การวัดความหนืด (Viscosity Measurement)

ความหนืด คืออะไร ?

     ความหนืด คือ ความเสียดทานที่เกิดขึ้นภายในของไหลนั่นเอง แรงเสียดทานที่ต้านการเคลื่อนที่ของของไหลนี้ เรียกว่า "แรงหนืด(Viscous Force)" จะเห็นได้ว่าของไหลที่มีความหนืดมากจะเคลื่อนที่ได้ช้ากว่าของไหลที่มีความหนืดน้อย สามารถพิจารณาได้จากรูปและความสัมพันธ์กับสมการดังต่อไปนี้ 

             โดยที่                         F = แรงกระทำต่อของไหล

                                              A = พื้นที่หน้าตัดที่แรงกระทำต่อของไหล

                                              v = ความเร็วของของไหล

                                              l = เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ

** Shear stress คือ ความเค้น , Strain rate คืออัตราการเปลี่ยนแปลงความเครียด และเมื่อพิจารณาจากนิยามของความหนืดเราจะได้หน่วยของความหนืดในระบบ SI เป็นนิวตันวินาทีต่อตารางเมตร (N•s/m²) หรือปาสคาลวินาที (Pa•s)

เครื่องวัดความหนืด

  1. One–point instrument เหมาะสมสำหรับสารที่แสดงการไหลแบบนิวโตเนียน เพราะในการเขียนกราฟการไหลสามารถเขียนได้จากจุดเพียงจุดเดียวบนเส้นกราฟ เช่น

 - Capillary viscometer

 - Falling sphere viscometer

  2. Multipoint instrument เหมาะสำหรับใช้กับสารที่แสดงการไหลทั้ง newtonian และ non-newtonian เช่น

 - Cup & bob viscometer

 - Cone & plate viscometer

 - Brookfield synchrolectic viscometer

Capillary viscometer

    ใช้หาความหนืดของสารประเภทนิวโตเนียน จับเวลาที่ของเหลวไหลผ่านจุด 2 จุด เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก เมื่อหลอดแคบิลลารีตั้งตรงเปรียบเทียบกับของเหลวที่ทราบความหนืด เช่น น้ำ จะหาความหนืดของของเหลวที่ต้องการได้ เรียกเครื่องมือนี้ว่า ostwald viscometer

สูตรในการหาความหนืด

 เมื่อ    K คือค่าคงที่ของเครื่องมือ

η₁/η₂ คือความหนืดสัมพัทธ์ของของเหลว

η₁       คือความหนืดสัมบูรณ์ของของเหลว

η₂       คือความหนืดของของเหลวมาตรฐาน

t₁ และ t₂ คือ เวลาที่ของเหลวไหลผ่านจุดสองจุดของของเหลวที่ต้องการหาความหนืดกับของเหลวมาตรฐานตามลำดับ

ρ₁ และρ₂ คือความหนาแน่นของเหลวที่ต้องการหาความหนืดกับของเหลวมาตรฐานตามลำดับ 

        Ostwald viscometer มีขนาดต่างๆกันขึ้นกับขนาดรัศมีของหลอด capillary ซึ่งมีขนาดตั้งแต่ 0.2 ถึง 2 มิลลิเมตรและสามารถวัดความหนืดได้ในช่วง 1 ถึง 10⁴ cps ขนาดเล็กที่สุดคือเบอร์ 0 จะใช้น้ำเป็นของเหลวมาตรฐานเบอร์ที่สูงกว่านี้จะใช้ของเหลวที่มีความหนืดสูงขึ้นเช่น glycerin

Falling sphere viscometer

          เครื่องมือนี้ใช้ในการวัดของเหลวที่ไหลแบบนิวโตเนียน โดยอาศัยหลักการของการตกลงของวัตถุผ่านของเหลวที่มีความหนืด ดังรูป จากความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดของของเหลวกับเวลาที่วัตถุใช้เดินทางระหว่างจุดสองจุดที่กำหนด และสามารถคำนวณความหนืดได้จากสูตร 

 η = t (S_b-S_f)B

เมื่อ t คือเวลาเป็นวินาทีที่ลูกแก้วหรือลูกเหล็กเคลื่อนผ่านจุดสองจุด

S_b คือความถ่วงจำเพาะของลูกแก้วหรือลูกเหล็ก

S_f คือความถ่วงจำเพาะของของเหลว

B คือค่าคงที่ของลูกแก้วหรือลูกเหล็กขึ้นกับเส้นผ่านศูนย์กลางซึ่งผู้ผลิตระบุไว้

         เครื่องมือนี้วัดความหนืด ตั้งแต่ 0.5-200,000 poise และจะได้ผลดียิ่งขึ้นเมื่อลูกแก้วหรือลูกเหล็กใช้เวลาในการเคลื่อนผ่านจุด 2 จุดไม่น้อยกว่า 30 วินาที ข้อเสียของเครื่องมือนี้ คือ ใช้ปริมาตรตัวอย่างมาก และตัวอย่างต้องใส ถ้ามีสีหรือทึบแสงจะสังเกตการเคลื่อนที่ของลูกบอลไม่ชัด

เครื่องวัดความหนืดชนิดหมุน (Rotational viscometer)

        เป็นเครื่องมือวัดความหนืดชนิดที่บรรจุของเหลวตัวอย่างลงในช่องว่างระหว่างส่วนที่หมุน (rotating portion) และส่วนที่อยู่กับที่ (stationary portion) เครื่องวัดชนิดนี้อาศัยหลักการ คือ ทำให้ของเหลวตัวอย่างไหลแบบราบเรียบในระหว่างช่องว่างดังกล่าว โดยหมุนของตัวหมุนที่ความเร็วต่างๆกัน และวัดแรงที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ เครื่องมือชนิดนี้มีหลายแบบ ขึ้นกับลักษณะตัวหมุน เช่น แบบอาศัยการหมุนของคัพและบอบ (cup and bob viscometer) และแบบอาศัยการหมุนของโคนและ เพลท (cone and plate viscometer)

Stormer viscometer or Searle type

       เป็นเครื่องมือที่อาศัยการหมุนของคัพและบอบ โดยแกนของบอบจะต่อไปยังน้ำหนัก ซึ่งเป็นแรงที่จะใช้หมุนบอบ (rotating portion) ส่วนคัพอยู่กับที่ (stationary portion) ภายนอกคัพมีอ่างควบคุมอุณหภูมิเพื่อหาความหนืดที่อุณหภูมิต่างๆ กัน ของเหลวตัวอย่างจะใส่ลงในคัพ จากนั้น จุ่มบอบลงในคัพ ใส่ตุ้มน้ำหนักถ่วงให้บอบหมุนจับเวลาที่บอบหมุน 100 รอบแล้วคำนวณความเร็วเป็น รอบ/นาที ตัวอย่างเครื่องมือดังแสดงในรูป

กราฟของการไหล ได้จากการเขียนกราฟของความเร็วรอบ กับ น้ำหนัก

ข้อเสีย

1. ไม่เหมาะสำหรับสารที่มีความหนืดต่ำกว่า 20 เซนติพอยสเพราะ Bob จะหมุนเร็วมาก จนจับเวลาได้ยาก

2. ต้องใช้ sample จำนวนมาก

3. เกิด plug flow ซึ่ง plug flow เกิดจากแรงที่กระทำต่อของเหลวตัวอย่างที่บรรจุอยู่ในช่องว่างระหว่างบอบและคัพไม่สม่ำเสมอและไม่เท่ากัน ทำให้ของเหลวที่อยู่ใกล้ตัวหมุนได้รับแรงมากกว่าของเหลวที่อยู่ห่างออกไป เมื่อแรงถึง yield value ของเหลวที่อยู่ใกล้ตัวหมุนจะเกิดการไหลก่อนในขณะที่ของเหลวที่อยู่ห่างออกไปยังไม่เกิดการไหลเพราะแรงที่ได้รับต่ำกว่า yield value ทำให้เกิดการอุดตันขึ้น ข้อเสียนี้จะลดลงได้ โดยพยายามลดช่องว่างระหว่างบอบและคัพที่บรรจุตัวอย่างให้แคบลง

Cone and plate viscometer (Ferranti–Sherley Viscometer)

    เครื่องมือประกอบด้วย plate ลักษณะแบนราบและ cone ลักษณะสามเหลี่ยมมุมป้านทำมุม 0.3 องศา ปลายยอดของโคนจะพอดีสัมผัสกับผิวหน้าของ plate ช่องว่างแคบๆ ระหว่าง plate และปลายยอด cone เป็นที่สำหรับบรรจุตัวอย่างซึ่งใช้เพียงเล็กน้อย (0.5-1 ml) ควบคุมอุณหภูมิผ่านทาง plate โดยการไหลเวียนผ่านของน้ำที่มีอุณหภูมิคงที่

ข้อดี

1. วัดความหนืดได้กว้างโดยการเปลี่ยนโคนและความเร็วที่โคนหมุน

2. rate of shear คงที่ ไม่เกิด plug flow

3. ใช้ตัวอย่างน้อย (0.5-1 ml)

4. ควบคุมอุณหภูมิได้ดี

5. ทำความสะอาดได้ง่าย

ข้อเสีย

ไม่เหมาะสำหรับยาเตรียมอิมัลชั่นหรือยาน้ำแขวนตะกอนที่อนุภาคที่แขวนลอยอยู่มีขนาดใหญ่กว่า 30 ไมครอน เนื่องจากใช้ตัวอย่างน้อยและอนุภาคในยาเตรียมมีขนาดใหญ่ ซึ่งอนุภาคที่ถูกวัดความหนืดไม่ได้เป็นตัวแทนของตัวอย่างทั้งหมด

การเลือกใช้เครื่องวัดความหนืดและเครื่องวัดคุณสมบัติทางรีโอโลจี

การเลือกใช้เครื่องมือมีบทบาทสำคัญมากในการวัดและประเมินคุณสมบัติทางรีโอโลจีของสาร ในทางเภสัชกรรมยาเตรียมมักมีความหนืดหลายระดับ ตั้งแต่เหลวเหมือนน้ำจนกระทั่งลักษณะเป็นเจล การพิจารณาเลือกใช้อาศัยหลักกว้างๆ ประกอบดังนี้

1. ลักษณะการไหล ถ้ายาเตรียมมีการไหลแบบนิวโตเนียน อาจเลือกใช้เครื่องมือชนิดวัดได้เพียงจุดเดียว หรือวัดได้หลายจุด เพราะการทราบค่าบนเส้นกราฟเพียงจุดใดจุดหนึ่งเป็นการเพียงพอในการเขียนกราฟการไหล โดยการลากผ่านจุดดังกล่าวไปยังจุดตั้งต้น เครื่องมือชนิดวัดได้จุดเดียวที่ให้ผลเชื่อถือได้ ใช้ง่ายและสะดวก คือ ออสวาลด์วิสโคมีเตอร์ และฮอพเพอร์วิสโคมีเตอร์

ถ้ายาเตรียมแสดงการไหลแบบไม่ใช่นิวโตเนียน จะต้องใช้เครื่องมือชนิดวัดได้หลายจุดเท่านั้น ถ้าใช้ชนิดวัดได้จุดเดียว จะทำให้การวัดและการประเมินผลผิดพลาดอย่างสิ้นเชิง

ในงานควบคุมคุณภาพที่ต้องการเปรียบเทียบความหนืดของผลิตภัณฑ์เท่านั้น มีผู้แนะนำว่าอาจจะอนุโลมได้ แต่ความหนืดที่ใช้เปรียบเทียบจะต้องเป็นค่าความหนืดที่ปรากฏให้เห็น ซึ่งวัดที่เรตออฟเชียร์ที่ยาเตรียมนั้นๆ จะถูกนำไปใช้หรือเตรียมขึ้น

2. ความไวของเครื่องมือ ต้องเลือกให้เหมาะสมและมีความไวสูงพอ

3. หน่วยที่ต้องการวัดต้องการวัดค่าต่างๆ ในหน่วยสัมบูรณ์หรือสัมพัทธ์ ต้องเลือกเครื่องมือให้ถูกต้องด้วย

4. ขนาดของตัวอย่างที่มี ถ้ามีตัวอย่างค่อนข้างจำกัด โอกาสที่จะเลือกใช้เครื่องมือที่ต้องใช้ปริมาณตัวอย่างค่อนข้างสูงย่อมเป็นไปไม่ได้ เช่น คัพและบอบวิสโคมีเตอร์บางชนิด ใช้ตัวอย่างมากว่า 100 ซีซี เป็นต้น

5. การควบคุมอุณหภูมิ ควรเลือกเครื่องมือที่มีการควบคุมอุณหภูมิได้ดี ง่ายและสะดวก

6. การทำความสะอาดเครื่องมือ เป็นข้อหนึ่งที่ควรพิจารณาว่าร่วมด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานที่ต้องวัดจำนวนครั้งมากๆ จำเป็นต้องเลือกใช้เครื่องมือที่ทำความสะอาดง่ายและรวดเร็ว


Link สินค้า : เครื่องวัดความหนืด Viscometer

อ้างอิง

pharm.kku.ac.th/thaiv/depart/techno/.../Lesson4.pdf