[대한약전/KP] 점도측정법

점도측정법

Viscosity Determination

 

점도측정법은 검체의 점도를 점도계로 측정하는 방법이다. 
액체가 일정한 방향으로 운동하고 그 흐름에 수직인 방향에 속도의 차이가 있을 때 그 흐름에 평행한 평면의 양측에 내부마찰력이 생긴다. 이 성질을 점성이라 한다. 흐름에 평행한 평면의 단위면적당 내부마찰력을 전단응력 (剪斷應力)이라 하며 흐름에 수직인 방향의 속도기울기를 전단속도라고 한다. 전단응력이 전단속도에 비례하는 액체를 뉴턴액체라고 한다. 그 비례정수 η는 일정온도에서 그 액체의 고유한 정수로 점도라 한다. 그 단위는 파스칼초 (Pa·s)를 쓰지만 보통 밀리파스칼초 (mPa· s)로 표시한다. 
또한 전단응력이 전단속도에 비례하지 않는 액체는 비뉴턴액체라 하고 이 액체의 점도는 전단속도에 따라 여러 가지로 변화한다는 점에서 겉보기점도라 한다. 이 경우 전단응력을 이것에 대응하는 전단속도로 나눈 값이 겉보기점도이고, 전단속도와 겉보기점도의 관계가 얻어지면 이 비뉴턴 액체의 유동 특성을 알 수 있다. 
점도 η를 같은 온도의 그 액체의 밀도로 나눈 값을 운동점도 ν라고 하며 그 단위로서는 초당 제곱미터 (m2/s)를 쓰고 있지만 보통 초당 제곱밀리미터 (mm2/s)로 표시한다. 
액체의 점도는 다음 어느 한 방법을 써서 측정한다.

Viscosity determination is a method to determine the viscosity of liquid samples using a viscometer. 
When a liquid moves in a definite direction, and the liquid velocity has a gradient with respect to the direction rectangular to that of flow, a force of internal friction is generated along both sides of a hypothetical plane parallel to the movement. This flow property of liquid is expressed in terms of viscosity. The internal friction per unit area on the parallel plane is called slip stress or shear stress, and the velocity gradient with respect to the direction rectangular to that of flow is called slip velocity or shear velocity. A liquid of which the slip velocity is proportional to its called a Newtonian liquid. The proportionality constant, η, is a characteristic of a liquid at a defined temperature and is called viscosity. The unit of viscosity is Pascal second(Pa·s), but usually milli-Pascal second(mPa·s) is used. 
A liquid whose the slip velocity is not proportional to its slip stress is called a non-Newtonian liquid. A sample of a non-Newtonian liquid shows different viscosity values according to the size of its slip velocity. The viscosity measured at a certain slip velocity is called an apparent viscosity, and information obtained on the relationship between apparent viscosity and slip velocity will permit characterization of the flow properties of a given non-Newtonian liquid. The quotient obtained by dividing the viscosity, η,by the density, η , of the liquid at the same temperature is called kinematic viscosity, v,of which the unit is meters squared per second(m2/1), but usually millimeters squared per second(mm2/1) is used. The viscosity of a liquid sample is determined by Method I or Method II as follows.slip stress is determined by Method I or Method II as follows.

 

점도계

 

제 1 법 모세관점도계법

Method I. Viscosity measurement by capillary tube viscometer 

이 측정법은 뉴턴액체의 점도를 측정하는 방법으로 일정 부피의 액체가 모세관을 통하여 흘러내리는 데 소요되는 시간 t (s)를 측정하여 다음 식에 따라 운동점도 ν를 계산한다.  점도 η를 구하려면 다시 그 온도에서의 액체의 밀도 ρ (g/mL)를 측정하고 다음 식에 따라 계산한다.  K (mm2/s2)는 점도계의 정수이고 점도계교정용표준액을 써서 미리 정해 놓는다. 물의 점도에 가까운 점도를 측정하는 점도계에서는 표준액으로 물을 쓴다. 물의 운동 점도는 20 ℃에서 1.0038 mm2/s이다. 비교적 높은 점도를 측정하는 점도계에는 표준액으로 점도계보정용표준액을 쓴다. 고분자물질을 함유하는 액체의 점도의 농도의존성을 측정하여 얻어진 직선의 농도를 0으로 외삽함으로써 고분자 물질의 극한점도 [η] (dL/g)를 구할 수 있다. 극한점도는 액체 (검액) 중에서 고분자의 확산 정도를 나타내는 것이며 분자량의 표준으로도 된다. 극한점도는 농도 c(g/dL)인 검액이 흘러내리는 시간 t 및 용매가 흘러내리는 시간 t0의 측정값으로 다음 식에 따라 계산한다. 다만 의 농도의존성이 그다지 크지 않을 때에는 의약품각조에서 규정하는 검액에서 얻은 의 값을 극한점도로 할 수 있다. 다음 장치 및 조작법을 써서 흘러내리는 시간을 측정한 다. 장 치 1 ~ 100000 mm2/s인 액체의 운동점도 측정에는 그림 1의 우베로오데 (Ubbelohde)형 점도계를 쓴다. 표는 모세관 안지름과 측정에 적당한 운동점도의 범위의 대체적인 관계이다. 이 표에 나타낸 것 이외의 점도계를 쓸 수 있지만 그 경우 모세관의 안지름은 흘러내리는 시 간이 200 ~ 1000 초가 되는 점도계를 선택한다. 조작법 검체를 관 1로부터 가만히 넣고 점도계를 수직으로 가만히 놓았을 때 검체의 액면이 구 A의 두 개의 표선사이에 오도록 한다. 이 점도계를 의약품각조에서 규정하는 온도 (± 0.1 ℃)의 항온조에 구 C가 완전히 물속에 잠기도록 넣고 수직으로 유지하여 검체가 규정하는 온도가 될 때까지 약 20 분간 방치한다. 관 3을 손가락으로 막고 공기 기포가 관 2 속에 들어가지 않도록 하여 관 2의 위 끝으로부터 약하게 흡입하여 액면을 구 C의 중심부까지 끌어 올린 다음 흡입을 그치고 관 3의 입구를 열고 곧 관 2의 입구를 막는다. 모세관의 최하단의 액주(液柱)가 끊어져 있는 것을 확인한 다음 관 2의 입구를 열어 액면이 구 B의 위 표선에서 아래 표선까지 흘러내리는 시간 t (초)를 측정한다. K의 값은 미리 점도계보정용표준액을 써서 같은 방법으로 시험하여 정해 둔다. 다만 이 때의 온도는 의약품각조에서 규정하는 온도에 따른다.

For measuring the viscosity of a Newtonian liquid, a capillary tube viscometer is usually used, in which the down flowing time of a sample liquid, t(s), required for a definite volume of the sample to flow down through a capillary tube is measured and the kinematic viscosity, v, is calculated according to the following equation. ν = K ⋅ t Viscosity, η, is calculated according to the following equation. ρ (g/mL) is the density of sample liquid measured at the same temperature. η =ν ⋅ρ = K ⋅ t ⋅ρ The parameter K(mm2/s2) represents the viscometer constant and is previously determined by using the Standard Liquids for Calibrating Viscometers with a known kinematic viscosity. In the case of a viscometer used for a sample having a similar viscosity to water, water itself can be used as are reference standard liquid for the calibration. The kinematic viscosity of water is 1.0038 mm2/s at 20 °C. In the cases of viscometers used for sample liquids having a slightly higher viscosity, the Standard Liquids for Calibrating Viscometers are used for the calibration. The intrinsic viscosity, [η](mL/g), of a polymer solution is obtained by plotting the relation of viscosity versus concentration and extrapolating the obtained straight line to zero concentration. Intrinsic viscosity shows the degree of molecular expansion of a polymer substance in a given solvent and is also a measure of the average molecular mass of the polymer substance. The down flowing time, t(s), for a test solution, whose concentrationis c(g/100 mL), and t0 (s) for the solvent used for dissolution of the sample, are measured by using the same viscometer, and then the intrinsic viscosity of a given polymer substance, [η], is calculated according to the following equation: When the concentration dependency of (ln t / t0) / c is not large, the value of (ln t / t0) / c at a concentration directed in the respective monograph can be assumed to be the intrinsic viscosity for a given substance. Unless otherwise specified, the viscosity of a test solution is measured with the following apparatus and procedure. Apparatus For measurements of the kinematic viscosity in the range of 1 to 100000 mm2/1,the Ubbelohde-type viscometer illustrated in Fig. 1 is used. The approximate relations between kinematic viscosity ranges and inside diameters of the capillary tubes suitable for the measurement for various liquids with different kinematic viscosities, are given in the attached table. Although the inside diameter of the capillary tube needs not be exactly the same as shown in the table, a viscometer is selected with which the down flowing time, t(s), shall be between 200s and 1000 s. Procedure Place a sample liquid in a viscometer from one end of tube 1, and adjust the meniscus of the liquid column to be at a level between the two marked lines of bulb A. Place the viscometer vertically in a thermostat-equipped bath maintained at a specified temperature within ±0.1 °C fully immersing bulb C, and let stand for 20 minutes to allow the test solution to come to the specified temperature. Close tube 3 with a finger and pull the test solution up to the middle part of bulb C by gentle suction from the top of tube 2, taking care not to introduce any bubbles into tube 2. Stop the suction, open the end of tube 3, and immediately close the end of tube 2. After the test solution below the bottom of the capillary has flowed down, open the end of tube 2 and record the time, t(s), required for the meniscus of the test solution to pass from the upper marked line to the lower one of bulb B. Determine the viscometer constant, K, previously, using the Standard Liquids for Calibrating Viscometers under the same conditions. But the temperature at which the calibration is performed, need not be the same as that for measuring sample viscosity.

제 2 법 회전점도계법

Method II. Viscosity measurement by rotational viscometer 

이 측정법은 뉴턴액체 또는 비뉴턴액체에 적용하는 방법이며 보통 액체 속을 일정한 각속도로 회전하는 로터에 작용하는 힘(토크)을 용수철의 비틀림 정도로 검출하여 점도로 환산하는 원리를 응용한 측정법이다.  다음 장치 및 조작법으로 점도를 측정한다.  장 치 점도측정은 다음 어느 하나의 장치를 쓴다. 가) 공축이중원통형회전점도계 공축이중원통형회전점도계는 같은 중심축을 갖는 바깥쪽통 및 안쪽통의 틈새에 액체를 채워 바깥쪽통 또는 안쪽통을 회전시킬 때 액체에 의하여 원통 사이에 전달되는 토크 또는 각속도를 측정하는 점도계이다.  그림 2a와 같이 안쪽통을 비틀림정수가 k인 철사에 매단다. 안쪽통 및 바깥쪽통의 반지름을 각각 Ri, Ro로 하고 안쪽통이 액체에 잠기는 부분의 길이를 l로 한다. 액체를 바깥쪽통에 넣어 일정한 각속도 ω로 회전시키면 액체의 점성 때문에 안쪽통도 회전을 시작하지만 철사에 토크 T가 생기기 때문에 안쪽통은 θ만큼 회전하여 균형이 잡힌다. 이때 T = k · θ이고 ω와 θ의 관계를 측정하여 액체의 점도 η를 다음 식에 따라 계산한다. 안쪽통을 회전시킨 경우에도 같은 식이 성립한다. 나) 단일원통형회전점도계 단일원통형회전점도계는 액체 속의 원통을 일정한 각속도로 회전시킬 때의 토크를 측정하는 점도계이다. 장치는 그림 2b와 같다. 미리 점도계교정용표준액을 써서 시험적으로 장치정수KB를 정해액체의 점도 η를 다음 식에 따라 계산한다. 다) 원추평판형회전점도계 원추평판형회전점도계는 같은 회전축을 갖는 평원판 및 위쪽의 각도가 큰 원추의 간극에 액체를 넣고 한 쪽을 회전시켜 다른 쪽이 받는 토크 및 각속도를 측정하는 점도계이다. 장치는 그림 2c와 같다.  원추와 평원판의 각도 α의 간극에 액체를 넣고 원추 또는 평원판을 일정한 각속도 및 일정한 토크로 회전시켜 정상상태에 도달할 때의 평원판 또는 원추가 받는 토크 및 그것에 해당하는 각속도를 측정하여 액체의 점도 η를 다음식에 따라 계산한다. 조작법 점도계는 그 회전축이 수평면에 대하여 수직이 되도록 설치한다. 측정에 필요한 양의 검액을 장치에 채운 다음 의약품각조에서 규정하는 온도가 될 때까지 방치한다. 검체의 점도를 측정 정밀도 1 % 이내로 측정할 필요가 있는 경우 측정계의 온도제어는 ± 0.1 ℃ 이내로 유지할 필요가 있다. 검액이 규정온도가 된 것을 확인한 다음 장치를 작동시킨다. 회전이 정상상태에 이르러 회전수 또는 토크에 해당하는 점도계의 지시눈금이 안정된 다음 지시값을 읽어 각각의 장치에 해당하는 계산식을 써서 점도 η를 계산한다. 또한 미리 점도계교정용표준액을 써서 측정하여 장치정수를 결정하고 확인 및 조작법의 타당성을 확인한다.  비뉴턴액체인 경우에는 일정한 회전속도 또는 일정한 토크를 가하여 겉보기점도를 얻는 조작을 회전속도 또는 토크를 바꾸면서 반복하고 이러한 일련의 측정에서 검체의 전단속도와 전단응력의 관계(유동곡선)를 얻는다.  점도계의 교정은 물 및 점도계교정용표준액을 써서 한다. 이것들은 회전점도계의 장치정수를 결정하거나 확인하기 위하여 쓴다. 또한 점도계를 정기적으로 교정하여 규정하는 측정 정밀도가 확보되어 있음을 확인한다.

A rotational viscometer is usually used for measuring the viscosity of Newtonian or non-Newtonian liquids. The measuring principle of a rotational viscometer generally consists in the detection and determination of the force acting on a rotor (torque), when it rotates at a constant angular velocity in a liquid. The torque acting on the rotor surface is detected in terms of the torsion of a spring of the viscometer and the viscosity of the sample can be calculated from the scaleindicated value, which corresponds to the degree of torsion.  The viscosity of a sample liquid is measured with the following apparatus and procedure. Apparatus  Viscosity measurement is performed by using any one of the following three types of rotational viscometers. Figure 2a. Coaxial double cylinder type rotational viscometer. Figure 2b. Single cylinder type rotational viscometer Fig 2c. Cone-flat plate type rotational viscometer  (1) Coaxial double cylinder type rotational viscometer  In the coaxial double cylinder type rotational viscometer, viscosity is determined by filling a liquid in the gap between the inner and outer cylinders, which share the same central axis and rotate separately, and by measuring the generated torque acting on one cylinder surface when the other cylinder is rotated at a given angular velocity or by measuring the angular velocity of one cylinder when the other is rotated at a given torque.  As shown in Fig. 2a, the inner cylinder is hung by a wire whose twist constant is designated as k. Half the outer diameter of the inner cylinder and inner diameter of the outer cylinder are designated as Ri and Ro, respectively and the length of the inner cylinder immersed in a liquid is designated as l. When a liquid is introduced into the outer cylinder and the outer cylinder is made to rotate at a constant angular velocity, ω, the inner cylinder is also forced to rotate under the action of viscosity caused by the liquid rotational flow.  Consequently, torque, T , is generated by rotation of the inner cylinder in the medium, and in the steady state, the torque is balanced by the torsion of the wire, as indicated by the degree of rotation, θ. Then, the relationship can be expressed by T = k · θ , and the viscosity of the liquid, η, is determined from the following equation by measuring the relationship between ω and θ. Conversely, viscosity measurement can also be performed by rotating the inner cylinder, and the same relationship expressed by the equation holds. η: Viscosity of sample (m·Pas),  π: Circumference/diameter ratio,  l: Length of the inner cylinder (cm),  ω: Angular velocity (rad/s),  T: Torque acting on cylinder surface (10-7N·m),  Ri: 1/2 of outer diameter of the inner cylinder (cm),  Ro: 1/2 of inner diameter of the outer cylinder (cm).  (2) Single cylinder type rotational viscometer In the single cylinder type rotational viscometer, viscosity is determined by measuring the torque acting on the cylinder surface when the cylinder immersed in a solution is rotated at a given angular velocity. The apparatus illustrated in Fig. 2b is used. If the apparatus constant, KB, is previously determined experimentally by using the Standard Liquids for Calibrating Viscometers, the viscosity of a sample liquid, η , can be obtained from the following equation. η: Viscosity of sample (mPa·s),  KB: Apparatus constant of viscometer (rad/cm3).  ω: Angular velocity (rad/s), and  T: Torque acting on cylinder surface (10-7N·m).  (3) Conc-flat plate type rotational viscometer In the cone-flat plate type rotational viscometer, viscosity is determined by filling a liquid in the gap between a flat disc and a cone with a large vertical angle sharing the same rotating axis, and by measuring the torque or angular velocity of either the disc or the cone affected by the opposing counterpart cone or disc. The apparatus illustrated in Fig. 2c is used.  A liquid is introduced to fill the gap between a flat disk and a cone forming an angle, α. As either the flat disk or the cone is rotated at a constant angular velocity or a constant torque, the liquid flows rotationally and the viscosity is measured by determining the torque or the angular velocity acting on the opposing disk or cone in the steady state. The viscosity of the sample liquid, η,is calculated from the following equation. η: Viscosity of sample (mPa·s),  π: Circumference/diameter ratio,  R: Radius of a flat disk (cm),  α: Angle between a flat disk and a cone (rad),  ω: Angular velocity (rad/s),  T:Torque acting on flat discorcone surface (10-7N·m)  Procedure  Install the viscometer so that its rotating axis is perpendicular to the horizontal plane. Place a sufficient quantity of test liquid for measurement in the viscometer, and allow the measuring system to stand until a specified temperature has been attained, as directed in the monograph. Where it is desired to measure the viscosity with a precision of 1 percent, the temperature variation should be within ± 0.1 °C. After the temperature of the test liquid has reached the designated value, start operating the rotational viscometer. After the rotation of the viscometer has reached the steady state and the indicated value on the scale, which corresponds to the rotational frequency or the torque, has become constant, read the value on the scale. Then, calculate the viscosity, η, by using the equation appropriate to the type of viscometer being used. Determination of the apparatus constant should be conducted experimentally before hand by using the Standard Liquids for Calibrating Viscometers, and the validation of the apparatus and operating procedure shall also be performed by using those standard liquids.  In the case of a non-Newtonian liquid, repeat the procedure for measuring the viscosity of liquid with variation of the rotation velocity or torque from one measurement to another. From this series of viscosity measurements, the relationship between the apparent viscosity and the slip velocity of a non-Newtonian liquid, i.e., the flow characteristics of a non-Newtonian liquid, can be obtained.  Calibration of a rotational viscometer is conducted by using water and the Standard Liquids for Calibrating Viscometers. These standard liquids are used for the determination of the apparatus constant of the rotational viscometer. They are also used for periodic recalibration of the viscometer to confirm a specified precision.