Viscosidade Cinemática: Conceitos e Normas ASTM

Inicialmente, neste artigo intitulado  ‘Viscosidade Cinemática: Conceitos e Normas ASTM’,  iremos abordar sobre as normas ASTM utilizadas para medição da viscosidade cinemática, explicando desde a sua origem, aplicação e importância de segui-las.

Abordaremos também sobre viscosidade e os equipamentos da Omnitek, descrevendo assim suas principais vantagens e qual o tipo de fluido para cada equipamento. Boa leitura!

NORMAS ASTM

Uma das normas mais utilizada e referenciada em artigos e em alguns equipamentos de uso laboratorial em pesquisas e desenvolvimento é a ASTM International.

Mas o que seria esta norma?

ASTM International, que em inglês significa American Society for Testing and Materials, é uma sociedade responsável pelo desenvolvimento, ensaio e a publicação de normas técnicas aplicadas para diversos serviços, materiais, produtos e sistemas.

Criada em 1898, a ASTM International é considerada a maior sociedade mundial de normas técnicas internacionais, com aproximadamente 140 comitês de 140 países. Neste artigo vamos falar dos seguintes tópicos da ASTM International:

1. Histórico
2. Objetivo e Importância
3. Benefícios
4. Aplicação

 

1. Histórico

A princípio a ASTM foi fundada e coordenada por Charles Benjamin Dudley em 1898, no Estados Unidos, sendo o pioneiro na uniformização na indústria.

Devido as frequentes quebras dos trilhos de trem, o grupo de engenheiros e de cientistas, liderados por Dudley desenvolveu um estudo no final do século XIX de uma norma para o aço utilizado nas ferrovias. Como resultado, elaborou a primeira norma para utilização do aço nas ferrovias. Dudley acabou sendo o presidente do grupo no período de 1902-1908 (SANTOS, 2019).

A partir de então, diversas entidades normatizadoras surgiram em países da Europa, tais como, a BSI (Grã-Bretanha – 1901), DIN (Alemanha – 1917) e AFNOR (França – 1926).

 

     2. Objetivo e Importância

O objetivo e a importância da ASTM concentram-se na publicação de normas técnicas, com o propósito de estabelecer regras e diretrizes baseadas em padrões rigorosos de qualidade. Dessa forma, promove-se a padronização em áreas como design, produção industrial e comércio. Além disso, os documentos disponibilizados pela entidade contêm especificações de qualidade — incluindo terminologia e métodos de ensaio — as quais são elaboradas por consenso entre as partes interessadas. Por conseguinte, essas normas se fundamentam nos resultados da experiência prática e no desenvolvimento tecnológico contínuo.

      3. Benefícios

Dentre os benefícios que as normas ASTM podem proporcionar estão:

• Certificação de qualidade, promovendo confiança e segurança do produto
• Alta compatibilidade com outros no mercado e mundialmente;
• Desenvolvimento e pesquisa para descobertas inovadoras seguindo modelos pré-existentes;
• Facilitação de comercialização e acesso ao mercado;
• Operações eficientes, seguras e com certificação internacional;

Além disso, também base para estudantes que pesquisam nas áreas de petróleo, ciência de materiais, energia, ambiente de construção, metais, tintas, plásticos, dentre outros.

     4. Aplicação

Quanto a aplicação, o órgão atende a uma ampla gama nos diversos setores do mercado, tais como:

• Agências de Normas Técnicas Nacionais;
• Setor industrial;
• Empresas, Universidades e Institutos de Pesquisa;
• Indústria Petroquímica;
• Governo e Defesa;
• Indústria Aeroespacial;
• Engenharia e construção;
• Química;
• Indústria Automotiva;
• Energia

Para falarmos então das ASTM ligadas à viscosidade cinemática, iremos trabalhar alguns conceitos adiante.

VISCOSIDADE: Diferença entre fluidos Newtoniados e não Newtonianos

Dentre as propriedades físicas do líquido, a viscosidade é a mais estudada nos escoamentos, pois oferece resistência interna que causa fricção entre as camadas do fluido que se movimentam com velocidades diferentes, dificultando o seu fluxo em tubulações, cavidades de moldes, entre outros. Consequentemente, entender seu comportamento é essencial para diversas aplicações industriais.

Além disso, a viscosidade é utilizada para o desenvolvimento e controle de qualidade de produtos, sendo crucial sua medição para inúmeras indústrias nos campos da química, farmácia e produção de alimentos, entre outras (BUIOCHI, et al., 2003; VERTCHENKO & VERTCHENKO, 2017).

A viscosidade pode ser classificada com base no comportamento dos fluidos em duas categorias: newtonianos e não-newtonianos.

No caso dos fluidos newtonianos, a viscosidade permanece constante com a variação na taxa e na tensão de cisalhamento. A tensão é diretamente proporcional à taxa de deformação. Por exemplo, óleos e soluções de polímeros se enquadram nessa categoria (FERREIRA, 2005).

Em contrapartida, nos fluidos não-newtonianos, a tensão de cisalhamento não é diretamente proporcional à taxa de deformação. Os valores da viscosidade variam conforme a taxa de cisalhamento. Por isso, essa viscosidade é considerada aparente e pode aumentar ou diminuir, dependendo das características específicas de cada fluido (FERREIRA, 2005).

Significado e uso

Muitos derivados de petróleo, e alguns materiais não petrolíferos, são usados como lubrificantes e a operação correta do equipamento depende da viscosidade apropriada do líquido que está sendo usado. Além disso, a viscosidade de muitos combustíveis petrolíferos é um fator importante para a estimativa de armazenamento, manuseio e condições operacionais ideais. Assim, a determinação precisa da viscosidade é essencial para muitas especificações de produto (ASTM International, 2020).

Para calcular a viscosidade dos produtos, é necessário seguir métodos descritos por normas. Abaixo iremos ver algumas dessas normas:

ASTM D445 – 03

Este é o método de teste padrão para viscosidade cinemática de líquidos transparentes e opacos, assim como para o cálculo da viscosidade dinâmica. Esse método especifica um procedimento para determinar a viscosidade cinemática de produtos de petróleo líquidos — tanto transparentes quanto opacos — medindo o tempo necessário para que um volume de líquido escoe sob gravidade por um viscosímetro capilar de vidro calibrado.

A viscosidade dinâmica é obtida ao se multiplicar a viscosidade cinemática pela densidade do líquido. Portanto, o resultado gerado por este método depende diretamente do comportamento da amostra. Como consequência, ele se aplica a líquidos nos quais a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento são proporcionais, ou seja, apresentam comportamento de fluido newtoniano.

Se, no entanto, a viscosidade variar significativamente com a taxa de cisalhamento, diferentes resultados podem surgir ao se utilizar viscosímetros capilares com diâmetros distintos. Por esse motivo, o procedimento e os valores de precisão para óleo combustível residual — que, sob certas condições, exibe comportamento não-newtoniano — também foram incluídos.

A faixa de viscosidades cinemáticas abrangida por este método vai de 0,2 a 300 000 mm²/s, considerando uma faixa de temperatura de 0 °C a 100 °C. A unidade do SI utilizada neste método para viscosidade cinemática é mm²/s, enquanto a unidade usada para viscosidade dinâmica é mPa·s. Como referência para o usuário, 1 mm²/s equivale a 10⁻⁶ m²/s ou 1 cSt, e 1 mPa·s equivale a 1 cP ou 0,001 Pa·s.

O equipamento de viscosidade cinemática automático indicado que atende esta norma são: S-flow IV⁺, viscosímetro BitUVisc e U-Visc.

ASTM D446 – 12(2017)

Esta norma segue uma especificação padrão que abrange as instruções operacionais para viscosímetros cinemáticos capilares de vidro dos tipos: Viscosímetros Ostwald modificados (ex.: viscosímetro de rotina Cannon-Fenske, viscosímetro Pinkevitch); Viscosímetros de nível suspenso (ex.: viscosímetro de Ubbelohde, de Bulbo-Ubbelohde  e viscosímetro de Diluição de Cannon-Ubbelohde, DIN Ubbelohde); Viscosímetros de fluxo reverso (ex.: viscosímetro opaco de Cannon-Fenske, viscosímetros Cross-Arm Zeitfuchs).

A norma, aprovada para uso por agências do Departamento de Defesa, abrange alguns viscosímetros amplamente utilizados e adequados tanto para uso conforme o Método de Ensaio D445. Além disso, outros viscosímetros capilares de vidro que conseguem medir a viscosidade cinemática dentro dos limites de precisão estabelecidos pelo D445 também podem ser utilizados. Portanto, os valores indicados no Sistema Internacional de Unidades devem ser considerados como padrão. Nenhuma outra unidade de medida está incluída nesta norma.

O equipamento de viscosidade cinemática automático indicado que atende esta norma seriam o viscosímetro BitUVisc e U-Visc.

ASTM D7279

Este método de ensaio mede a viscosidade cinemática de líquidos tanto transparentes quanto opacos, como óleos base, óleos formulados, óleo diesel, biodiesel, misturas de biodiesel, óleos combustíveis residuais, combustíveis navais e também óleos lubrificantes usados. Para essa finalidade, utiliza-se um viscosímetro Houillon no modo automatizado S-FLOW IV+. Além disso, o método garante precisão e repetibilidade, o que o torna adequado para aplicações industriais e laboratoriais. Consequentemente, ele tem sido amplamente adotado em análises de controle de qualidade.

A faixa de viscosidade cinemática capaz de ser medida por este método de teste é de 2 mm²/s a 2500 mm²/s. O intervalo depende da constante do tubo utilizada.

No mais a faixa de temperatura que o aparelho deve atingir está entre 20°C e 120°C. No entanto, a precisão foi determinada apenas para a faixa de viscosidade: 2 mm²/s a 478 mm²/s a ​​40°C para óleos base, óleos formulados, óleo diesel, biodiesel e misturas de biodiesel; 3 mm²/s a 106 mm²/s a ​​100°C para óleos básicos e óleos formulados; 25 mm²/s a 150 mm²/s a ​​40°C e 5 mm²/s a 16 mm²/s a ​​100°C para óleos lubrificantes usados; 25 mm²/s a 2500 mm²/s a ​​50°C e 6 mm²/s a 110 mm²/s a ​​100°C para combustíveis residuais. A faixa de viscosidade de um tubo Houillon é baseada no tempo de fluxo de 30s a 200s.

Os valores indicados nas unidades SI devem ser considerados como padrão. Nenhuma outra unidade de medida está incluída nesta norma.

O equipamento de viscosidade cinemática automático indicado que atende esta norma seria o S-Flow IV⁺.

ASTM D2270

É uma norma padrão para o cálculo do índice de viscosidade de produtos petrolíferos, como óleos lubrificantes, e materiais relacionados a partir da variação na viscosidade cinemática a mudanças na temperatura entre 40°C e 100°C. O índice de viscosidade é utilizado na prática como um número único, indicando dependência da temperatura da viscosidade cinemática. No entanto,  esta prática não se aplica a produtos petrolíferos com viscosidade cinemática inferior a 2,0 mm²/s a ​​100°C. Os valores indicados nas unidades SI devem ser considerados como padrão. Para referência do usuário, 1 mm²/s = 10^-6 mm²/s = 1 cSt.

O equipamento de viscosidade cinemática automático indicado que atende esta norma é o S-Flow IV⁺.

ASTM D2170

Esta norma atende ao método de teste padrão para viscosidade cinemática de asfaltos, determinando a consistência do asfalto líquido, óleo de estrada e resíduos de destilação de asfalto líquido, todos a 60°C [140°F] e de ligantes de asfalto líquido a 135°C [275°F] na faixa de 6 a 100.000 mm²/s [cSt]. Além disso as especificações são geralmente em temperaturas de 60 e 135°C.

Portanto o equipamento de viscosidade cinemática automático indicado que atende esta norma é o viscosímetro BitUVisc.

Tipos comuns de viscosímetro cinemático

•  Sistemas manuais de banho com temperatura constante

Nesses sistemas, o operador imerge os capilares de fluxo direto em um banho com temperatura controlada. Em seguida, aspira a amostra de óleo para dentro do tubo até alcançar o ponto inicial. Depois, libera a sucção para permitir que o óleo escoe por gravidade através da seção capilar controlada. A norma ASTM D 445 descreve o método de determinação da viscosidade cinemática e foi originalmente elaborada para procedimentos manuais.

Entretanto, os sistemas manuais de banho com temperatura constante apresentam algumas desvantagens. Por exemplo, no caso de óleos opacos ou escuros, é necessário adotar etapas adicionais. Além disso, o processo exige pelo menos 10 ml de óleo e demanda limpeza manual dos tubos após cada medição. Consequentemente, a operação se torna mais lenta e requer que o operador monitore manualmente o tempo de escoamento, o que limita o rendimento a cerca de 10 amostras por hora.

•  Sistemas viscosidade cinemática automático

A BIOVERA em parceria com a Omnitek fornece equipamentos para o cálculo de viscosidade cinemática automáticos, apresento alguns modelos e suas vantagens:

1.  Viscosímetro automático Omnitek S-Flow IV⁺

O sistema oferece todas as vantagens testadas e comprovadas de um projeto de tubo do tipo Houillon, entre elas:

• Aplicável a combustíveis, óleos básicos, óleos formulados e produtos petrolíferos, bem como fluidos à base de água;
• Em total conformidade com a ASTM D7279 e, como tal, fornece correlação completa com a ASTM D445.
• Amostrador automático opcional;
• Alcance de medição: 0,3 – 3000 mm²/s para 40ºC;
• Alto rendimento: até 80 amostras por hora;
• Substituição rápida e fácil do tubo padrão de fluxo;
• Pequeno volume de amostra (0,3-1ml) por teste;
• Baixo consumo de solvente (2-3mL) por ciclo;
• Tudo controlado a partir de uma interface central do usuário que cuida do armazenamento de resultados, controle de amostrador automático, cálculos de viscosidade e muito mais;
• Inclui limpeza com solvente duplo automático e teste duplo integrado, que obtém 2 determinações de tempo de fluxo com apenas 1 injeção de amostra;
• Tempo do ciclo é de 3 a 10 minutos por tubo;
• Testes simultâneos a 2 temperaturas em um sistema de 2 banhos com 2 tubos em cada banho, fornecendo um total de 4 tubos que funcionam de forma independente possibilitando o uso dos dois banhos na mesma temperatura, ou a uma temperatura diferente, variando de 20°C a 120°C.

Para maiores detalhes do Viscosímetro automático Omnitek S-Flow IV , clique aqui.    

     2. Viscosímetro automático Omnitek U-Vis

O sistema oferece todas as vantagens testadas e comprovadas de um projeto de tubo do tipo Design Ubbelohde, entre elas:

• Aplicável a combustíveis, óleos básicos, óleos formulados e outros produtos petrolíferos. Adequado para fluidos petroquímicos e amostras de soluções diluídas;
• Total conformidade com a norma ASTM D445, D446, ISO 3104 / 3105, IP 71;
• Alcance de medição: 0,15 e 25.000 mm²/s para 40°C;
• Totalmente automático;
• Carrossel com amostrador automático;
• Alto rendimento autônomo, de 10-40 amostras por hora;
• Facilidade de uso e confiabilidade e troca do tubo viscosímetro;
• Enchimento do viscosímetro pelo método de vácuo ou pressão;
• Requer apenas 8-16 ml de amostra;
• Disponível com limpeza com um ou dois solventes com baixo consumo de solvente, aproximadamente 12-15 ml para cada ciclo de limpeza, reduzindo assim gastos na compra e destinação de resíduos;
• Possui 1 banho com 1 ou 2 tubos, até 2 banhos com 1 ou 2 tubos por banho, onde cada banho funciona independentemente. Cada banho possui uma bandeja de amostragem com 16 amostras por tubo, permitindo operação autônoma em diferentes temperaturas;
• Controle independente ou PC;
• O fabricante fornece um software avançado para PC que coleta, armazena, calcula e gera relatórios de dados, podendo inclusive receber informações de vários instrumentos simultaneamente.
• Quimicamente resistente a uma ampla gama de fluidos e solventes;
• Versões diferentes disponíveis, cobrindo uma ampla variedade de requisitos;
• Design compacto;

Para maiores detalhes do Viscosímetro automático Omnitek U-Vis, clique aqui.

     3.  Viscosímetro automático Omnitek BitUVisc

Portanto, o sistema oferece todas as vantagens testadas e comprovadas de um projeto de tubo do tipo Design Ubbelohde, como por exemplo:

• Ideal para amostras altamente viscosas e instáveis, exemplo: combustíveis, óleos de base, óleos formulados, amostras altamente viscosas, como resíduos de vácuo, aditivos, produtos em bruto, ceras, óleos combustíveis pesados, polímeros, asfalto, etc.
• Total conformidade com a norma ASTM D445, ASTM D446, ASTM D2170, AASHTO T201.
• Alcance de medição: 0,75 a 120.000 mm²/s para 40°C;
• Controle de temperatura extremamente preciso, 15-150°C;
• Máximo rendimento, de 2 a 4 medições por hora;
• Troca fácil do tubo viscosímetro;
• Medição e limpeza totalmente automáticas;
• Introdução da amostra por vácuo;
• Controle independente ou PC;
• Limpeza com solvente duplo pré-aquecido;
• Quimicamente resistente a uma ampla gama de fluidos e solventes;

Além disso, o modelo possui um design compacto.

Para maiores detalhes do Viscosímetro automático Omnitek BitUVisc, clique aqui.

Enfim, se ainda ficou com dúvidas quanto ao processo ou sobre as especificações dos nossos equipamentos, entre em contato e fale com um de nossos especialistas.

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REFERÊNCIAS

Viscosidade Cinemática: Conceitos, Normas ASTM e Equipamentos

ASTM:

•  D445-03, Standard Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids (the Calculation of Dynamic Viscosity), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003, DOI: 10.1520/D0445-03, www.astm.org.
• D446-12(2017), Standard Specifications and Operating Instructions for Glass Capillary Kinematic Viscometers, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2017,  DOI: 10.1520/D0446-12R17, www.astm.org.
•  D2170 / D2170M-18, método de teste padrão para viscosidade cinemática de asfalto, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2018, www.astm.org.
•  D2270-10 (2016), Prática padrão para o cálculo do índice de viscosidade da viscosidade cinemática a 40 ° C e 100 ° C, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016, www.astm.org.
•  D7279-18e1, Standard Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids by Automated Houillon Viscometer, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2018, www.astm.org.ASTM International, 2020. Disponível em: <https://www.astm.org/>. Acesso em: 25 de março de 2020.
• BUIOCHI, F.; HIGUTI^, R.T.; FURUKAWA^, C.M.; SILVA^, E.C.N.; ADAMOWSKI^, J.C.. Medição de viscosidade de líquidos pelo método de múltiplas reflexões acústicas com conversão de modo. Sba Controle & Automação [online]. vol.14, n.3, pp.278-284, 2003.
• FERREIRA, E.E.; BRANDÃO, P.R.G; KLEIN, B.; PERES, A.E.C. Reologia de suspensões minerais: uma revisão. Rem: Rev. Esc. Minas, Ouro Preto, v. 58, n. 1, p. 83-87, 2005.FITCH, B. Anatomy of a Viscometer. Tulsa: Noria. Ago. 2013. Disponível em:

<https://www.machinerylubrication.com/Read/29451/anatomy-of-viscometer>. Acesso em: 27 de março de 2020.

• LAGUNA, G. Introducción al desarrollo de normas universales. 2015. Disponível em < https://slideplayer.es/slide/2347995/>. Acesso em: 27 de março de 2020.
• SANTOS, A.O. Usuários do Portal de Periódicos têm acesso à base de normas técnicas ASTM. Portal de Periódicos CAPES/MEC. Brasília, 03 de Julho de 2019. Disponível em: <https://www.periodicos.capes.gov.br/?option=com_pnews&component=NewsShow&view=pnewsnewsshow&cid=748&mn=71>. Acesso em: 25 de março de 2020.
• VERTCHENKO, L.; VERTCHENKO, L., Determinação da viscosidade por meio da velocidade terminal: uso da força de arrasto com termo quadrático na velocidade, Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 39, nº 4, 2017.