Wasser hat bei Umgebungstemperatur eine Viskosität von etwa 1 mPa·s, Quark von etwa 20.000. Für ein Rührwerk ist das ein gewaltiger Unterschied: Die Viskosität entscheidet mit darüber, welcher Rührwerkstyp passt und wie viel Antriebsleistung nötig ist. Hier die wichtigsten Begriffe aus der Rheologie, mit Zahlen aus dem Handbuch Mischtechnik.
Was Viskosität misst
Die Viskosität ist ein Maß für die Zähigkeit eines Stoffs, also für seine innere Reibung. Meist ist die dynamische Viskosität gemeint, die man in der Praxis einfach „Viskosität“ nennt. Daneben gibt es die kinematische Viskosität: Man erhält sie, indem man die dynamische Viskosität durch die Dichte des Produkts teilt.
Die SI-Einheit der dynamischen Viskosität ist die Pascalsekunde (Pa·s). Die Werte in diesem Beitrag stehen in Millipascalsekunden (mPa·s), 1 Pa·s sind 1.000 mPa·s. Poise (dynamisch) und Stokes (kinematisch) sind nicht mehr zulässig, aber noch verbreitet; die SI-Einheit der kinematischen Viskosität ist m²/s. In einigen Industriezweigen misst man die Zähigkeit auch anders, etwa über die Zeit, die ein bestimmtes Volumen braucht, um aus einem Trichter mit definiertem Austrittsquerschnitt zu laufen.
Bei Flüssigkeiten sinkt die Viskosität mit steigender Temperatur, bei Gasen nimmt sie dagegen leicht zu. Eine Flüssigkeit ist also warm dünnflüssiger als kalt.
Newtonsche und nicht-newtonsche Medien
Bei newtonschen Medien hängt die Viskosität nur von Temperatur und Druck ab, nicht von der Beanspruchung. Wasser ist das bekannte Beispiel. Für den Mischprozess heißt das: Die Viskosität ist unabhängig von der Drehzahl des Rührers (Temperatureffekte nicht berücksichtigt).
Viele flüssige Systeme verhalten sich anders. Lösungen, Emulsionen und Suspensionen zeigen oft Abweichungen vom newtonschen Verhalten. Ihre Viskosität hängt dann von der Scherbeanspruchung ab, manchmal auch von der Dauer der Beanspruchung. Übertragen auf einen Mischprozess bedeutet das: Die Viskosität verändert sich mit der Drehzahl des Rührwerkzeugs.
Strukturviskosität, Dilatanz, Plastizität: Was bei höherer Drehzahl passiert
Das Handbuch Mischtechnik unterscheidet zunächst zeitunabhängige Effekte:
- Strukturviskosität: Mit steigender Drehzahl nimmt die Viskosität ab. Dieses Verhalten tritt relativ häufig auf.
- Dilatanz: Mit steigender Drehzahl nimmt die Viskosität zu. Das kommt relativ selten vor.
- Plastizität: Unterhalb einer Grenzdrehzahl verhält sich das Rührgut wie ein Feststoff und wird nur elastisch verformt. Erst nach Überschreiten der Fließgrenze fließt es wie eine Flüssigkeit.
- Viskoelastizität: Bei höherer Drehzahl klettert das Rührgut an der Rührwelle hoch (Weißenberg-Effekt). Stoffe ohne diese Eigenschaft bilden dagegen eine Trombe, sofern Stromstörer das nicht verhindern.
Thixotropie und Rheopexie: Wenn die Zeit mitspielt
Zeitabhängige Effekte kommen hinzu. Bei Thixotropie nimmt die Viskosität unter andauernder mechanischer Beanspruchung ab, zum Beispiel durch Rühren, und steigt nach dem Ende der Beanspruchung wieder an. Rheopexie ist das Gegenteil: Die Viskosität steigt unter Beanspruchung und fällt danach wieder. Zeitunabhängige und zeitabhängige Effekte können gemeinsam auftreten. Ein Produkt kann also zugleich strukturviskos und thixotrop sein.
Bei diesen Produkten sagt ein einzelner Viskositätswert wenig, denn er gilt nur für die Bedingungen, unter denen er gemessen wurde. Wie das Produkt bei der tatsächlichen Drehzahl und Rührdauer reagiert, zeigt sich im Versuch.
Richtwerte aus dem Alltag
Die folgende Auswahl stammt aus Tabelle 1 des Handbuchs. Die Werte gelten bei Umgebungstemperatur und Normaldruck:
| Medium | Viskosität in mPa·s |
|---|---|
| Wasser | 1 |
| Milch | 2 |
| Buttermilch | 9 |
| Creme | 100 |
| Motoröl | 150 bis 400 |
| Joghurt | 900 |
| Sirup | 1.000 bis 10.000 |
| Quark | 20.000 |
Zwischen Wasser und Quark liegen mehr als vier Größenordnungen.
Was das für Antrieb und Rührwerkwahl heißt
Die erforderliche Antriebsleistung hängt unter anderem von Viskosität und Fließverhalten des Mischguts ab. Die Viskosität geht über die Reynolds-Zahl in die Auslegung ein, mit der man den Strömungszustand im Behälter beschreibt. Die Antriebsleistung wird über die Newton-Zahl berechnet, und deren Wert hängt vom Rührorgan, vom Strömungszustand und von den Eigenschaften des Rührguts ab.
Auch die Bauart des Rührwerks richtet sich nach der Viskosität. Nach dem Handbuch werden Zentralrührwerke in der Regel für niedrig- bis mittelviskose Flüssigkeiten eingesetzt, Planetenrührwerke überwiegend für mittel- bis hochviskose Medien wie Pasten, Cremes und Suspensionen. Wie sich Rührwerke im Zähigkeitsbereich unterscheiden, sehen Sie auf den Seiten zu Zentralrührwerken für niedrig- bis mittelviskose Medien und zu Planetenrührwerken für hochviskose Medien.
Manchmal dient die Stromaufnahme oder das Drehmoment des Motors als Maß für die Viskosität. Das Handbuch weist an anderer Stelle darauf hin, dass die aus der Stromaufnahme ermittelte Leistung nur bedingt aussagekräftig ist, weil Verluste mit hineinspielen.
Ist das Verhalten Ihres Produkts nicht eindeutig, hilft ein Versuch. Im Technikum lassen sich Rührversuche mit dem Originalprodukt durchführen. Mehr dazu finden Sie unter Mischversuch im Technikum. Der nächste Schritt für die Praxis steht im Beitrag Scale-up: Vom Laborversuch in die Produktion.
Häufige Fragen
Warum ändert sich die Viskosität beim Rühren?
Bei nicht-newtonschen Medien hängt die Viskosität von der Scherbeanspruchung ab. Bei strukturviskosen Produkten sinkt sie mit steigender Drehzahl, bei dilatanten steigt sie.
Wie wirkt sich die Temperatur aus?
Bei Flüssigkeiten sinkt die Viskosität mit steigender Temperatur. Wird ein Produkt im Prozess erwärmt, wird es also dünnflüssiger.
Reicht ein Viskositätswert zur Auslegung?
Bei newtonschen Medien hängt die Viskosität nur von Temperatur und Druck ab, nicht von der Drehzahl. Bei nicht-newtonschen Produkten kommt es zusätzlich auf Drehzahl und Beanspruchungsdauer an, ein einzelner Wert genügt dann nicht.
Sie möchten wissen, welches Rührwerk zu Ihrem Produkt passt? Schildern Sie uns Ihre Mischaufgabe. Das ausführliche Handbuch Mischtechnik können Sie auf der Seite Industriemischer herunterladen.
Quelle: Herbst Handbuch Mischtechnik, Stand 24.09.2021. Die Werte sind Richtwerte aus dem Handbuch und ersetzen keine Auslegung für Ihr Produkt.