我們所說(shuō)的粘度是什么？

 

粘度是進(jìn)行流體（例如液體、半固體、氣體、固體）流動(dòng)測(cè)量的一個(gè)主要參數(shù)。Brookfield產(chǎn)品可測(cè)量液體和半固體。結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量和效率進(jìn)行粘度測(cè)量。在研究開發(fā)、質(zhì)量控制或流體轉(zhuǎn)運(yùn)中，與流動(dòng)特性相關(guān)的任何人都會(huì)參與一些類型的粘度測(cè)量。

 

許多生產(chǎn)商都將粘度計(jì)視作其研究、開發(fā)、工序控制程序的重要部分。他們知道粘度測(cè)量通常會(huì)以zui快速、zui精準(zhǔn)、zui可靠的方式來(lái)分析影響產(chǎn)品性能的zui重要因素。

 

流變關(guān)系有助于我們了解我們所測(cè)量的流體，這樣我們既可以知道它們是如何移動(dòng)的，也可以促使它們按照我們的需求來(lái)移動(dòng)。

 

有許多不同粘度測(cè)量技術(shù)，每項(xiàng)技術(shù)都適用于特定環(huán)境和物料。從眾多可滿足應(yīng)用需求的儀器中選出合適的粘度計(jì)并非易事。現(xiàn)今，儀器多種多樣，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從對(duì)液體排出計(jì)時(shí)到非常復(fù)雜的自動(dòng)記錄和控制設(shè)備，都有包括。儀器用戶可自行評(píng)估相關(guān)流動(dòng)現(xiàn)象，須運(yùn)用儀器制造商“專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)”。

 

Brookfield是粘度測(cè)量和數(shù)據(jù)處理儀器發(fā)展中的先鋒，也是科學(xué)發(fā)展的推動(dòng)因素。我們合測(cè)實(shí)業(yè)具備必備專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，幫您選擇合適儀器，控制工藝。

 

 

為什么要進(jìn)行流變測(cè)量？

 

任何人在開始學(xué)習(xí)思考流變學(xué)時(shí)，必須首先問(wèn)自己一個(gè)問(wèn)題“我為什么要進(jìn)行粘度測(cè)量？”答案存在于已進(jìn)行過(guò)此類測(cè)量的成千上萬(wàn)人的經(jīng)驗(yàn)之中，表明可獲得許多有用的產(chǎn)品行為和預(yù)測(cè)信息，以及工序、配方、變化、老化現(xiàn)象等影響的知識(shí)。

 

在質(zhì)量控制領(lǐng)域可找到流變特性測(cè)量的常見(jiàn)原因，各批原材料必須保持一致。有鑒于此，流動(dòng)特性是產(chǎn)品一致性和質(zhì)量的一種間接衡量標(biāo)準(zhǔn)。

 

進(jìn)行流體特性研究的另一個(gè)原因是可獲得對(duì)生產(chǎn)性能的直接評(píng)估。例如，比起低粘度液體，高粘度液體需要更多力來(lái)抽取。因此，設(shè)計(jì)抽吸和管道系統(tǒng)時(shí)，了解其流變特性是很有用的。

 

流變學(xué)方法是進(jìn)行物料定性的zui敏感的方法，因?yàn)榱鲃?dòng)特性對(duì)分子量和分子量分布等屬性很敏感。這種關(guān)系在高分子合成方面很有用，例如，因?yàn)樵诓贿M(jìn)行分子量測(cè)量的情況下，也可看到相關(guān)區(qū)別。流變測(cè)量在下列化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中也很有用。此類測(cè)量可用于生產(chǎn)期間的質(zhì)量檢查或監(jiān)測(cè)和/或控制流程。流變測(cè)量可用于研究化學(xué)品、力學(xué)、熱處理、添加劑效果或固化反應(yīng)過(guò)程。也是預(yù)測(cè)和控制眾多產(chǎn)品特性、最終用途性能和物料特性。

 

 

流變學(xué)思考

 

首先，考慮這個(gè)問(wèn)題“流變學(xué)參數(shù)可用于關(guān)聯(lián)產(chǎn)品或工藝的一個(gè)方面嗎？”為了確定此問(wèn)題，須對(duì)影響流變反應(yīng)的化學(xué)和物理現(xiàn)象種類有一種本能反應(yīng)。此時(shí)，假設(shè)此信息已知，也已確定幾種可能性。下一步是采集流變學(xué)初始數(shù)據(jù)，以確定什么類型的流動(dòng)特性是正在研究的系統(tǒng)的特性。在最基本層次，這涉及可采用哪款Brookfield粘度計(jì)進(jìn)行測(cè)量以及根據(jù)后續(xù)流動(dòng)特性描述作出結(jié)論。

 

一旦確定流動(dòng)特性的類型，便可了解更多系統(tǒng)相互作用的組件相關(guān)信息。因此而獲得的數(shù)據(jù)擬合到可與Brookfield儀器配套使用的數(shù)學(xué)模型中。

 

此類數(shù)學(xué)模型從非常簡(jiǎn)單到非常復(fù)雜都有包括。一些只是涉及圖表數(shù)據(jù)繪圖；其他需要計(jì)算兩個(gè)數(shù)的比值。一些非常復(fù)雜，需要使用可編程計(jì)算器或電腦。這種分析是從數(shù)據(jù)中獲得最多的最佳方式，一般得出其中一個(gè)常量，此常量匯總數(shù)據(jù)并與產(chǎn)品或工藝性能關(guān)聯(lián)起來(lái)。

 

一旦流變數(shù)據(jù)和產(chǎn)品特性之間的關(guān)聯(lián)建立起來(lái)，可顛倒流程，流變數(shù)據(jù)可用于預(yù)測(cè)性能和特性。

 

 

關(guān)于流變學(xué)控制

 

韋氏詞典將流變學(xué)定義為“對(duì)物質(zhì)形式和流量變化的研究，包括彈性、粘度、塑性。

 

我們主要談?wù)扯?，進(jìn)一步定義為由分子吸引力引起的流體內(nèi)部摩擦，使其阻擋流動(dòng)傾向。Brookfield粘度計(jì)可測(cè)量此摩擦，因此函數(shù)是流變學(xué)的一個(gè)工具。本章目的是讓您了解不同類型的流動(dòng)特性，將Brookfield粘度計(jì)用作一種流變學(xué)儀器，使您對(duì)流體進(jìn)行真切詳細(xì)的分析。此信息對(duì)所有粘度計(jì)用戶非常有用，尤其是擁護(hù)粘度測(cè)量理論與學(xué)術(shù)思想流派的用戶。如有疑問(wèn)可以咨詢我們合測(cè)實(shí)業(yè)

 

 

粘度

 

粘度是流體內(nèi)部摩擦力的量度。當(dāng)一層流體移動(dòng)到相關(guān)另一層流體時(shí)，此摩擦力變得明顯。摩擦力越大，引起移動(dòng)（稱作剪切）所需的力值就越大。流體發(fā)生物理性移動(dòng)或分散時(shí)，例如傾倒、涂抹、噴灑、混合等，剪切就會(huì)出現(xiàn)。因此，就移動(dòng)所需用力而言，高粘性流體移動(dòng)所需的力大于低粘性物料移動(dòng)所需的力。

 

 

粘度基本計(jì)量單位為泊。需用1dynes/cm2剪切應(yīng)力產(chǎn)生1sec-1剪切率的物料的粘度為1泊或100厘泊。您也會(huì)遇到以帕斯卡·秒（Pa·s）或毫帕斯卡·秒（mPa·s）為單位來(lái)表示的粘度測(cè)量值；這些是國(guó)際制單位，有時(shí)比公制標(biāo)準(zhǔn)更受歡迎。1帕斯卡-秒相當(dāng)于10泊；1毫帕斯卡-秒相當(dāng)于1厘泊。

 

牛頓認(rèn)為在既定溫度下，所有物料的粘度與剪切率無(wú)關(guān)。換言之，兩倍力會(huì)以兩倍速度移動(dòng)流體。而如我們將要看到的，牛頓并不完全正確。

 

牛頓流體

 

牛頓所設(shè)想的所有流體此類流動(dòng)特性自然被稱作牛頓體。然而，您可能只會(huì)遇到幾種類型流動(dòng)特性中的一種。牛頓流體以下圖圖表表示。圖表A顯示剪切應(yīng)力（F′）和剪切率（S）之間的關(guān)系是一條直線。圖B顯示，流體的粘性隨剪切率變化保持不變。一般牛頓流體包含水和稀機(jī)油。

 

在實(shí)踐中，這表示在既定溫度下牛頓流體的粘度會(huì)保持不變，不管測(cè)量所使用的粘度計(jì)機(jī)型、轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)速是什么。在Brookfield設(shè)備所產(chǎn)生的剪切率范圍內(nèi)，Brookfield粘度標(biāo)準(zhǔn)液是牛頓流體；那正是它們可與所有粘度計(jì)機(jī)型配套使用的原因。很顯然，牛頓流體是zui容易測(cè)量的流體-只需帶上您的粘度計(jì)前去測(cè)量即可。不幸的是，它們并不像比其復(fù)雜得多的一類流體-非牛頓流體一樣常見(jiàn)，下一部分將討論非牛頓流體。

 

 

非牛頓流體

 

非牛頓流體廣義上指F′/S關(guān)系不是常數(shù)的一種流體。換言之，當(dāng)剪切率改變時(shí)，剪切應(yīng)力不以相應(yīng)比例（或甚至未必以同一方向）改變。因此這種流體的粘性隨剪切率的變化而變化。因此，粘度計(jì)機(jī)型、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)參數(shù)都對(duì)非牛頓流體的實(shí)測(cè)粘度具有影響。這一實(shí)測(cè)粘度稱作流體表觀粘度，只有具有或依附明確實(shí)驗(yàn)參數(shù)時(shí)才精確。

 

可將非牛頓流體設(shè)想為一種混合不同形狀大小分子的流體。當(dāng)彼此流經(jīng)時(shí)，正如流動(dòng)期間所發(fā)生的那樣，其大小、形狀、粘結(jié)度會(huì)確定移動(dòng)所需的力的大小。在每種特定剪切率下，準(zhǔn)線可能不同，可能需要一些力來(lái)保持移動(dòng)。

 

有幾種類型的非牛頓流體流動(dòng)特性，所具有的特點(diǎn)是流體粘度隨剪切率變化而變化。您可能會(huì)遇到的最常見(jiàn)的非牛頓流體類型包括：

 

假塑性體

流體粘度隨剪切率增加而降低。這可能是zui常見(jiàn)的非牛頓流體，假塑性體包括油漆、乳劑以及多種類型的分散劑。此類流動(dòng)特性有時(shí)被稱為“剪切稀化”。

 

膨脹性體

膨脹性流體所具有的特點(diǎn)是粘度隨剪切率增加而增加；雖然比假塑性體更少見(jiàn)，膨脹性體常見(jiàn)于包含高水平抗絮凝固體（例如：粘土泥漿、糖果化合物、水中玉米淀粉以及沙/水混合物）的流體中。膨脹性也指剪切增稠流動(dòng)特性。

 

塑性流體

這種類型的流體在靜態(tài)條件下特性與固體相同。引發(fā)任何流動(dòng)之前，須將一定量的力施加到流體上，這種力稱作屈服值。番茄醬是這類流體的一個(gè)很好的例子，其屈服值通常讓其難以從瓶中傾倒，直到搖晃或碰撞瓶子，才能使醬體自由涌出。一旦屈服值超限，開始流動(dòng)，塑性流體會(huì)顯示出牛頓流體、假塑性體或膨脹性體的流動(dòng)特性。

 

目前為止，我們已論述了剪切率對(duì)非牛頓流體的影響。將時(shí)間要素考慮在內(nèi)時(shí)會(huì)發(fā)生什么？這個(gè)問(wèn)題引出我們對(duì)兩種以上非牛頓流體的說(shuō)明：觸變性和流凝性。

 

 

觸變性和流凝性

 

在恒定剪切率條件下，一些流體粘度會(huì)隨時(shí)間變化。有兩類需考慮：

 

觸變性

當(dāng)恒速剪切時(shí)，觸變性流體的粘度隨時(shí)間降低。

流凝性

這基本與觸變特性相反，在恒定剪切率下，流體的粘度隨時(shí)間增加。

或者僅在某種剪切率下，流凝性和觸變性可能會(huì)與之前所提到的流動(dòng)特性一同出現(xiàn)。時(shí)間要素極易發(fā)生改變，在恒定剪切率條件下，一些流體在幾秒之內(nèi)就會(huì)達(dá)到最終粘度值，而其他流體可能需要花費(fèi)幾天。

 

流凝性流體很少遇見(jiàn)。然而，觸變性常見(jiàn)于諸如油脂、濃稠印刷油墨和油漆。

 

剪切率變化時(shí)，觸變性流體會(huì)出現(xiàn)下圖所示的反應(yīng)。當(dāng)剪切率增加到某個(gè)值，然后立刻下降至起始點(diǎn)時(shí)，會(huì)生成剪切應(yīng)力與剪切率關(guān)系圖。請(qǐng)注意上、下曲線不相同。滯后回線是由于流體粘度隨剪切時(shí)間增加而降低引起的。此類效應(yīng)可逆亦或不可逆；如果可在一段時(shí)間內(nèi)不受干擾，一些觸變性流體的粘度會(huì)重新恢復(fù)到初始值，而其他流體從不會(huì)如此。

 

當(dāng)然，流體的流變特性對(duì)粘度測(cè)量技術(shù)有著深遠(yuǎn)的影響。之后我們將會(huì)論述此類影響及其處理方式。

 

層流和湍流

 

   粘度的定義暗示了層流的存在：一層流體流過(guò)另一層，沒(méi)有相互轉(zhuǎn)移物質(zhì)。粘度是這些層之間的摩擦。

 

   依賴于大量因素，超過(guò)一層流體移動(dòng)至另一層的最大速度，便會(huì)出現(xiàn)實(shí)際整體轉(zhuǎn)移。這就叫做湍流。分子或較大粒子從一層躍至另一層，過(guò)程中消耗了大量能量。最終結(jié)果是在相同速度下，維持湍流所需的能量輸入比維持層流的能量輸入大。

 

   在相同剪切率下，增加的能量輸入表現(xiàn)為比在層流情況下所觀察到的剪切應(yīng)力明顯增大。這樣會(huì)產(chǎn)生虛高的粘度讀數(shù)。

 

層流發(fā)展成湍流時(shí)所處的點(diǎn)取決于除各層移動(dòng)速度之外的其他因素。物料的粘度、特定重力、以及粘度計(jì)轉(zhuǎn)子和樣品容器的幾何外形都會(huì)影響該轉(zhuǎn)折出現(xiàn)時(shí)所處的點(diǎn)。

 

   需要注意區(qū)分湍流情況和膨脹體流動(dòng)特性。一般來(lái)說(shuō)，膨脹性物料會(huì)顯示出粘度會(huì)隨剪切率增加而穩(wěn)定增加；超過(guò)某個(gè)剪切率時(shí)，湍流粘度會(huì)突然顯著增加。物料流動(dòng)特性可能是此點(diǎn)下方的牛頓流體性或非牛頓流體性。

 

   由于大多Brookfield粘度計(jì)都以較低的剪切率運(yùn)行，似乎不太可能遇到湍流，除非使用LV系列粘度計(jì)測(cè)量低于15cP的粘度或者使用其他機(jī)型測(cè)量低于85cP的粘度。流體粘度越高，就越不可能出現(xiàn)湍流。測(cè)量低粘度流體時(shí)，如果觀察到湍流，通?？刹捎贸驼扯冗m配器附件來(lái)消除。

 

什么會(huì)影響流變特性？

 

粘度數(shù)據(jù)通常起到“窗口”作用，通過(guò)它便可觀察到物料的其他特性。粘度比一些可影響粘度的特性更易于測(cè)量，使它成為進(jìn)行物料定性的一種重要工具。本章早前部分已論述了多種類型的流變特性以及如何確定這些特性。已確定物料中的特定流變特性，您可能想知道就其他特性而言，此信息暗示了什么。本部分以所收集的多年客戶經(jīng)驗(yàn)信息為依據(jù)，可作為“備忘錄”，以便使您想起粘度計(jì)幫您解決的難以理解的事情。

 

溫度

可對(duì)流變特性產(chǎn)生影響的最明顯的因素之一是溫度。一些物料對(duì)溫度非常敏感，較小的變化就會(huì)導(dǎo)致粘度顯著改變。其他比較不敏感。對(duì)受制于使用中或生產(chǎn)中溫度變化的物料進(jìn)行評(píng)估時(shí)，例如機(jī)油、油脂、熱熔粘接劑，將溫度對(duì)粘度的影響考慮在內(nèi)很有必要。

 

剪切率

現(xiàn)實(shí)世界中，非牛頓流體趨于標(biāo)準(zhǔn)而不是例外，對(duì)于從事流變數(shù)據(jù)實(shí)踐應(yīng)用的任何人來(lái)說(shuō)，評(píng)估剪切率的影響很有必要。例如，試圖泵出流經(jīng)系統(tǒng)的膨脹性流體，卻使它在泵內(nèi)變得堅(jiān)實(shí)，導(dǎo)致整個(gè)工序驟然停止，這將是災(zāi)難性的。雖然這是一個(gè)極端例子，但也不應(yīng)低估剪切率影響的重要性。

 

在生產(chǎn)或使用中，以多種剪切率處理物料時(shí)，了解以預(yù)估剪切率測(cè)得的粘度很有必要。如果對(duì)這些都不了解，應(yīng)當(dāng)制定一個(gè)估值。應(yīng)以與估值盡可能相近的剪切率來(lái)測(cè)量粘度。

 

由于這些值超出了粘度計(jì)的剪切率范圍，測(cè)量期間通常不可能近似于預(yù)估剪切率值。在這種情況下，有必要以幾種剪切率進(jìn)行測(cè)量并將數(shù)據(jù)外推至預(yù)估值。這不是獲取此信息最精確的方法，但是往往是唯一的選擇，尤其是預(yù)估剪切率非常高的時(shí)候。實(shí)際上，最好是以幾種剪切速率測(cè)量粘度，以檢測(cè)可能對(duì)生產(chǎn)加工或使用有影響的流變行為。在剪切率值不明確或不重要的情況下，粘度與轉(zhuǎn)速樣品圖通常就可滿足要求。

 

生產(chǎn)和使用過(guò)程中，由于剪切率大幅度變化而受影響的物料實(shí)例有：油漆、化妝品、液態(tài)膠乳、涂料、某些食品以及人體循環(huán)系統(tǒng)中的血液。

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