Masarykova Univerzita Přírodovědecká fakulta
Srovnání výsledků měření viskozity „nenewtonovských“ kapalin získaných různými metodami měření
Bakalářská práce
Autor práce: Michal Toman
Vedoucí práce: Mgr. Daniel Vlk, CSc.
Brno, 2008
Mé poděkování patří hlavně vedoucímu mé práce Mgr. Danielu Vlkovi, CSc., za cenné rady,ochotu a trpělivost,se kterou tuto práci vedl a díky níž jsem byl schopen vyřešit všechny problémy,které se objevily.Dále bych také rád poděkoval celému Biofyzikálnímu ústavu LF MU,že mi bylo umožněno v těchto prostorách provádět potřebná měření.
2
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem tuto práci vypracovala samostatně a s použitím uvedené literatury. V Brně dne Michal Toman
3
Anotace
Byla měřena viskozita nenewtonovských kapalin na rotačním a Ostwaldově viskozimetru. Měření byla provedna pro šest kapalin: vaječný albumin ve třech koncentracích, bovinní sérový albumin (BSA), krev a agarosa.Viskozita kapalin byla měřena v rozsahu teplot 30 °C – 42°C. Pro ověření správnosti měření byly změřeny také hodnoty viskozity newtonovských kapalin a ty pak porovnány s hodnotami tabelovanými. Měření oběma viskozimetry bylo porovnáno a vyhodnoceno. Byl vytvořen protokol laboratorní práce pro studenty prvního ročníku LF MU.
Klíčová slova: viskozita, nenewtonovské kapaliny,viskozimetry, závislost viskozity na teplotě
The viscosity of non-newtonian liquids was measured by rotation viscometer and Ostwald´s viscometer. It was selected six liquids: Three concentration of egg albumine, BSA, blood and agarose. Viskosity was measured at temperature range 30°C – 42°C. For verification validity of measurement was also measured viskosity of some newtonian liquids and results was compared with tabular data. The data obtained from both viscometers was compared and evaluated. Protocol for students of LF MU was created.
Keywords: viscosity, non-Newtonian liquids, viscometers, temperature dependence of viskosity
4
Obsah
1. Úvod………………………………………………………………………………..7 2. Teorie………………………………………………………………………………8 2.1. Viskozita…………………………………………………………………………..8 2.2. Rozdělení kapalin…………………………………………………………………9 2.2.1. Ideální kapalina………………………………………………………………….9 2.2.2. Reálná kapalina………………………………………………………………….9 2.2.3. Newtonovská kapalina…………………………………………………………10 2.2.4. Nenewtonovská kapalina………………………………………………………10 2.3. Měření viskozity…………………………………………………………………10 2.3.1. Průtokové viskozimetry………………………………………………………...11 2.3.2. Rotační viskozimetry…………………………………………………………...12 2.3.3. Tělískové viskozimetry…………………………………………………...........12 2.3.4. Bublinkové viskozimetry…………………………………………………........12 2.4. Ostwaldův viskozimetr…………………………………………………………...13 2.5. Rotační viskozimetr………………………………………………………………14 2.5.1. Technické údaje přístroje………………………………………………………15 2.5.2. Speciální LCP adaptér………………………………………………….............16 2.6. Kapaliny použité pro měření…...………………………………………………...16 2.6.1. Newtonovské kapaliny…………………………………………………………17 2.6.1.1. Destilovaná voda……………………………………………………………..17 2.6.1.2. Fyziologický roztok…………………………………………………………..17 2.6.1.3. Isopropylalkohol……………………………………………………………..18 2.6.1.4. Glycerin………………………………………………………………………18 2.6.2. Nenewtonovské kapaliny………………………………………………………19 2.6.2.1. Albumin………………………………………………………………………19 2.6.2.2. Agarosa……………………………………………………………………….20 2.6.2.3. Krev……………………………………………………………………..........20 2.6.2.3.1. Popis krvinek……………………………………………………………….21 2.7. Využití měření viskozity v průmyslu…………………………………………….22 2.7.1. Viskozitní klasifikace SAE ……………………………………………………22 2.7.2 Viskozitní klasifikace ISO………………………………………………………22 5
2.7.3. Viskozitní klasifikace převodových olejů………………………………….......22 3. Materiály a metody……………………………………………………………….23 3.1. Popis měření……………………………………………………………………...23 3.2. Použité chemikálie……………………………………………………………….23 3.3. Použité přístroje………………………………………………………………….24 4. Výsledky měření…………………………………………………………………..25 4.1. Newtonovské kapaliny…………………………………………………………...25 4.1.1. Porovnání dvou různých měření hodnot viskozity destilovamé vody rotačním viskozimetrem a jejich porovnání s tabulkovými hodnotami………………………...25 4.1.2 Bezvodý glycerin 99,5 %.....................................................................................27 4.1.3. Fyziologický roztok…………………………………………………………….28 4.1.4. Isopropylalkohol 80 % roztok………………………………………………….29 4.2. Nenewtonovské kapaliny………………………………………………………...30 4.2.1. Hovězí albumin (BSA) 100 µmol/l roztok…………………………………….30 4.2.2. Porovnání měření hovězího albuminu 100 µmol roztok…………………......31 4.2.2.1. Porovnání měření získaných Ostwaldovým viskozimetrem…………………31 4.2.2.2. Porovnání měření získaných rotačním viskozimetrem………………………32 4.2.3. Albumin vaječný 44,4 g/l………………………………………………………33 4.2.4. Albumin vaječný 70 g/l…………………………………………………….......34 4.2.5. Albumin vaječný 140 g/l……………………………………………………….35 4.2.6. Koňská krev v citrátu sodném 0,4%....................................................................36 4.2.7. Agarosa 0,1 % roztok………………………………………………………......37 5. Diskuze.....................................................................................................................38 5.1. Newtonovské kapaliny…………………………………………………………...38 5.2. Nenewtonovské kapaliny………………………………………………………...41 6. Závěr........................................................................................................................43 7. Seznam literatury…………………………………………………………………44 Příloha
6
1. Úvod Při zkoumání proudění kapalin je nezbytným předpokladem znalost viskozity příslušné kapaliny. Z lékařského hlediska je nepochybně nejvýznamnější proudící kapalinou krev, respektive krevní plazma. Se stanovením její viskozity se lze setkat v klinické praxi při některých typech onemocnění. Krev i krevní plazma patří mezi nenewtonovské kapaliny, neřídí se tedy přesně Newtonovým zákonem viskózního toku a její dynamická viskozita je funkcí rychlostního gradientu. Velikost viskozity takovýchto kapalin je proto závislá i na použitém způsobu měření, respektive na zařízení k měření viskozity používaném. Hlavním cílem předkládané práce je porovnání přesnosti měření viskozity různých nenewtonovských kapalin dostupnými typy viskozimetrů (Ostwaldův, rotační, bublinkový). Porovnávány budou závislosti velikosti viskozity na teplotě. Ke stanovení budou využita také nová zařízení pro měření viskozity kapalin zakoupená pro praktickou výuku biofyziky na LF MU. S tím souvisí i další (dílčí) cíl práce a sice připravit tato zařízení pro praktickou výuku, ověřit přesnost měření na newtonovských kapalinách o známé viskozitě a navrhnout jednoduchou laboratorní úlohu pro studenty prvního ročníku lékařské fakulty.
7
2. Teoretická část 2.1 Viskozita Kapaliny jsou látky, které se účinkem i malé vnější síly nevratně deformují – tečou. Rychlost toku kapaliny je tím větší, čím větší je vnější síla a čím menší jsou vnitřní síly, které proti toku působí. Vnitřní síly (vnitřní tření) vznikají v kapalině důsledkem tepelného pohybu a mezimolekulárních přitažlivých sil (Moore, 1981). Při malých rychlostech proudění (laminární proudění) se tok kapalin uskutečňuje jako smyková deformace, která charakterizuje změnu materiálu při smykovém (tečném) napětí (Prosser a kol.,1989). Při laminárním proudění reálné tekutiny vzniká v důsledku mezimolekulárních sil ve stykové ploše dvou vrstev pohybujících se různou rychlostí v tečné napětí τ, jímž se snaží rychlejší vrstva urychlovat vrstvu pomalejší a ta naopak zpomalovat vrstvu rychlejší (Moore, 1981). Viskozita tekutin se projevuje jen při jejich pohybu, vyvolává odpor vůči proudění tekutin. Dynamická viskozita η – vnitřní tření – je síla F (N) působící ve směru tečny mezi vrstvami proudící tekutiny o ploše A (m2), když se vrstvy vůči sobě pohybují rozdílnou rychlostí, což vyjadřuje gradient rychlosti δv/δx (Moore, 1981) : δv F = - η ( -------- ) A δx
,
Jednotkou dynamické viskozity je Pa.s. Podíl dynamické viskozity a hustoty tekutiny je kinematická viskozita (Maryška, 2000): η γ = ----ρ Viskozita plynů s rostoucí teplotou stoupá (Moore, 1981). Tuto teplotní závislost vystihuje obecná rovnice: ηT = ηo
273 + C T ------------------ ( --------- ) T + C 273
8
,
kde ηT je dynamická viskozita plynu při při teplotě t (oC), ηo je dynamická viskozita téhož plynu při teplotě 0 oC, T je absolutní teplota plynu v (K) a C je konstanta závislá na vlastnostech plynu. Dynamickou viskozitu plynných směsí lze vypočítat s dobrou přesností podle vzorce: 1 ------ηS kde
ηi
x1 x2 x3 = -------- + -------- + ------- + …. η1 η2 η3
jsou dynamické viskozity jednotlivých složek a xi
jejich objemové zlomky
v příslušné směsi( Moore, 1981). Viskozita je jednou z významných látkových charakteristik. Hodnoty dynamických nebo kinematických viskozit jsou běžně tabelovány. Ale velmi často jsou také uváděny v podobě nomogramů vyjadřujících zároveň jejich závislosti na teplotě pro konkrétní chemické sloučeniny. Se zvyšující se teplotou dochází ke snížení viskozity kapalin.S rostoucím tlakem naopak viskozita roste. Avšak vliv tlaku bývá velice malý, projevuje se řádově až v MPa (Prosser,1989) Znalost viskozity kapalin je důležitá při hydraulických výpočtech a také pro výpočty procesů sdílení tepla za účasti proudících kapalin.
2.2. Rozdělení kapalin 2.2.1. Ideální kapalina Kapalina pohybující se bez vnitřního tření – viskozity, beze ztrát energie způsobených vnitřním třením.
2.2.2. Reálná kapalina Kapalina, která vykazuje za pohybu vnitřní tření.
9
2.2.3. Newtonovské kapaliny Tekutiny vykazující vlastnosti reálné tekutiny s vnitřním třením. Vnitřní tření je obecně závislé jen na teplotě, tlaku a chemickém složení tekutiny, nezávisí na gradientu rychlosti (- dvy/dz) (Prosser, 1989)
2.2.4. Nenewtonovské kapaliny Látky, které vykazují jen za určitých okolností vlastnosti tekutiny. Vykazují pouze zdánlivou viskozitu závislou na gradientu rychlosti (Maryška, 2000). Pokud viskozita s rychlostí klesá, jedná se o kapaliny pseudoplastické, v opačném případě se jedná o kapaliny dilatantní. Zdánlivá viskozita není v tomto případě vlastností kapaliny. Příkladem nenewtonovských tekutin jsou např. suspenze, emulze, aerosoly, kapaliny s bublinami, ale také látky pastovité, sirupovité, zrnité a práškovité, jejichž chování se může měnit závisle na teplotě, tlaku a obsahu vlhkosti. Prouděním nenewtonovských kapalin se zabývá reologie
2.3. Měření viskozity Měření viskozity souvisí v řadě aplikací s měřením chemického složení. Mezi typické aplikace, kde se využívá měření viskozity k řízení procesu, patří výroba lepidel, barev a laků, olejů, farmaceutických a kosmetických přípravků a produktů potravinářského průmyslu. Konzistence řady látek, u nichž lze využít vztahu mezi požadovanou vlastností a viskozitou, může být řízena právě prostřednictvím viskozity. K měření viskozity se používají viskozimetry různých fyzikálních principů a konstrukcí: • viskozimetry průtokové (kapilární), • viskozimetry rotační a vibrační, • viskozimetry tělískové.
10
2.3.1. Průtokové viskozimetry Průtokové viskozimetry jsou založeny na měření tlakové ztráty v kapiláře při laminárním proudění kapaliny kapilárou. Kapilární viskozimetr pracuje na principu HagenPoiseuillova zákona, podle kterého platí (Troyer, 2002):
kde je ŋ dynamická viskozita, r poloměr kapiláry, l délka kapiláry, Qv objemový průtok a ∆p
tlakový rozdíl (Moore, 1981). Za předpokladu konstantního průtoku a pro kapiláru
daných rozměrů pak platí
Schéma uspořádání kapilárního viskozimetru je uvedeno na obrázku. Základní podmínkou správné funkce přístroje je konstantní průtok kapilárou, který je zajišťován čerpadlem a konstantní teplota, udržovaná termostatem. Vhodný snímač tlakové diference poskytuje na výstupu unifikovaný elektrický signál.
Schéma kapilárního viskozimetru
Pro měření viskozity kapalin za extrémně vysokého tlaku byl vyvinut kapilární viskozimetr nazývaný „capillary time-of-flight“ viskozimetr, který je schopen měřit viskozitu kapalin při tlaku vyšším než 3500 bar. (Thompson a kol., 2006)
11
2.3.2. Rotační viskozimetry Využívají měření odporu, který klade měřené prostředí otáčivému či kmitavému pohybu vhodných těles (Morstein a kol., 2004). V ustáleném stavu platí pro moment síly M , vyvolávaný třením tělesa v kapalině vztah
kde K je konstanta, ω úhlová rychlost rotujícího tělesa a ŋ dynamická viskozita. Ze vztahu je zřejmé, že měření viskozity lze buď měřit jako moment síly při ω = konst., nebo měřit otáčky při konstantním momentu síly. U viskozimetru pracujícího s konstantními otáčkami je podstatnou součástí rotační těleso vhodného tvaru (válec, kotouč apod.), které je ponořeno do měřené kapaliny. Těleso je poháněno synchronním motorkem prostřednictvím spojky tvořené kalibrovanou pružinou. Deformace pružiny, která je úměrná viskozitě je převedena na analogový či digitální výstupní signál. Pro danou viskozitu závisí deformace na velikosti a tvaru rotačního tělesa a na rychlosti otáčení. Přístroje s možností výměny rotačního tělesa a s přepínáním rychlosti otáčení umožňují měřit viskozitu v širokém rozmezí (Greenwood a kol., 2006).
2.3.3. Tělískové viskozimetry Tělískové viskozimetry jsou založeny na měření času padající kuličky nebo pístu či stoupající bubliny ve svislé či šikmé trubici. Časový interval pro danou vzdálenost je úměrný viskozitě kapaliny. Proces měření je periodický a i když jej lze zautomatizovat, nejsou přístroje tohoto typu vhodné pro provozní účely (Mornstein a kol., 2004).
2.3.4. Bublinkové viskozimetry Viskozita je zjišťována porovnáním rychlosti stoupání vzduchových bublin ve dvou kapalinách, z nichž u jedné je známa hodnota viskozity a druhou se snažíme zjistit (Mornstein a kol., 2004).
12
2.4. Ostwaldův viskozimetr Ostwaldův viskozimetr se řadí do kategorie kapilárních výtokových viskozimetrů. Samotný viskozimetr se skládá ze skleněné trubice, která má tvar písmene U. V užším rameni se nachází kapilární část, nad níž je umístěn kulovitý zásobník. Pro měření je nutné stanovit konstantní objem měřené kapaliny, tento objem je vymezen dvěma ryskami. Druhé rameno je tvořeno širší skleněnou trubicí, která je ve spodní části kulovitě rozšířená. Při samotném měření je pak do pravého ramene napipetováno známé množství měřené kapaliny. Tato kapalina je pak pomocí hadičky nasazené na konci levého ramene nasáta tak, aby hladina vystoupila až nad horní rysku. Poté měříme čas potřebný k protečení kapaliny objemem vymezeným ryskami. U tohoto viskozimetru je využívána tzv. srovnávací metoda. To znamená, že viskozimetrem necháme projít nejen zkoumanou kapalinu, ale také kapalinu srovnávací, jejíž viskozitu známe (Mornstein a kol.,2004).
Kapilární Ostwaldův viskozimetr (www.noria.com, Troyer, 2006) U Ostwaldova viskozimetru se vychází z tzv. Hagen-Poiseuilleova zákona,jehož zjednodušením lze získat vzorec pro výpočet ve tvaru
13
t=ν*k ν je kinematická viskozita zkoumané kapaliny a k je hodnota konstantní pro daný viskozimetr (Mornstein a kol., 2004). Změříme-li za stejných podmínek čas za který proteče trubicí viskozimetru objem V srovnávací kapaliny (např. destilované vody), musí platit:
k = (to/νo)*ν kde νo je kinematická viskozita srovnávací kapaliny. Hledanou kinematickou viskozitu zkoumané kapaliny vypočteme pak ze vztahu: ν = (t/to)*νo Kinematickou viskozitu srovnávací kapaliny vypočteme jako podíl její dynamické viskozity ŋ a hustoty ς.(Mornstei a kol., 2004)
2.5. Rotační viskozimetr Rotační viskozimetry pracují na principu měření síly, nutné k otáčení válce nebo jiného rotačního tělesa ponořeného do kapaliny. Těleso je připevněno k hřídeli otáčející se pevnou dobře definovanou rychlostí. Naměřená síla se dá přepočtem převést na cP resp. mPa.s. Přístroj Visco star plus má několik typů rotačních vřeten a velký rozsah rychlostí, takže umožňuje velkou variabilitu měření. Přesnou a jednoznačně definovanou (absolutní) viskozitu lze určit pro newtonovské kapaliny, u kterých její hodnota nezávisí na tokových podmínkách (velikost vřetene a rychlosti otáčení). U nenewtonovských kapalin nelze definovat jednu hodnotu viskozity. Viskozitní charakteristiku lze popsat pomocí tokové křivky, nebo s pomocí tzv. relativní viskozity. To je číslo, které udává hodnotu zdánlivé viskozity za přesně daných experimentálních podmínek (stejné vřeteno, stejný objem vzorku ve stejné nádobě, stejná rychlost otáčení, stejná teplota) a lze je používat ke stanovení rozdílu mezi dvěma různými vzorky kapalin za těchto podmínek.
14
2.5.1. Technické údaje přístroje přesnost měření
± 1 % daného celkového rozsahu
reprodukovatelnost 0,2 % daného celkového rozsahu citlivost 0,01…10 cP
Přístroj Visco star plus nabízí možnost ukládání dat při měření do vlastní paměti a také je možné ho propojit s počítačem. Model Visco star plus L, který byl v našem případě použit, má devatenáct rychlostí v rozsahu od 0,3 do 200 otáček za minutu. Přístroj je standardně dodáván se čtyřmi měřícími vřeteny (L1 až L4), která s přihlédnutím k měřící rychlosti jsou schopna měřit viskozitu zkoumané kapaliny v rozsahu 20KP – 2000KP. Dále je možno přikoupit speciální LCP adaptér pro měření nízkých viskozit, který byl použit v našem případě.
15
2.5.2. Speciální LCP adaptér Tyto adaptéry umožňují přesnější měření viskozity vzorků než standardní vřetena, rozsah měření lze navíc posunout směrem k nízkým viskozitám. Díky měřícímu uspořádání válec-válec lze při měření určit střihovou rychlost a tečné napětí , a tedy lépe stanovit charakteristické reologické vlastnosti nenewtonovských kapalin. Rozsah měření s použitím LCP adaptéru je 0,9 – 2000mPa.s spodní mez měření je omezena turbulentními efekty a aspoň 10 % hranicí zatížení měřícího mechanismu viskozimetru.
2.6. Kapaliny použité pro měření Pro měření bylo vybráno 10 kapalin. S přihlédnutím k zadanému tématu a možnostem pracoviště, na kterém celé měření probíhalo byly vybrány 4 Newtonovské a 6 Nenewtonovských kapalin.
Newtonovské kapaliny:
Destilovaná voda Fyziologický roztok Isopropyl alkohol 80% roztok Glycerin bezvodý 99,5 %
Nenewtonovské kapaliny: Albumin hovězí 100 µmol/l roztok Albumin vaječný 44,4 g/l roztok Albumin vaječný 70g/l Albumin vaječný 140g/l Agarosa 0,1 % roztok Koňská krev v citrátu sodném 0,4% roztok
16
2.6.1. Newtonovské kapaliny
2.6.1.1. Destilovaná voda Destilovaná voda je čirá, bezbarvá, v silné vrstvě namodralá kapalina bez chuti a zápachu. Za normálního tlaku 101 kPa má teplotu tání 0 °C a teplotu varu 100 °C. Největší hustotu 1g/cm3 má voda při 4 °C. Nejlehčí metodou získání skoro čisté vody ze směsi je destilace. Jedna z nejběžnějších současných metod je použití reverzní osmózy, která poskytuje čistší vodu než destilace. Destilovaná voda se používá především v laboratořích, ale i například do chladičů a akumulátorů v automobilech nebo do napařovacích žehliček. Má pH neutrální čili 7. Dá se vytvořit destilací běžné vody za normálního tlaku. Ačkoliv se jedná o chemicky čistou látku, destilovaná voda není vhodná k pití. Destilovaná voda je lidskému zdraví nebezpečná tím, že neobsahuje (na rozdíl od běžné pitné vody) žádné minerály. To může významně narušit metabolismus, rozvrácením rovnováhy iontů v organismu (www.britannica.com).
2.6.1.2. Fyziologický roztok Fyziologický roztok je vlastně 0,9 % roztok chloridu sodného. Farmakodynamické vlastnosti roztoku jsou dány účinkem sodných a chloridových iontů při udržování rovnováhy vody a elektrolytů. Fyziologický roztok je používán k léčbě izotonické extracelulární dehydratace, deplece sodíku a používá se také jako rozpouštědlo kompatibilních léčiv pro parenterální podání. Fyziologický roztok je třeba používat opatrně u pacientů s hypertenzí, srdečním selháním, periferním nebo plicním otokem, zhoršením renálních funkcí, preeklampsií, aldosteronismem nebo u jiných stavů a způsobů léčby (např. kortikosteroidy) spojených s retencí sodíku (www.britannica.com).
17
2.6.1.3. Isopropylalkohol Isopropylalkohol neboli 2-propanol je bezbarvá, hořlavá, toxická kapalina s výrazným zápachem. Je příkladem nejjednoduššího sekundárního alkoholu. Isopropylalkohol je používán ke sterilizaci v roztoku o koncentraci 60 – 70%. V průmyslu je využíván jako čistící přípravek a rozpouštědlo. Důležité je také jeho využití jako aditiva do pohonných hmot, kdy svými vlastnostmi zabraňuje uvolňování vody z paliva (tzv. vodnatění). Páry 2-propanolu jsou těžší než vzduch a vysoce hořlavé. Při jeho smíchání se vzduchem může dojít k prudkému vznícení nebo výbuchu. Tabelovaná hodnota viskozity 2-propanolu je 2,048 mPa.s při 25 °C (www.britannica.com).
2.6.1.4. Glycerin Glycerol, neboli glycerín, systematickým názvem propan-1,2,3-triol, je hygroskopická bezbarvá viskózní kapalina bez zápachu, sladké chuti. Je důležitou biogenní organickou sloučeninou, neboť je ve formě svých esterů součástí tuků. Viskozita
175 mPa·s (20 °C)
Glycerol je slabě jedovatý. V menších dávkách způsobuje bolesti hlavy, žaludeční potíže a zvracení. Ve větších dávkách může způsobit poškození jater. Ve zředěném stavu se používá ke zvlhčování pokožky a sliznic, neboť váže atmosférickou vlhkost a tím ji přenáší do povrchu těla; naopak použití čistého glycerinu je nevhodné, protože naopak z pokožky odčerpává vlhkost a tím ji vysušuje. Glycerol se používá mj. v kosmetických výrobcích, zejména jako přísada v hydratačních krémech a mýdlech, jako přísada do zubních past, při výrobě plastických hmot (zejména jako změkčovadlo), léčiv, žvýkaček, past, barviv a výbušnin. Používá se též při výrobě bezvodého ethanolu pro odstranění příměsi vody. Je součástí nemrznoucích směsí, většinou v kombinaci s ethylenglykolem. V potravinářském průmyslu se užívá jako přísada pro úpravu nápojů a méně kvalitních vín, jako sladidlo např. v šlehačkách v bombičkách, jako změkčovadlo želé a jiných cukrovinek atp. Jako součást potravin má označení E 422. 18
V lékařství se užívá při léčbě otoku mozku jako přísada infuzí, ke snižování nitroočního tlaku, při zácpách ke změkčení stolice ve formě glycerinových čípků nebo jako součást klystýrů (www.britannica.com).
2.6.2. Nenewtonovské kapaliny
2.6.2.1. Albumin Albumin je jeden z proteinů krevní plazmy, tvoří 60 % všech plazmatických bílkovin. Kromě krve se vyskytuje také v dalších tělních tekutinách, jako je tkáňový a mozkomíšní mok. Je důležitý hlavně při transportu různých látek krví (mastné kyseliny, minerály, léky) a pomáhá také udržet stálé vnitřní prostředí organismu. Albumin je, podobně jako většina proteinů krevní plazmy, syntetizován v játrech. Ty produkují za den asi 12 g albuminu, což je 50% proteinů vylučovaných játry a čtvrtina celkových proteinů v játrech tvořených. Proto se jakákoliv porucha schopnosti jater syntetizovat proteiny projeví sníženým množstvím albuminu. Zhruba 42% celkového tělního albuminu se nachází v plazmě, zbytek je ve tkáních, hlavně v podkoží a ve svalech. Nepatrné množství (120 – 300 mg/l) proniká přes hematoencefalickou bariéru do mozkomíšního moku. Směnitelný pool albuminu (= tzn. množství ihned dostupného albuminu v organismu) je asi 3,5 – 5,0 g/kg. Biologický poločas albuminu je asi 20 dní, poté je odbouráván, hlavně endoteliemi (buňkami tvořící výstelku) krevních kapilár. Malé množství albuminu proniká do moči, ztrácí se také difúzí do trávicí trubice. Albumin je protein elipsoidního tvaru, tvořený jediným polypeptidovým řetězcem o 585 aminokyselinách. Obsahuje 17 disulfidových můstků a působením proteáz se štěpí na tři domény s rozdílnými funkcemi. Molekulová hmotnost albuminu je 67 kDa. Albumin
na
rozdíl
od
ostatních
plazmatických
(www.wikipedia.org).
19
proteinů
není
glykoproteidem
Obr. 5 Lidský albumin, nesoucí šest molekul kyseliny palmitové (wikipedia).
2.6.2.2. Agarosa Agaróza je součástí agaru, což je směs polysacharidů obsažených v některých mořských řasách. Často se používá pro přípravu gelů pro elektroforetické dělení biopolymerů jako je DNA či RNA. Gel je želatině podobná hmota, tvořená prostorovou sítí vláken určitého typu polymeru (v našem případě agarózy) (www.wikipedia.org).
2.6.2.3. Krev Krev je kapalná cirkulující tkáň složená z tekuté plazmy a buněk. Krev je kapalná tkáň a její funkcí je transport kyslíku po těle. Zásobuje tkáně živinami, odvádí odpadní produkty a obsahuje různé komponenty imunitního systému, které chrání tělo před infekcí. Hormony jsou přenášeny krví. Krev tvoří asi 8 % hmotnosti těla savců. Je červená v rozsahu od světle červené – když je okysličená, po tmavě červenou – když není. Červená barva pochází z
20
hemoglobinu, což je metaloproteinová sloučenina obsahující železo ve formě chemické struktury – kofaktoru hemu, na který se váže kyslík. Krev putuje v cévách a její oběh je zajišťován srdcem, svalovou pumpou. Proudí do plic pro okysličení a pak je cirkulována tělem přes tepny. Do tkání pak kyslík prostupuje přes tenké kapilární tepénky zvané vlásečnice. Pak se vrací do srdce žílami. Krev je složena z několika typů krvinek a tyto formované elementy krve tvoří asi 45 % celé krve. Ostatních 55 % je krevní plazma – nažloutlá tekutina, která je kapalným mediem krve. Normální pH lidské arteriální krve je asi 7,40. Mechanika proudění krve hraje důležitou roli ve výzkumu a pokroku při léčení různých kardiovaskulárních chorob. Z tohoto důvodu byl vyvinut nový počítačem řízený kapilární viskozimetr umožňující měřit viskozitu krve v širokém rozsahu (Alexy T. a kol., 2005).
2.6.2.3.1. Popis krvinek
Červené krvinky - erytrocyty (96 %). U savců chybí buněčné jádro a organely, jsou to neplnohodnotné buňky. Obsahují hemoglobin a distribuují kyslík. Jejich životnost se pohybuje kolem 120 dní. Červené krevní buňky (spolu s endotelními cévními buňkami a některými jinými buňkami) jsou též označeny proteiny, které definují různé krevní typy. Bílé krvinky neboli leukocyty (3 %) jsou částí imunitního systému a eliminují původce infekcí. Trombocyty (krevní destičky) jsou odpovědny za srážení krve neboli koagulaci (sraženinu). Krevní plazma je v podstatě vodní roztok obsahující 90 % vody, 7 % plazmatických proteinů, 0,9 % anorganických solí a roznášené látky. Plazma a krvinky spolu tvoří nenewtonskou tekutinu, proudní vlastnosti jsou unikátně adaptovány do architektury krevních cév (www.wikipedia.org)
21
2.7. Využití měření viskozity v průmyslu Viskozita je kromě medicíny hojně využívána také v průmyslu a asi největší využití jejího měření je v oboru olejů a maziv. Oleje byli obecně rozděleny na viskozitní klasifikaci SAE a ISO.
2.7.1. Viskozitní klasifikace SAE SAE je zkratka Society of Automotive Engineers, společnosti, která rozdělila na základě rozdílných viskozit všechny motorové a převodové oleje do několika skupin, tzv. viskozitních tříd. Tyto třídy jsou charakterizovány většinou dvěma čísly. První číslo charakterizuje období použití:pro zimu 0 až 25, pro léto 20 až 60. Nejsou to ani hodnoty viskozit ani teplot. Jsou to pouze symboly, které odpovídají určitým viskozitám při daných teplotách. Aby byly jednoznačně odlišeny oleje letní a zimní, tzv. monogradní, používá se u olejů zimních za číslem viskozitní třídy symbol „W“. Byli vyvinuty též oleje tzv. multigrádní pro celoroční provoz. Druhé číslo charakterizuje vlastnosti oleje za vyšších teplot.
2.7.2. Viskozitní klasifikace ISO S výjimkou motorových a převodových olejů popsaných ve třídách SAE se provádí také velice běžně členění ostatních maziv podle klasifikace viskozity ISO. V této ISO VG (International Organisation for Standardization - Viscosity Grade) je normováno 18 viskozitních tříd v rozmezí 2 mm2/s do 1500 mm2/s. Předepsána je pouze jedna tzv. střední viskozita při 40 °C, která se smí v jedné viskozitní třídě odchýlit o 10 % směrem nahoru nebo dolů. Hydraulický olej třídy ISO VG 46 se musí tedy pohybovat v rozmezí 41,4 mm2/s (spodní limit) a 50,5 mm2/s (horní limit).
2.7.3. Viskozitní klasifikace převodových olejů Principiálně je viskozitní klasifikace převodových olejů totožná s klasifikací olejů motorových. Symboly označování jsou 70 – 85 u zimních a 80 – 250 u letních olejů. Hodnotí se také chování za nízkých a vysokých teplot.
22
3. Materiály a metody 3.1. Popis měření Nejprve byli připraveny roztoky vybraných kapalin, které jsme se rozhodli pro měření využít.Viskozita těchto kapalin pak byla měřena postupně na rotačním a Ostwaldově viskozimetru v závislosti na teplotě roztoku a to v rozsahu teplot 30°C – 42°C. U Ostwaldova viskozimetru byly pro každou hodnotu teploty v daném rozsahu naměřeny tři časové hodnoty, které byli potom průměrovány a výsledná hodnota byla dále použita pro výpočet.
3.2. Použité chemikálie Newtonovské kapaliny: Destilovaná voda Agarosa 0,1 % roztok Fyziologický roztok Isopropyl alkohol 80% roztok Glycerin bezvodý 99,5 %
Nenewtonovské kapaliny: Albumin hovězí 100 µmol/l roztok Albumin vaječný 100µmol/l roztok Albumin vaječný 70g/l Albumin vaječný 140g/l Koňská krev v citrátu sodném 0,4% roztok Popis jednotlivých kapalin je uveden v teoretickém úvodu této práce
23
3.3. Použité přístroje Rotační viskozimetr VISCO STAR plus Kapilární výtokový Ostwaldův viskozimetr Laboratorní váhy Použité přístroje jsou popsány v teoretické části této práce.
24
4. Výsledky měření 4.1. Newtonovské kapaliny 4.1.1. Porovnání dvou různých měření hodnot viskozity destilovamé vody rotačním viskozimetrem a jejich porovnání s tabulkovými hodnotami Výsledky jsou uvedeny v jednotkách mPa.s Tabulka č. 1 T (°C)
Měření 1
Měření 2
Tab. hodnota
30
1,8
1,79
0,8
31
1,78
1,77
0,79
32
1,76
1,75
0,78
33
1,75
1,73
0,766
34
1,74
1,72
0,74
35
1,72
1,69
0,72
36
1,7
1,68
0,7
37
1,69
1,65
0,685
38
1,68
1,63
0,67
39
1,67
1,61
0,655
40
1,66
1,59
0,64
41
1,63
1,57
0,63
42
1,58
1,51
0,61
Visco star plus: nástavec LCP, RPM:200
25
Graf č.1
Porovnání výsledku měření pro dest. vodu 5
v (mPas)
4
3
Měření 1 (mPas) Měření 2 (mPas) Tab. hodnota (mPas)
2
1
0 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 T (°C)
Pro měření 1 a 2 jsou naměřené hodnoty prakticky totožné a pohybují se nad hranicí 1,5 mPa.s.S rostoucí teplotou hodnoty viskozit mírně klesají.Tabelované hodnoty pro vodu jsou v rozsahu 0,6mPa.s až 0,8 mPa.s.
26
4.1.2. Bezvodý glycerin 99,5% Výsledky jsou uvedeny v jednotkách mPa.s Tabulka č.2 Teplota (°C)
visco star plus (mPa.s)
Ostwald (mPa.s)
30
338,20
183,60
31
312,80
177,21
32
285,60
171,56
33
263,00
150,48
34
291,00
145,04
35
266,00
139,64
36
242,70
131,69
37
218,00
124,26
38
198,50
102,65
39
175,50
98,80
40
155,80
93,68
41
128,50
89,07
42
72,30
88,48
Visco star plus:nástavce L2 a L3,
Tabelovaná hodnota při 20 °C je 175 mPa.s. Graf č.2
Glycerin 500
mPas
400 300
visco star plus Ostwald
200 100 0 30
32
34
36
38
40
42
Teplota (°C)
Výrazný schod v hodnotách výsledků při měření rotačním viskozimetrem Visco star plus mezi 33 a 34 °C byl zapříčiněn nutností vyměnit nástavec L2 za nástavec L3.Jelikož rozsah měřené viskozity glicerinu byl větší než rozsah nástavce L2.Naměřené hodnoty se pohybují v rozsahu 70mPa.s – 340 mPa.s a s rostoucí teplotou hodnoty viskozity výrazně klesají.
27
4.1.3. Fyziologický roztok Výsledky jsou uvedeny v jednotkách mPa.s Tabulka č.3 T (°C) 33
Visco Star plus 1,85
Ostwaldův viskozimetr 0,72
34
1,83
0,71
35
1,84
0,71
36
1,84
0,69
37
1,86
0,66
38
1,87
0,66
39
1,87
0,65
40
1,87
0,64
41
1,86
0,62
42
1,85
0,65
Visco star plus:nástavec LCP, RPM:200 Tabelované hodnoty jsou prakticky totožné jako pro destilovanou vodu. Graf č. 3
Fyziologický roztok 5
4
3 mPas
Visco Star plus (mPas) Ostwaldův viskozimetr (mPas)
2
1
0 33
35
37
39
41
T (°C)
Pro rotační viskozimetr s hodnoty pohybují pod hranicí 2 mPa.s. U Ostwaldova viskozimetru jsou hodnoty nižší než 1 mPa.s. Se zvyšující se teplotou zůstává hodnota viskozity přibližně stejná.
28
4.1.4. Isopropylalkohol 80% roztok Výsledky jsou uvedeny v jednotkách mPa.s Tabulka č.4 T (°C) 33
Visco Star plus 2,27
Ostwaldův viskozimetr 1,22
34
2,26
1,19
35
2,26
1,17
36
2,25
1,11
37
2,24
1,08
38
2,22
1,06
39
2,2
1,03
40
2,16
1,01
41
2,11
0,97
42
2,07
0,94
Visco star plus:nástavec LCP, RPM:200
Tabelovaná hodnota je 2,048 mPa.s při 20°C Graf č. 4 Isopropylalkohol 5
mPas
4
3
Visco Star plus (mPas)
2
Ostwaldův viskozimetr (mPas)
1
0 33
35
37
39
41
T (°C)
Pro rotační viskozimetr se hodnoty pohybovaly nad 2 mPa.s.U Ostwaldova viskozimetru byly hodnoty okolo 1 mPa.s.Se zvyšující se teplotou docházelo k poklesu hodnot viskozity 29
4.2. Nenewtonovské kapaliny 4.2.1. Hovězí Albumin (BSA) 100 µmol/l roztok Hodnoty jsou uvedeny v jednotkách mPa.s Tabulka č.5 T (°C) 30
Visco Star plus 1,84
Ostwaldův viskozimetr 0,73
31
1,83
0,73
32
1,83
0,74
33
1,84
0,73
34
1,86
0,7
35
1,86
0,704
36
1,86
0,688
37
1,88
0,67
38
1,88
0,65
39
1,86
0,64
40
1,74
0,644
Visco star plus: nástavec LCP, RPM:200 Graf č. 5
Albumin (hovězí) 5
4
Visco Star plus (mPas)
mPas
3
Ostwaldův viskozimetr (mPas)
2
1
0 30
32
34
36
38
40
T (°C)
Hodnota naměřená na Ostwaldově viskozimetru se pohybuje pod hranicí 1 mPa.s.Na rotačním viskozimetru se hodnota viskozity blíží k 2 mPa.s.U rotačního viskozimetru se hodnoty v rozsahu teplot příliš nemění, u Ostwaldova s rostoucí teplotou mírně klesají.
30
4.2.2.Porovnání měření hovězího albuminu 100 µmol roztok 4.2.2.1. Porovnání měření získaných Ostwaldovým viskozimetrem Výsledky jsou uvedeny v jednotkách mPa.s Tabulka č. 6 T (°C)
Měření 1 (mPa.s) 0,73
30
Měření 2 (mPa.s) 0,55
31
0,73
0,55
32
0,74
0,54
33
0,73
0,55
34
0,7
0,53
35
0,704
0,52
36
0,688
0,51
37
0,67
0,5
38
0,65
0,48
39
0,64
0,47
40
0,644
0,47
41
0,45
42 Visco star plus: nástavec LCP, RPM:200
0,45
Graf č. 6 Porovnání měření hovězího Albuminu Ostwaldovým viskozimetrem 3 2,5
v (mPas)
2 Měření 1
1,5
Měření 2
1 0,5 0 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 T (°C)
Mezi měřením 1 a 2 je vidět rozdíl přibližně 0,2 mPa.s,který je zřejmý v průběhu celého měření.S rostoucí teplotou dochází u obou měření k mírnému snížení hodnot viskozity.
31
4.2.2.2. Porovnání měření získaných rotačním viskozimetrem Výsledky jsou uvedeny v jednotkách mPa.s Tabulka č. 7 T (°C)
Měření 1 (mPa.s) 1,84
Měření 2 (mPa.s)
30 31
1,83
1,93
32
1,83
1,93
33
1,84
1,93
34
1,86
1,94
35
1,86
1,95
36
1,86
1,94
37
1,88
1,94
38
1,88
1,94
39
1,86
1,95
40
1,74
1,95
1,93
41
1,94
42
1,86
Visco star plus: nástavec LCP, RPM:200
Graf č. 7 Porovnání měření hovězího Albuminu rotačním viskozimetrem 3 2,5
v (mPas)
2 Měření 1
1,5
Měření 2
1 0,5 0 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 T (°C)
Pro měření 1 a 2 nebyl možno použít stejný rozsah teplot.Hodnoty viskozity pro tyto dvě měření se liší přibližně o 0,1 mPa.s.Se zvyšující se teplotou nedochází k výraznému růstu nebo poklesu hodnot viskozit 32
4.2.3. Albumin vaječný 44,4 g/l Výsledky jsou uvedeny v jednotkách mPa.s Tabulka č. 8 T (°C) 30
Visco Star plus 1,89
Ostwaldův viskozimetr 0,81
31
1,87
0,8
32
1,84
0,8
33
1,83
0,78
34
1,8
0,78
35
1,77
0,77
36
1,76
0,74
37
1,75
0,73
38
1,73
0,72
39
1,7
0,71
40
1,67
0,7
41
1,65
0,68
42
1,61
0,662
Visco star plus: nástavec LCP, RPM:200 Graf č. 8
Albumin vaječný 44,4 g/l 5
4
3 mPas
Visco Star plus (mPas) Ostwaldův viskozimetr (mPas)
2
1
0 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 T (°C)
Hodnoty naměřené rotačním viskozimetrem se pohybují pod hranicí 2 mPa.s.Na Ostwaldově viskozimetru byly hodnoty nižší než 1 mPa.s.Se zvyšující se teplotou docházelo k poklesu hodnot viskozity.
33
4.2.4. Albumin vaječný 70 g/l roztok Výsledky jsou uvedeny v jednotkách mPa.s Tabulka č. 9 T (°C)
Visco star plus (mPa.s)
Ostwald (mPa.s)
30
2,54
0,66
31
2,5
0,64
32
2,5
0,64
33
2,45
0,61
34
2,43
0,1
35
2,4
0,62
36
2,37
0,61
37
2,35
0,62
38
2,3
0,59
39
2,26
0,6
40
2,22
0,59
41
2,17
0,57
42
2,14
0,58
Visco star plus: nástavec LCP, RPM:200
Graf č. 9 Albumin vaječný 70g/l 5
v (mPas)
4
3 Visco star plus Ostwald 2
1
0 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 T (°C)
Pro rotační viskozimetr se hodnoty pohybují nad hranicí 2 mPa.s. Hodnoty naměřené na Ostwaldově viskozimetru jsou nižší než 1 mPa.s. Se zvyšující se teplotou docházelo k poklesu hodnot viskozity
34
4.2.5. Albumin vaječný 140 g/l roztok Výsledky jsou uvedeny v jednotkách mPa.s Tabulka č. 10 T (°C)
Visco star plus (mPa.s)
Ostwald (mPa.s)
30
2,93
0,83
31
2,91
0,82
32
2,88
0,79
33
2,87
0,78
34
2,85
0,78
35
2,83
0,75
36
2,81
0,75
37
2,79
0,72
38
2,77
0,73
39
2,73
0,69
40
2,69
0,66
41
2,65
0,66
42
2,6
0,64
Visco star plus:nástavec LCP, RPM:200
Graf č. 10 Albumin vaječný 140g/l 5
v (mPas)
4
3 Visco star plus Ostwald 2
1
0 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 T (°C)
Pro rotační viskozimetr se hodnoty pohybují nad hranicí 2 mPa.s. Hodnoty naměřené na Ostwaldově viskozimetru jsou nižší než 1 mPa.s. Se zvyšující se teplotou docházelo k poklesu hodnot viskozity
35
4.2.6. Koňská krev v citrátu sodném 0,4% Výsledky jsou uvedeny v jednotkách mPa.s Tabulka č. 11 teplota(°C)
krev visco star
krev X visco star
krev Ostwald
30
5,76
4,20
1,84
31
5,54
4,10
2,20
32
5,35
4,01
1,78
33
5,08
3,92
2,00
34
4,80
3,84
2,03
35
4,54
3,76
2,01
36
4,35
3,70
1,80
37
4,22
3,65
1,66
38
4,35
3,63
1,75
3,50
1,55
39 40
1,55
41 1,60 Visco star plus: nástavec LCP, RPM:100 krev X je krev,která byla před počátkem zahřátá na 50°C (možné chem. Změny)
Tabelovaná hodnota pro krev je 3,0 – 3,6 mPa.s při 37°C Graf č. 11
Koňská krev 10 9 8
mPas
7 6
krev visco star krev X visco star krev Ostwald
5 4 3 2 1 0 30
32
34
36
38
40
Teplota (°C)
Pro Ostwaldův viskozimetr se hodnoty pohybují kolem 2 mPa.s a s rostoucí teplotou mírně klesají.U rotačního viskozimetru se hodnoty pohybují v rozsahu 4mPa.s – 6mPa.s a s rostoucíteplotou klesají.U krve X je hodnota okolo 4 mPa.s a s rostoucí teplotou se hodnoty snižují pozvolněji.
36
4.2.7. Agarosa 0,1% roztok Výsledky jsou uvedeny v jednotkách mPa.s Tabulka č. 12 T (°C) 30
Visco Star plus 2,24
Ostwaldův viskozimetr 1,02
31
2,02
0,88
32
1,93
0,86
33
1,89
0,84
34
1,86
0,82
35
1,85
0,81
36
1,83
0,8
37
1,79
0,78
38
1,78
0,76
39
1,73
0,75
40
1,71
0,73
41
1,66
0,72
Visco star plus: nástavec LCP, RPM:200
Graf č. 12
Agarosa 5
4
3 mPas
Visco Star plus (mPas) Ostwaldův viskozimetr (mPas)
2
1
0 30
32
34
36
38
40
42
T (°C)
U rotačního viskozimetru se hodnoty pohybují okolo 2 mPa.s. Hodnoty naměřené Ostwaldovým viskozimetrem se blíží k 1 mPa.s. Se zvyšující se teplotou docházelo ke snižování hodnot viskozity.
37
5. Diskuze V první části této práce byla měřena viskozita newtonovských kapalin a jejich teplotní závislosti pro ověření správnosti měření použitých přístrojů. Pro prováděná měření byly po úvaze vybrány dva viskozimetry. Ostwaldův výtokový viskozimetr a rotační viskozimetr Visco star plus. Dále bylo ještě zvažováno použití bublinkového viskozimetru, ale ten se nakonec jevil pro měření nevhodný. Důvodem byly značně nepřesné výsledky a velmi nízká reprodukovatelnost měření. Pro účely této práce bylo vybráno deset kapalin, 4 newtonovské a 6 nenewtonovských. Podrobnosti o těchto kapalinách byly již uvedeny v teoretickém úvodu této práce. Greenwood a kol. (2006) použili ve své práci jako srovnávací kapaliny tzv. „sugar water“ (oslazená voda) a jako zástupce nenewtonovských kapalin zvolili silikonový olej,jejich měření se však týkalo jiné problematiky než v tomto případě.. Teplotní závislost pro měření byla zvolena v rozmezí 30°C – 42°C.
5.1. Newtonovské kapaliny Základní kapalinou,která byla při měření použita byla destilovaná voda. U rotačního viskozimetru
bylo
provedeno
několik
měření
a
to
hlavně
za
účelem
zjištění
reprodukovatelnosti a správnosti výsledků tohoto přístroje.U Ostwaldova viskozimetru byla destilovaná voda použita jako referenční kapalina, pomocí níž se srovnáním určovaly hodnoty viskozity ostatních měřených kapalin. Toto je jeden z hlavních důvodů, proč výsledky měření kapalin o vysoké viskozitě neodpovídají realitě. Při pohledu na výsledky měření rotačním viskozimetrem (tabulka č. 1) vidíme, že naměřené hodnoty jsou, až na drobné rozdíly v řádu desetin mPa.s, totožné.To v tomto případě dokazuje relativně uspokojivou reprodukovatelnost výsledků měření rotačním viskozimetrem. Drobné rozdíly byli zřejmě způsobeny vlivem okolních podmínek (teplota, tlak, vlhkost). U glycerinu je udávána tabelovaná hodnota 175 mPa.s při 20°C. Pokud tuto hodnotu srovnáme s hodnotami naměřenými rotačním viskozimetrem (tabulka č. 2) vidíme, že se značně liší. U Ostwaldova viskozimetru jsou naměřené hodnoty bližší hodnotám tabelovaným, i když jim neodpovídají. Hodnota viskozity pro 20 °C naměřena nebyla,ale pokud bychom pokládali vzrůst viskozity s klesající teplotou za lineární (graf č. 2), pak by
38
hodnota při 20 °C byla přibližně 273 mPa.s. Tento rozdíl může být způsoben příliš vysokou viskozitou měřené kapaliny (špatně protékala kapilárou viskozimetru) nebo je zde na vině chyba, která při měření vznikla, zřejmě nesprávným měřením času. Nepřesnost měření časového úseku byla kompenzována provedením několika po sobě jdoucích měřeních, která byla průměrována. Přesto byla tato chyba dost velká. Nejlepším a nejpřesnějším řešením by bylo odstranit z měření lidský faktor a měření času provádět elektronicky, což by tuto chybu výrazně eliminovalo. Dalšími měřenými kapalinami byl isopropylalkohol a fyziologický roztok. Fyziologický roztok má tabelovanou hodnotu prakticky stejnou jako destilovaná voda. Při porovnání s hodnotami získanými na Ostwaldově viskozimetru (tabulka č. 3) se rozdíly pohybovaly v rozmezí 1,4 – 6,5 %, což s přihlédnutím k dané chybě měření lze považovat za uspokojivé. Hodnoty získané rotačním viskozimetrem byly v celém rozsahu teplot až na drobné rozdíly v řádu setin mPa.s konstantní a odlišnost od tabelovaných hodnot byla v rozmezí 41– 103%.Z tohoto důvodu nelze tyto výsledky za správné považovat. Tabelovaná hodnota isopropylalkoholu je 2,048 mPa.s při 20°C. Pro tuto teplotu nebyla hodnota viskozity naměřena,ale pokud by byl brán v úvahu lineární vzrůst hodnot viskozity s klesající teplotou (graf č. 4), tak při 20°C by se hodnota naměřená na Ostwaldově viskozimetru (tabulka č. 4) s přihlédnutím k tomu, že byl použit 80 % roztok a při dané chybě měření tabelované hodnotě blížila.Rozdíl činil asi 0,3 mPa.s. Hodnoty získané na rotačním viskozimetru jsou opět značně rozdílné. Z tohoto lze tedy usuzovat, že rotační viskozimetr je pro měření newtonovských kapalin o nízké viskozitě nevhodný. Vhodnějším pro tento typ měření se jeví viskozimetr Ostwaldův, i když měření na něm je zatíženou chybou.
39
Graf č. 13 Newtonovské kapaliny
5 4,5 4 3,5
Isopropylalk. Rot. Fyziol. Roztok rot.
mPas
3
Voda rot. Isopropylalk. Ost.
2,5
Fyziol. Roztok Ost. 2
Voda (tab)
1,5 1 0,5 0 33
34
35
36
37
38
39
40
T (°C)
V grafu č. 13 jsou uvedeny kompletní výsledky měření viskozity newtonovských kapalin.Vynechány byly pouze hodnoty glycerinu,kvůli přehlednosti grafu ( příliš vysoké hodnoty).Je zde zřetelně vidět rozdíl mezi naměřenými hodnotami na rotačním a Ostwaldově viskozimetru u všech kapalin (posun přibližně o 1 mPa.s).
40
Graf č. 14 Nenew tonovské kapaliny
6 koňská krev Ost. 5
Albumin vaj. 70g/l Ost. Albumin vaj.140 g/l Ost. Albumin(hov.) Ost.
4
mPas
Albumin(vaj.) 44,4g/l Ost. Albumin(hov.) rot. 3
Albumin(vaj.) 44,4g/l rot koňská krev rot. koňská krev X rot.
2
Albumin vaj. 70g/l rot. Albumin vaj.140 g/l rot. Agarosa rot.
1
Agarosa Ost. 0 33
34
35
36
37
38
39
40
T (°C)
V grafu jsou uvedeny kompletní výsledky měření nenewtonovských kapalin. V grafu je zřetelně vidět zvyšující se hodnota viskozity pro vzrůstající koncentraci roztoku vaječného albuminu a také souměrný pokles hodnot se zvyšující se teplotou.
5.2. Nenewtonovské kapaliny S přihlédnutím k možnostem byl u nenewtonovských kapalin použit roztok vaječného albuminu ve třech různých koncentracích, hovězí albumin (BSA) a koňská krev. Při práci s těmito kapalinami bylo důležité dbát na to, aby nedošlo k nadměrnému zahřátí a možným konformačním změnám (denaturaci). Pro porovnání více měření byl v tomto případě vybrán hovězí Albumin (BSA). Při opakovaném měření byli rozdíly naměřených výsledků u rotačního viskozimetru (tabulka č.7) přibližně 0,1 mPa.s,což odpovídá asi 5 %, tato hodnota spadá do rozsahu chyby měření přístroje udávané výrobcem.U Ostwaldova viskozimetru byl rozdíl v naměřených hodnotách (tabulka č. 8) přibližně 0,2 mPa.s v celém rozsahu teplot, což s přihlédnutím k naměřeným
41
hodnotám činí průměrně 30%. Tyto výsledky ukazují na značnou nepřesnost měření, při použití výtokového viskozimetru. Dále byly zkoumány 3 roztoky vaječného albuminu o rozdílných koncentracích (44,4 g/l, 70 g/l a 140 g/l). S rostoucí koncentrací roztoku byli dle očekávání naměřeny vyšší hodnoty viskozity (graf č. 14). Pro koňskou krev byla zjištěna tabulková hodnota 3,0 – 3,6 mPa.s při 37°C. Hodnoty naměřené na obou viskozimetrech se značně lišily od hodnot tabelovaných. U Ostwaldova viskozimetru činil tento rozdíl přibližně 1,6 mPa.s a u rotačního 0,92 mPa.s.Pro měření na Ostwaldově viskozimetru byla chyba zřejmá už při průběhu měření, kdy krev zůstávala na stěnách trubice a z tohoto důvodu nebylo možné přesně určit čas, za který kapalina projde mezi dvěma ryskami. Zajímavé je také porovnání hodnot naměřených pro krev a krev X, která byla před měřením zahřáta až na 50°C. Rozdíl naměřených hodnot je zřejmý i na přiloženém grafu (graf č. 11). Tento rozdíl je zřejmě zapříčiněn agregací krvinek, případně konformačními změnami biomakromolekul. Zajímavé je, že hodnota viskozity krve X při snížení teploty na 37°C byla 3,65 mPa.s, což odpovídá tabelovaným hodnotám přesněji, než pokud byla měřena krev zahřátá na 38°C. Tento výsledek by pro důkladnější diskusi ovšem vyžadoval několikanásobné opakování (reprodukovatelnost), případně ověření jiným způsobem měření (kapilární viskozimetr). Poslední měřenou látkou byla agarosa. Je to vlastně rozpuštěný roztok gelu, předpokladem je tedy pokles viskozity s rostoucí teplotou.Jak je vidět z výsledků (tabulka č. 12), byl tento předpoklad splněn pokles hodnot naměřený oběma viskozimetry měl prakticky totožný průběh (graf č. 12). Z naměřených výsledků vyplývá, že pro měření viskozity newtonovských kapalin o nízké viskozitě se hodí lépe Ostwaldův viskozimetr, i když měření na něm je zatíženo určitou chybou. Rotační viskozimetr se v tomto případě jeví jako nevhodný. Pro měření viskozity nenewtonovských kapalin se lépe osvědčil rotační viskozimetr. Hodnoty získané Ostwaldovým viskozimetrem byly od reálných hodnot mnohem vzdálenější.
42
6. Závěr V této práci byla postupně naměřena viskozita deseti různých kapalin (newtonovských a nenewtonovských) v daném rozsahu teplot. Pro tato měření byly použity dva viskozimetry: rotační viskozimetr Visco star plus a výtokový Ostwaldův viskozimetr. Cílem práce bylo porovnat měření na těchto viskozimetrech u nenewtonovských kapalin a zjistit tak jejich použitelnost v praxi. Pro přehlednost a lepší ověření správnosti měření byla naměřena viskozita také pro některé kapaliny newtonovské. U newtonovských kapalin byly naměřené hodnoty porovnávány s hodnotami tabelovanými. V tomto případě bylo dosaženo uspokojivějších výsledků na Ostwaldově viskozimetru, i když bylo měření zatíženo zřejmou chybou. Rotační viskozimetr byl pro měření kapalin o nízké viskozitě shledán nevhodným, i když bylo zřejmé, že naměřené hodnoty byly v tomto případě lépe reprodukovatelné. Při porovnání naměřených výsledků nenewtonovských kapalin se naopak ukázala nevhodnost Ostwaldova viskozimetru, kdy již v průběhu měření bylo zřejmé, že výsledky nebudou odpovídat reálným hodnotám. Pro měření nenewtonovských kapalin se naopak lépe osvědčil rotační viskozimetr, jím získané výsledky byly nejen přesnější, ale navíc i reprodukovatelné. Dílčím úkolem této práce bylo vytvoření návrhu laboratorní úlohy k praktickým cvičením pro studenty lékařské fakulty Masarykovy Univerzity. Protokol laboratorní úlohy je přílohou předložené práce.
43
7. Seznam literatury
Alexy, Pais, Weby, Hogenauer, Toth, Menselman, Kensey , et al. Measurement of whole blood viscosity profiles via an automated viscometer: technical details and clinical relevance. Clin Lab., 2005;51(9-10):523
Bartovská , Šišková. Fyzikální chemie koloidních povrchů a soustav.VŠCHT, Praha,1999 Fischer scientific s.r.o. Rotační viskozimetr VISCO STAR plus- Návod k použití. Greenwood, Adamson, Bond. et. al. Measurement of the viscosity–density product using multiple reflections of ultrasonic shear horizontal Waves. Ultrasonics.Volume 44, Supplement 1,
22 December 2006, Pages e1031-e1036 .Proceedings of Ultrasonics
International (UI’05) and World Congress on Ultrasonics (WCU)
Maryška. Mechanika tekutin (podrobný text k přednáškám).Liberec, 2000. Elektronická publikace Technické univerzity v Liberci
Moore. Fyzikální chemie.1. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1979. 974 s.
Mornstein a kol. Biofyzikální praktikum. Brno, 2004. 150s. ISBN 8021029803 Maryška, J. Mechanika tekutin (podrobný text k přednáškám).Liberec, 2000.Elektronická publikace Technické univerzity v Liberci
Prosser. Experimentální metody biofyziky. Praha: Academia,1989. 712 s.
44
Thompson, Kaiser, Jorgenson. et. al. Viscosity measurements of methanol-water and acetonitrile-water mixtures at pressures up to 3500 bar using a novel capillary time-of-flight viscometer,Journal of Chromatography A.Volume 1134, Issues 1-2, 17 November 2006, Pages 201-209
Troyer. OilAnalysis Understanding Absolute and Kinematic Viscosity http://www.noria.com/learning_center/category_article.asp?articleid=294&relatedbookgroup, 2006 V práci byly použity na označených místech také informace z internetových stránek: http:// www.britannica.com http// www.wikipedia.org V práci byly také použity technické listy italské firmy NILS
45
46
