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粘度的测量方法及进展

返回列表 来源:未知 发布日期:2019-09-18 13:42【
1 引言

液体和固体的重要区别之一是液体具有流动性,给它很小的力就可以使其变形。以河流为例,可以发现河中心流速最快,越靠近岸边流速越慢,这是因为流体有抵抗变形的性质,也就是粘滞性,而粘度就是度量流体粘滞性大小的物理量。如果在垂直于流速的方向上取一段无限小的距离dx,流速由v变为v+dv,则比值dv/dx表示在垂直于流速方向单位距离流速的增量,即剪切速率γ(或流速梯度)。因为内聚力的存在,流速不同的流层之间会有相互作用(剪切力),将单位面积上的剪切力称作剪切应力τ。根据牛顿内摩擦定律,可以得到τ=μγ,式中的μ即粘度,它在数值上等于剪切应力与剪切速率的比值,物理意义为产生单位剪切速率所需要的剪切应力。

水、醋类、油类等流体的粘度不受剪切速率变化的影响,被称之为牛顿流体。但有些流体的粘度会随剪切速率的变化而变化,它们被称为非牛顿流体,典型的非牛顿流体包括纸浆、油漆、血液、高聚物溶液等。非牛顿流体还可细分为塑性流体、假塑性流体、膨胀流体等几类。

粘度是表征流体性质的一项重要参数,在石油、化工、医学、轻工、食品、建材、冶金、航天等领域都需要精确地测量流体的粘度,以达到控制生产流程、保证安全生产、控制与评定产品质量、协助医学诊断及科学研究等目的。粘度的测量是研究和应用各种流体的必要手段。如在石油化工领域,准确测定石油的粘度,有助于选择合适的泵送和炼油参数,从而提高其产品的质量和产量;在医学领域,因为人体血液粘度异常会导致微循环和组织的新陈代谢出现障碍,因而血液粘度的准确测量将有助于病情的及时诊断和疾病的有效预防;在基础研究领域,粘度的测定也占有非常重要的地位,如研究胶体稀溶液的粘度可以帮助了解质点的大小与形状、质点与介质间的相互作用等。

由于粘度被定义为剪切应力与剪切速率的比值,故而测量粘度的思路有两种,其一是固定剪切应力测剪切速率,其二是固定剪切速率测剪切应力。目前测量粘度的方法有许多,相应的仪器更是数不胜数,其中应用最广泛的主要有旋转法、毛细管法、落体法以及振动法等几种。这四种方法中,毛细管法和落体法采用了第一种思路,旋转法和振动法则采用了第二种思路。下面介绍这几种方法的原理、优缺点、适用范围以及应用情况。

2  旋转法

旋转粘度计的基本原理是:由一台同步微型电动机带动转筒以一定的速率在被测流体中旋转,由于受到流体粘滞力的作用,转筒会产生滞后,与转筒连接的弹性元件则会在旋转的反方向上产生一定的扭转,由传感器测得扭转应力的大小,从而得到流体的粘度值。

旋转粘度计的类型是根据力矩传递装置(含测量头和样品杯)的结构特点来划分的,主要有同轴圆筒式粘度计、锥板式粘度计、平行板式粘度计等几类。同轴圆筒粘度计的力矩传递装置是由圆柱形的测量头和圆筒形的样品杯组成(如图1),这是最为常见的一种结构。锥板式粘度计的力矩传递装置的特别之处在于它的测量头呈角度极钝的圆锥形,与之相对应的,其样品杯呈平板形。平行板粘度计像是被“压扁”的同轴圆筒式粘度计,其测量头和样品杯都是平板型的。

旋转粘度计是工业生产中应用最广泛的一种粘度计。近年来,随着工业生产要求的提高,研究人员对结构和功能单一的旋转式粘度计做了很多改进。比如V. C. Kelessidis等在考虑端部效应的基础上,对旋转粘度计的测量结果进行了矫正;丁晓炯探讨了一些在线测量方面的问题;路则坚在粘度计中加入了单片机控制;肖军民等则使用了传感器以及数字技术等。这些改进在一定程度上克服了传统测量方法的一些弊端,提高了测量结果的精确性和易读性,扩大了旋转粘度计的应用范围,提高了粘度计测量的自动化程度,可以在生产过程中对产品粘度进行实时监测和控制,给工业生产带来了极大的便利。

3  毛细管法

毛细管粘度计的基本原理如图2所示。将被测物料加入料筒中,由外部的加热套加热到适当的温度,并由保温层保温,以保证料筒和物料处于实验设定温度。柱塞在驱动装置的作用下运动,将被测物料由毛细管挤出。实验中需借助压力传感器测得毛细管的进口压力和出口压力,再结合仪器的固定参数(毛细管长度和直径)和实验设定参数(柱塞运动速度或所受压力),计算出剪切应力、剪切速率、粘度等数据以及它们之间的关系。毛细管粘度计种类繁多。根据物料通过毛细管的方式进行划分,可将毛细管粘度计分为高压式和挤出式两种,前者利用活塞推进,后者则利用螺杆施压。高压毛细管粘度计又可以分为恒压式和恒速式两种,前者保持活塞杆的压力不变,后者保持活塞杆运动速度恒定。挤出式毛细管粘度计则可以分为液压式和砝码杠杆式两种,前者较为简单,后者的测量范围大。为了加快流速,节省测量时间,将毛细管长度缩短,管径扩大,做成短管型或开口粘度杯,便产生了一种新的测量方法——“粘度杯法”。毛细管粘度计的测量精度高,剪切应力测量范围宽,粘度范围大约为10 2 ~10 10 mPa•s,适合测量高剪切速率的流体(可达10 6 s -1 左右)。但残留物料对测量结果的影响较大,所以每次测完都要彻底清洗和干燥,测量耗时较长,还要注意保养。而且其,不适用于低粘流体的测量。

毛细管粘度计的应用范围很广,对牛顿流体与非牛顿流体都适用,如今已被广泛地应用于石油化工和医药等领域。得益于其可以改变物料温度的特点,它适合于测量高分子物质溶液的粘度,因此受到许多新材料研究者的青睐。医学上血液粘度的测定多用毛细管粘度计,因为毛细管粘度计在结构上与人体内的血管相近,血液流动的特性和影响血液细血管粘度计测出来的粘度值与人体的实际值更加接近。“粘度杯法”因为测量过程简单易行,而被广泛应用于现场操作。随着科学技术的发展,毛细管粘度计也有了一些改进,如与计算机的结合,单片机的使用等,这使得毛细管粘度计使用更加便捷,测量结果更加精确,性能也愈加完善。

4  落体法

落体式粘度计包括落球式、落柱式和气泡上升式等几种,其原理基本相同,其中落球式最为常见。

落球粘度计结构简单,操作方便,可快速提供测定数据,可测较大范围的剪切应力,有利于生产工艺的控制以及溶液结构和性能的研究,现在的落球粘度计甚至可以测量高温高压下的流体粘度,应用范围十分广泛。它的粘度测量范围有限,大致为1~10 5 mPa•s。由于受落体比重的限制,它只能测量较低剪切速率下的粘度,不能模拟实际情况中高剪切速率的情况。另外,落体式粘度计的测量结果会受到小球下落轨迹、试样管均匀程度等因素的影响,因此有着一定的不确定性。

5  振动法

振动粘度计是基于剪应力原理工作的,将一根振棒或振片插入流体中,由于流体粘性阻尼变化的作用,其振动幅度会产生变化,而且高粘度流体中的振动比低粘度流体中的振动衰减得快,于是振幅的下降速率可以作为液体粘滞力的量度。若由电路来补充这部分流体粘性阻尼所消耗的能量,使得敏感元件的振动维持在共振频率和恒定的振幅下,便可由此确定流体的粘度。振动粘度计可以连续或者间接的进行粘度测量,在石油化工、造纸、橡胶等行业中有着十分广泛的应用。它诞生于20世纪50年代初的美国,现已在国外的工业生产上得到较广泛的应用,而国内的研制工作则开展较晚。

6  其他方法

上文提到的几种传统方法固然应用范围很广,但是却有各种难以克服的缺点。为应对各行业研究和生产过程中的现实问题,一些新的粘度测量方法应运而生,尤其是非接触技术成为了当前研究的新动向。光学技术也被应用于粘度计的研制。Alexis I.Bishop等利用旋转激光捕获的粒子进行光学方式的微观流变学研究,当粒子匀速旋转时液体施加的力矩等于人为施加的力矩,即可以得到液体粘度值。Y. Yoshitake等从激光诱导表面应变技术入手,通过研究表面应变与激光诱导的延迟时间得到液体粘度值。随着相关技术的发展,也因为人们对于粘度测量结果的要求越来越高,近年来出现了许多新的粘度测量方法和仪器。这些新方法的适用范围可能比较窄,价格也比较昂贵,而且难以普及,但在某些特定的科研领域,它们的作用不可小视,例如避免物料与容器的反应,减少昂贵物料的耗费等。

7  总结与展望

粘度是流体的重要物理性质,粘度的精确测量在国民经济的许多领域有着重要的作用。测量粘度的方法多种多样,各有优劣,应综合考虑适用范围、测量精度、反应速度、经济性、操作难度等具体要求,优选合适的方法。目前对于流体粘度测量方法的研究主要有两条思路:
(1)对传统方法的改进,如将传统方法与计算机系统、虚拟仪器、新型高精度昌吉粘度传感器等结合,可以扩大其适用范围,提高测量结果的准确性;
(2)基于新技术的发展,研制新型的粘度计,以实现传统方法难以满足的要求。综合分析国内外的技术进展可以发现,粘度测量方法的自动化程度不断提高,