Viskositäten von Silikonölen


Im RC Modellbau Portal habe ich einen sehr interessanten Thread zum Thema Viskositäten von Silikonölen gelesen. Der Author möchte gerne anonym bleiben, ich werde aber auf die Quelle verweisen, so dass jeder das hier geschriebene nachvollziehen kann.

Ich habe die Infos etwas angepasst, es ist hier also nicht das 100% original abgebildet. Der Quellartikel ist sehr viel ausführlicher!

Achtung dieser Artikel enthält technisch sehr detaillierte Informationen. Er dient hauptsächlich dazu das Wissen der RC Modellbauer zu vergrößern.

Grundlagen

Grundsätzlich werden verschiedene Angaben zur Viskosität gemacht, bzw in unterschiedlichen Einheiten angegeben. Am verbreitesten im RC Bereich sind die Angaben in cSt (Centi Stokes) oder WT (Weight). Desweiteren gibt es noch cPs (Centi Poise) und mPas (miliPascalsekunden).

In der ganzen wissenschaftlichen Literatur sowie auch im Laborgebrauch wird die Einheit Pas (Pascalsekunden, bzw: miliPascalsekunden) verwendet, da sie auf SI Basiseinheiten basiert. Leider halten sich vor allem die Amis nicht an SI Basiseinheiten, kann man daran sehen, das immer noch Zoll, Feet, Fahrenheit etc. verwendet werden.

Hier findet man die Herleitung zu der Einheit Pas
http://www.vermes.com/de/faq/was-sind-cst-mpas-und-cps/

centiStokes (cSt) geht auf das CGS Einheitensystem zurück und centiPois (cPs) ist eine nicht gesetzliche Einheit:
https://de.wikipedia.org/wiki/Stokes_(Einheit)
https://de.wikipedia.org/wiki/Poise
WT heißt weigt (für Englisch Gewicht bzw. Belastung) und ist nochmal spezieller.

Zusätzlich gibt es den Unterschied zwischen dynamischer Viskosität und die kinematischer Viskosität.

Was muss man jetzt für die Umrechnung wissen?
Gemessen wird immer die dynamische Viskosität, sie ist immer direkt abhängig von der eingebrachten Kraft und der daraus entstehenden Bewegung der Flüssigkeit (korrekt: dem Geschwindigkeitsgradienten).

Zur Erklärung ein Wort zur Messung:
Man kann sich das ganz vereinfacht vorstellen. Man nehme einen Metallstab mit definierter Dicke und tauche ihn in eine Flüssigkeit, egal welche. Dann wird der mit einer gewissen Geschwindigkeit gedreht und man misst wieviel Kraft dafür notwendig ist. Man kann sich vorstellen dass bei Honig viel mehr Kraft benötigt wird als bei Wasser.

Der Messwert den ich erhalte wird dann entweder in mPas (miliPascalsekunden) oder cPs (centiPoise, keine "erlaubte" Einheit) angegeben. Wenn ich diesen Wert nun mit der Dichte der Flüssigkeit multipliziere bekomme ich die "kinematische Viskosität" welche in der Einheit cSt (centistokes) angegeben wird. Wenn die Dichte 1 ist, dann entspricht:

1 mPas = 1 cPs = 1 cSt


Man unterscheidet zwischen der dynamischen und der kinematischen Viskosität. Die dynamische Viskosität n und die kinematische Viskosität v stehen über die Dichte p in direktem Zusammenhang:
n = v * p



Hier noch ein paar Beispiele aus dem normalen Leben. Und nein niemand soll auf die Idee kommen und Motoröl, Milch oder Senf in die Stoßdämpfer zu füllen!

Quelle: http://www.vp-scientific.com/Viscosity_Tables.htm
Durchschnittliche Viskosität bei Raumtemperatur (21°C)
Material Viskosität in centiPois (cPs)
Wasser 1 cPs
Milch 3 cPs
SAE 10 Motoröl 85-140 cPs
SAE 20 Motoröl 140-420 cPs
SAE 30 Motoröl 420-650 cPs
SAE 40 Motoröl 650-900 cPs
Honig 10.000 cPs
Ketchup 50.000 cPs
Senf 70.000 cPs
Sour Cream 100.000 cPs
Erdnuss Butter 250.000 cPs

cPs versus WT

Bei WT gibt es allerdings einen nichtlinearen Zusammenhang. Hier habe ich eine Grafik gefunden, die das sichtbar macht. Vor allem sollte man Bedenken das die WT Angaben zwischen den Herstellern nicht vergleichbar sind, da sie keiner Anerkannten Norm entsprechen. Hier kocht jeder Hersteller sein eigens Süppchen!

Im weiteren Verlauf werde ich immer die Einheit mPas verwenden. Hier kann man sich übrigens noch genauer informieren https://de.wikipedia.org/wiki/Viskosität

X-Achse = WT (horizontal)
Y-Achse = cPs (vertikal)
Quelle: https://www.hertzbrand.de/cps-in-wt-umrechnen/

Messungen

Den Effekt innerer Reibung kann man sich vereinfacht durch die Bewegung zweier übereinander liegender, verzahnter Molekülschichten vorstellen. Beim Fließen gleiten die Moleküle aneinander vorbei, und um die Verzahnung zu überwinden, benötigt man eine gewisse Kraft. Den Zusammenhang zwischen dieser Kraft und den Eigenschaften des vorliegenden Fluids definiert die Viskosität. Erkennbar wird dieser Zusammenhang besonders gut an der homologen Reihe der Alkane (kettenförmige Kohlenwasserstoffe), hier steigt die Viskosität mit der Kettenlänge und damit den zunehmenden intermolekular wirkenden Van-der-Waals-Kräften kontinuierlich an. Bei den mittleren Alkanen (ab Nonan, neun C-Atome) hat sie bereits einen Wert ähnlich dem von Wasser.

Sehr gut veranschaulichen kann man sich die Viskosität auch an folgendem Beispiel: gleitet Wind über das Wasser eines Ozeans, erzeugt dies eine Bewegung der Wasserschicht an der Oberfläche. Je tiefer man nun taucht, desto ruhiger wird das Wasser, bis man einen Punkt erreicht, wo keine Strömung herrscht. Die einzelnen Flüssigkeitsschichten bewegen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit v, es entsteht ein Geschwindigkeitsgradient (siehe Abbildung 1 Punkt 2).



Je kleiner dieser "Geschwindigkeitsgradient" desto weniger setzt die Flüssigkeit einen Wiederstand entgegen, desto geringer ist also die Viskosität.
Abbildung 1: Modellvorstellung zur Viskosität: Links eine Veranschaulichung zum Geschwindigkeitsgradient (2), sowie die Form des Gradienten für den Betrag der Geschwindigkeit (gestrichelt). Für den genauen Verlauf siehe Korkenzieherströmung. Rechts eine Veranschaulichung für die verzahnten Molekülschichten (1).

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Viskosität

Praktische bedeutet das:

Die Probe wird in einem Messgerät zwischen 2 Platten aufgebracht. Die obere dreht sich (oder ossziliert), und die Flüssigkeit im Spalt (200-500µm) wird in Bewegung gesetzt. Gemessen wird die Kraft die benötigt wird um eine definierten Weg (Umdrehung) zu überwinden.
Silikonöle sind annähernd ideale Flüssigkeiten, was bedeutet das die Viskosität unabhängig von der eingebrachten Kraft ist. Die meisten Flüssigkeiten aus dem Alltag verhalten sich anders. Beispielsweise Ketschup. Jeder kennt das. Man will was auf den Teller machen. Leichtes Klopfen bringt nix. Klopft man zu stark, ist die Flasche leer, und der Teller voll. Warum ist das so? Ketschup wird erst oberhalb einer bestimmten Kraftschwelle "flüssiger" darunter verhält es sich eher wie ein "Feststoff". (Es hilft vor dem Öffnen gut zu schütteln, dann passiert das nicht)
Silikonöle verhalten sich wie gesagt nicht so. Egal wieviel Kraft aufgebracht wird, wie hart das Auto landet oder wieviel Kraft auf das Differential wirkt. Die Viskosität ist immer gleich.

Bei dem hier verwendetet Messystem handelt es sich um ein Hochpräzisionsgerät mit dem man auch die Viskosität von Gasen messen kann.

Ergebnisse

Kurze Erinnerung: Die Viskositäten der Öle werde auf den Flashen immer in cSt angegeben (kinematische Viskosität), zumindest die welche ich hier habe. Wir messen aber immer die dynamische Viskosität. Der Zusammenhang zwischen beiden liegt in der Dichte (siehe oben). Ist die Dichte =1 dann entspricht die kinematische Viskosität (cSt) der dynamischen Viskosität (mPas).

Am Spannendsten sind die Unterschiede bei veränderter Temperatur:


Probe 1: Mugen 10.000 cSt:
Messbedingungen: 10-40°C (2°C/min Heizrate) konstante Scherung (10/s) 15min Messdauer - 1 Messung
In dem Versuch wurde die Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur untersucht. Zwischen 10-40°C
Zu sehen ist ein nicht linearer Zusammenhang (Kurve flacht leicht ab)

Bei 10°C hat man eine ca. 30% höhere Viskosität
Bei 40°C hat man eine ca. 30% niedrigere Viskosität



Probe 2: Absima 400 cSt:
Messbedingungen: 0-40°C (3°C/min Heizrate) konstante Scherung (10/s) 15min Messdauer - 1 Messung
Bei 0°C hat man eine ca. 70% höhere Viskosität
Bei 10°C hat man eine ca. 27% höhere Viskosität
Bei 40°C hat man eine ca. 30% niedrigere Viskosität

Man sieht das sich von 10°C auf 0°C die Viskosität noch mal deutlich erhöht


Probe 3: Team Associated 10.000 cSt:
Messbedingungen: 0-40°C (3°C/min Heizrate) konstante Scherung (10/s) 15min Messdauer - 1 Messung
Bei 0°C hat man eine ca. 70% höhere Viskosität
Bei 10°C hat man eine ca. 28% höhere Viskosität
Bei 40°C hat man eine ca. 29% niedrigere Viskosität

Schlussfolgerungen des Original Authors 

Zu den Messungen bei Raumtemperatur kann ich noch nicht so viel sagen da ich bisher nur wenige Öle im Vergleich gemessen habe. Das Absima passt perfekt, Mugen auch, Team Associated eher weniger. Ob das Einzelfälle oder generell so ist, wird sich in Zukunft zeigen (dritter Teil in Arbeit)

Was die Temperatur angeht: Interessant ist, das die Kurvenverläufe aller Öle nahezu identisch sind. Dieser kann wohl auf alle Öle übertragen werden.

Im Bereich 10-40°C hat man Änderungen von maximal 30%. Im Bereich 0-10°C können die Abweichungen bis zu 70% der Viskosität bei 23°C auftreten. Das ist schon recht viel.

Da diese Erkenntnisse gut übetragen werden können, werde ich mich in Zukunft auf die reinen Messungen bei 23°C konzentrieren und die Vergleiche zwischen den einzelnen Ölen und Herstellern darstellen.

Meine persönlichen Schlussfolgerungen 

Ich wusste schon das aus eigener Erfahrung die Öle von Ultimate Racing sehr gut sind. Was mich doch sehr überrascht hat, wie sehr das Silikonöl auf Temperaturunterschiede reagiert. Hier werde ich in Zukunft mehr auf die Temperaturen achten.

Ich habe eine ganze Menge der durchgeführten Tests weggelassen. Diese könnt Ihr gerne im Originalartikel nachlesen.