دليل شامل لأنواع مقاييس اللزوجة المختبرية
— Equipo JP Selecta
اللزوجة من أهم الخصائص الفيزيائية والريولوجية في تحليل المواد. ففي قطاعات شديدة التنظيم كالصيدلاني والغذائي والتجميلي والكيميائي، تحدّد مقاومة المائع للتشوّه أو الجريان بشكل مباشر الجودة النهائية للمنتج، وثباته عبر الزمن، وسلوكه أثناء المعالجة الصناعية.
ولتوصيف هذه الخاصية بدقة، تلجأ المختبرات إلى أنواع مختلفة من مقاييس اللزوجة، وهي أدوات تحليلية مصمَّمة لقياس الاحتكاك الداخلي للمائع في ظروف حرارية وميكانيكية متحكَّم بها. وفهم آلية عمل كل تقنية أمر جوهري لاختيار الجهاز الأمثل بحسب طبيعة المنتج المُحلَّل.
ما هي اللزوجة؟
على المستوى الفيزيائي، تقيس اللزوجة المقاومة الداخلية للمائع للجريان عند تطبيق قوة قص عليه. وبحسب تقنية الاختبار والمتغير الفيزيائي المُستخلَص، نميّز مقدارين رئيسيين:
- اللزوجة الديناميكية أو المطلقة (ƞ): تمثّل القوة اللازمة للتغلب على الاحتكاك الداخلي للسائل. وتُعبَّر عنها عادةً بالميلي باسكال ثانية (mPa · s) أو بالسنتي بواز (cP)، حيث 1 mPa · s = 1 cP
- اللزوجة الحركية (ν): هي النسبة بين اللزوجة الديناميكية وكثافة المائع عند الدرجة الحرارية نفسها (ν = ƞ/ρ). وتُقاس تحت تأثير الجاذبية وتُعبَّر عنها بالمليمتر المربع في الثانية (mm2/s) أو بالسنتي ستوكس (cSt).
اللزوجة معيار حاسم لمراقبة الجودة. ففي التركيب الصيدلاني تحدّد جرعات الشراب أو قابلية المعلّقات للحقن؛ وفي القطاع الغذائي تحدّد قوام الصلصات ومنتجات الألبان؛ وفي الصناعة الكيميائية لا غنى عنها لضبط ريولوجيا الدهانات والطلاءات واللواصق.
أنواع مقاييس اللزوجة المختبرية
يستدعي التنوّع الواسع للموائع في الصناعة مبادئ قياس مختلفة. وتُصنَّف العائلات الأربع الرئيسية لأنواع مقاييس اللزوجة بحسب الظاهرة الفيزيائية المستخدَمة لتقييم الجريان: الدوّارة، والشعرية، وذات الكرة الساقطة، والاهتزازية.
| النوع | مبدأ القياس | النطاق المعتاد (mPa·s) | الموائع المثالية |
|---|---|---|---|
| دوّار | عزم الفتل على مغزل دوّار | 1 – 320.000.000 | موائع غير نيوتونية (هلاميات، كريمات، بوليمرات) |
| شعري | زمن الجريان بالجاذبية عبر أنبوب شعري | 0,4 – 20.000 | موائع نيوتونية (زيوت، مذيبات، ماء) |
| كرة ساقطة (Höppler) | زمن سقوط كرة في أنبوب مائل | 0,5 – 100.000 | موائع نيوتونية شفافة |
| اهتزاز (تذبذب) | تخميد تردد الرنين لمجس | 0,1 – 10.000 | القياس المباشر في الخط (in-line) والتحكم في العملية |
مقياس اللزوجة الدوّار
يحدّد هذا النوع من مقاييس اللزوجة الدوّارة اللزوجةَ بقياس عزم الفتل (قوة المقاومة) اللازم لإدارة عنصر متحرك (مغزل أو spindle) بسرعة دوران ثابتة داخل المائع. وتُستخلص القيمة مباشرةً بوحدة mPa · s أو cP.
وهو الأكثر تنوّعًا في المختبر لأنه يتيح توصيف الموائع غير النيوتونية، أي تلك التي تتغيّر لزوجتها بتغيّر معدل القص، مثل الكريمات والمعلّقات والهلاميات والدهانات والبوليمرات.
- القيد: يتطلب اختيار المغزل وسرعة الاختبار المناسبين للعمل ضمن النطاق الأمثل للمقياس.
- تتيح أجهزة قياس اللزوجة مثل سلسلة STS-2025 من J.P. Selecta ضبط سرعات متعددة (من 0,01 إلى 200 دورة/دقيقة)، وقياس قوة الفتل، وتقييم معايير ريولوجية مثل shear rate وshear stress.
مقياس اللزوجة الشعري (الزجاجي)
يقيّم مقياس اللزوجة الشعري اللزوجةَ الحركية (mm2/s أو cSt) بقياس الزمن الذي يستغرقه حجم ثابت من السائل ليجري بالجاذبية عبر أنبوب من الزجاج البوروسيليكاتي معلوم القطر الشعري. ويُضرب زمن العبور بين علامتين معايَرتين في الثابت الاسمي للأنبوب.
وهي التقنية المفضّلة لـالموائع النيوتونية منخفضة أو متوسطة اللزوجة، مثل الزيوت المعدنية والمذيبات والوقود أو المحاليل المائية المخفّفة. ويضم كتالوج J.P. Selecta طرازات معيارية مثل أنواع مقاييس اللزوجة Ubbelohde وCannon-Fenske (للسوائل الشفافة وللمعتمة بالجريان العكسي على حد سواء) وMicro-Ubbelohde وأنابيب على شكل U.
- القيد: غير صالح للموائع غير النيوتونية (لاعتماده على الجاذبية وحدها) ولا للسوائل المحمّلة بجسيمات عالقة قد تسدّ الأنبوب الشعري.
مقياس اللزوجة بالكرة الساقطة (Höppler)
استنادًا إلى قانون ستوكس، تحدّد هذه الطريقة اللزوجة الديناميكية بقياس الزمن الذي تستغرقه كرة معلومة الكتلة والكثافة والقطر لتقطع بالجاذبية مسافة ثابتة عبر أنبوب زجاجي مائل مملوء بسائل العينة.
وهي بديل عالي القابلية للتكرار لـتقييم الموائع النيوتونية الشفافة ذات اللزوجة المتوسطة أو المنخفضة، مثل المحاليل السكرية أو الزيوت الخفيفة أو المشروبات.
- القيد: لا يمكن استخدامه إلا مع موائع نيوتونية وعينات شفافة تمامًا تتيح المراقبة البصرية لمرور الكرة.
مقياس اللزوجة بالاهتزاز / التذبذب
تغمر هذه الأنواع من مقاييس اللزوجة مجسًّا في المائع (كقضيب أو قرص) يهتز بتردد فوق صوتي ثابت. وتولّد لزوجة السائل تخميدًا فيزيائيًا للاهتزاز؛ ويقيس الجهاز الطاقة اللازمة لإبقاء التذبذب ثابتًا.
وميزته الأساسية هي غياب الأجزاء الميكانيكية المتحركة الدوّارة، ما يتيح إجراء قياسات مستمرة دون صيانة والاندماج في خطوط الإنتاج الصناعي (in-line).
- القيد: يقدّم قيمة لحظية واحدة ولا يتيح تحليل منحنيات ريولوجية كاملة، لذا فهو ليس الأداة المثلى للتركيب في البحث والتطوير.
كيف تختار مقياس اللزوجة المناسب لمختبرك؟
يتطلب اختيار النوع الصحيح من مقاييس اللزوجة تقييمًا متأنيًا لخصائص المنتج وللمتطلبات التنظيمية للاختبار. ولإصابة القرار، نوصي باتباع هذه المعايير الستة الأساسية:
- طبيعة المائع. حدّد ما إذا كانت عينتك نيوتونية (لزوجتها ثابتة بغض النظر عن سرعة التحريك) أو غير نيوتونية (لدنة كاذبة أو ثيكسوتروبية أو متمدّدة). فالموائع غير النيوتونية تستلزم إلزاميًا مقياس لزوجة دوّارًا.
- نطاق اللزوجة المقدَّر. حدّد القيم الدنيا والقصوى المتوقعة بوحدة mPa · s أو cSt. فالعينات منخفضة اللزوجة (كالمذيبات أو العصائر) تتطلب مغازل خاصة مثل مهايئ LCP أو أنابيب شعرية رفيعة، بينما تستلزم الراتنجات أو الكريمات الكثيفة طرازات عالية العزم (سلسلتا R أو H).
- التحكم في درجة حرارة الاختبار. اللزوجة شديدة الحساسية للتغيرات الحرارية (فارتفاع بمقدار 1 °م قد يخفض اللزوجة حتى 10٪). قيّم ما إذا كنت تحتاج إلى ملحقات بغلاف دوران خارجي موصولة بـحمّام منظِّم للحرارة عالي الدقة (مثل الطرازين VB-1423 أو TV-1452).
- اللوائح المعمول بها. تأكد من أن الطريقة تمتثل للمعايير الدولية المطلوبة في قطاعك، مثل ASTM D445 وISO 3104 (لمقاييس اللزوجة الشعرية الزجاجية)، وASTM D2196 (للدوّارة)، أو دساتير الأدوية المعمول بها (USP/Ph. Eur.) في البيئة الصيدلانية.
- نوع العينة وحجمها. قيّم شفافية العينة، وتوافقها الكيميائي مع مواد الجهاز (الفولاذ المقاوم للصدأ، PTFE، الزجاج)، والحجم المتاح. وإذا كان لديك حجم قليل (بين 3 و16 مل)، فاستخدم مهايئات الحجم الصغير مثل APM أو الأنابيب الشعرية الدقيقة.
- متطلبات التتبّع وسلامة البيانات. في المختبرات الخاضعة لمعايير GMP أو ISO 17025، يجب أن يوفّر مقياس اللزوجة شهادات معايرة قابلة للتتبّع وأن تتوفر فيه مخارج رقمية (مثل منافذ USB أو مسجّلات البيانات) لتصدير تقارير غير قابلة للتعديل.
في J.P. Selecta نصمّم ونصنع أجهزة علمية وفق أعلى معايير الدقة والتتبّع. وإذا احتجت إلى مشورة لاختيار مقياس اللزوجة المختبري الأنسب لتطبيقك، فبإمكان فريقنا التقني مساعدتك في تهيئة الجهاز ومجسّات القياس الصحيحة.