.

2. 진동 점도계

진동 점도계는 진동하는 전자기계 공진기를 시험 유체에 담그고 유체가 제공하는 감쇠 정도를 측정하여 작동합니다. 공진기는 일반적으로 비틀림 또는 횡방향으로 진동하며 감쇠는 다음에 의해 결정될 수 있습니다:

장치를 일정한 진폭으로 진동시키기 위해 필요한 전력 입력 기록
진동이 중단된 후 진동의 시간 감쇠 측정
변화하는 위상 각도에 대한 공진기 주파수 측정

석영 점도계는 진동 점도계의 한 예입니다. 이 방법에서는 진동하는 석영 결정을 유체에 담그고 진동 거동에 대한 특정 영향이 점도를 정의합니다. 진동자에 가해진 전기장은 센서를 움직이게 하고 유체 전단을 초래합니다. (자세한 내용은: 매립 금속 구조물의 부식 및 전기 간섭.)

센서의 움직임은 유체의 외부 힘(전단 응력)에 의해 영향을 받으며, 이는 센서의 전기적 응답에 영향을 미칩니다.

3. 회전 점도계

회전 점도계는 시험 유체에서 물체를 회전시키는 데 필요한 토크를 측정하여 작동합니다. 과정은 다음과 같습니다:

표면 중 하나는 정지 상태입니다.
맞물리는 표면은 외부 구동 장치에 의해 회전합니다.
유체가 표면 사이의 공간을 채웁니다. 미리 정해진 속도로 디스크나 밥(bob)을 회전시키는 데 필요한 토크가 측정되고 기록됩니다.

설정된 속도를 유지하는 토크는 점도에 정비례하므로, 장치는 점도, 전단 응력, 전단 속도 값을 출력할 수 있습니다. 외부 전단 힘이 액체에 가해지기 때문에 회전 점도계는 유체의 동적 점도를 측정합니다.

컵, 밥, 콘, 플레이트는 모두 회전 점도계 유형입니다. 컵-밥 점도계는 서로 다른 직경의 동축 실린더로 구성됩니다. 전단될 시료 부피는 테스트 셀 내에 저장되며, 특정 회전 속도를 달성하는 데 필요한 토크가 측정되고 플로팅됩니다.

콘-플레이트 점도계는 이산 회전 속도로 구동되는 정밀 토크 미터를 가집니다. 평판에 근접한 좁은 각도의 콘을 사용합니다. 점도는 전단 응력과 전단 속도에서 계산됩니다. (자세한 내용은: 부식이 재료의 전단 거동에 미치는 영향.)

4. 모세관 점도계

모세관 점도계는 유체 점도를 결정하는 가장 초기에 알려진 방법 중 하나입니다.

이 방법은 알려진 직경과 길이의 U자형 모세관을 통해 정의된 부피의 유체가 흐르는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 튜브에는 일반적으로 상한선과 하한선 두 개의 표시가 있으며, 이는 측정 기준으로 사용됩니다. 유체가 이 표시를 지나는 데 걸리는 시간은 운동 점도에 비례하므로 표준 공식을 사용하여 점도를 결정할 수 있습니다.

모세관 점도계에는 오스트발트(Ostwald)와 우벨로데(Ubbelohde) 점도계가 포함됩니다. 둘 다 U자형 기구이며 두 개의 유리 전구와 모세관을 사용합니다. (유리가 부식을 방지하는 방법에 대한 자세한 내용은: 내부 부식 방지를 위한 부식 장벽 라이닝 살펴보기.)

그러나 우벨로데 점도계의 주요 장점 중 하나는 얻은 값이 사용된 액체의 총 부피에 독립적이라는 것입니다. 오스트발트와 우벨로데 점도계의 주요 차이점은 오스트발트 점도계는 저~중점도 액체 측정에 적합한 반면, 우벨로데 점도계는 고점도 액체 측정에 적합하다는 것입니다.

5. 낙구 점도계

낙구 점도계는 투명한 뉴턴 유체의 동적 점도를 결정하는 데 사용됩니다.

개념은 알려진 밀도의 구가 시료로 채워진 튜브를 중력 하에서 낙하하는 데 걸리는 시간을 측정하는 것입니다. 튜브는 일반적으로 180도 빠르게 회전할 수 있는 장치에 장착되어 반복 테스트를 허용합니다. 세 번 테스트의 평균 시간을 기록하고 변환 공식에 사용하여 시료의 점도를 결정합니다.

낙구 점도계는 다양한 산업에서 품질 관리는 물론 과학적 방법을 설명하기 위해 학술 기관에서도 사용됩니다. 사용 용이성과 시간 측정을 위한 간단한 방법은 의미 있는 테스트 결과를 보장합니다.

6. 농도계

농도계는 스프링 로드 게이트 뒤에 막힌 작은 섹션이 있는 금속 트로프로 구성된 장치입니다. 작동 방식은 다음과 같습니다:

테스트할 시료를 스프링 로드 게이트 뒤에 놓습니다.
게이트를 들어 올려 시료가 자체 무게 하에서 자유롭게 흐르도록 합니다.
장치의 눈금을 통해 특정 시간 동안 액체가 흐른 거리를 측정합니다.

농도계 자체는 점도 값을 직접 측정하지 않습니다. 대신 사용자가 테스트 중인 제품에 특화된 자체 표준을 개발할 수 있도록 합니다. 이 방법은 식품 산업에서 더 인기가 있으며 일반적으로 케첩, 마요네즈, 잼, 필링, 수프, 이유식, 샐러드 드레싱과 같은 제품의 점도를 측정하는 데 사용됩니다. (식품 산업에 대한 자세한 내용은: 알루미늄 및 그 합금의 부식 특성.)