粘度測量和應用

國家標準物質(zhì)研究中心  陳惠釗

    對于粘性，人們很容易從諸如漿糊、膠水、油漆、蜂蜜、奶油、面糊這些熟悉的粘性液體感知，其實(shí)一切流體(包括水、酒精、血液、潤滑油、瀝青、面團、膏劑、化妝品、熔化或軟化的塑料、橡膠、玻璃、金屬甚至氣體等)都具有粘性，因為粘性是流體的基本特性，也就是說(shuō)，凡是流體都具有粘性。粘性是流體的內摩擦，是流體反抗形變(流動(dòng)是形變的形式之一)的特性。粘度是粘性的程度，是內摩擦力或流動(dòng)阻力的度量。

一、粘度測量的應用

    流體的粘性有時(shí)會(huì )給生活帶來(lái)不便，給生產(chǎn)帶來(lái)麻煩。例如把原油從油田輸送到千里之遙的港口、基地、煉油廠(chǎng)，如果原油粘度太大，輸送就很困難，要費很大的動(dòng)力。但人們也利用流體的粘性應用于生產(chǎn)，例如將具有合適粘度的潤滑油加進(jìn)機器的轉動(dòng)部件之間，將固體之間極大的干摩擦變成液體內部很小的內摩擦，使機器得以運轉自如。修理自行車(chē)滾珠軸承時(shí)，要加粘稠的黃油，就是利用潤滑脂靜止時(shí)為固態(tài)，運動(dòng)時(shí)為液態(tài)的特殊粘塑性能，將其置于敞開(kāi)狀態(tài)的軸承中，作為特定場(chǎng)合下的潤滑劑等。粘度及其測量與人們生活、工農業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究密切相關(guān)。特別在石油、化工、輕工、建材、煤炭、冶金、交通、國防、航天等國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有廣泛應用。
    在石油開(kāi)采和化工生產(chǎn)中都離不開(kāi)粘度測量。
    原油的粘度反映了其在地下的復雜的流動(dòng)狀態(tài)，研究地層中不同溫度、壓力及地質(zhì)結構下的原油粘度，可以達到合理開(kāi)采及提高原油產(chǎn)量。原油的管道設計、輸送動(dòng)力及管溫計算，把原油從儲油罐泵送到蒸餾塔以及潤滑油的調和都與粘度密切相關(guān)。
    在化學(xué)工業(yè)中，橡膠、塑料、化纖等三大合成材料、油漆、涂料、粘膠、印刷油墨、各種乳液等的生產(chǎn)過(guò)程中的化學(xué)反應、終點(diǎn)的控制和加工成型都要做粘度測量。
    在聚合物的生產(chǎn)過(guò)程中，要根據不同產(chǎn)品控制不同的聚合度，而聚合度是通過(guò)測量粘度實(shí)現的。據說(shuō)某廠(chǎng)在生產(chǎn)有機玻璃時(shí)，由于粘度沒(méi)有測準，聚合過(guò)了頭，即沒(méi)有及時(shí)控制住反應終點(diǎn)而發(fā)生反應釜爆炸的嚴重后果。橡膠、塑料及許多高分子材料在進(jìn)行各種加工成型(如壓塑、注塑、擠塑、吹塑、壓延、積成、流動(dòng)成型等)時(shí)，如果粘度不合適，就會(huì )生產(chǎn)加工出劣質(zhì)的輪胎、膠鞋及塑料制品。合成纖維在紡絲過(guò)程中，紡絲液粘度用來(lái)控制紡絲的粗細及計算拉絲機的動(dòng)力。造紙工業(yè)中紙張的施膠及涂布加工必須控制膠液的粘度。
    建材、冶金工業(yè)中，粘度也是高溫熔體的重要物理特性及工藝參數。不同工藝條件下的玻璃粘度如果不合適，吹制出的顯像管及玻璃儀器就會(huì )出現扭紋、氣泡等不均勻的劣質(zhì)品；采用液態(tài)排渣法的發(fā)電廠(chǎng)需要測定熔融狀態(tài)下煤渣粘度以達到順利排渣，金屬冶煉時(shí)熔體的粘度只有達到恰當值，金屬與礦渣才能徹底分離，既保證金屬質(zhì)量又能節省能源。
    此外，測量食品(如奶油、巧克力、冰淇淋、面團、糖稀)、藥品、膏狀化妝品、洗滌劑及它們的原料的粘度，對于原料調配柔和、加工制作及產(chǎn)品質(zhì)量都有密切的關(guān)系。
    粘度測量對于醫療保證十分重要，心血管疾病及癌瘤等疑難病癥，幾乎所有醫院及醫療部門(mén)為診斷要做血液的粘度測量。如果粘度測量不準，將會(huì )引起誤診，甚至造成嚴重的醫療事故。此外，尿液、痰、關(guān)節液及其他生理液體粘度診斷學(xué)意義也已受到普遍重視。
    粘度又是石油化工產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標。各種石油產(chǎn)品的規格按粘度來(lái)分類(lèi)，并以它來(lái)檢查產(chǎn)品的合格率。因為石油產(chǎn)品的粘度在許多場(chǎng)合至關(guān)重要，如潤滑油及潤滑脂的粘度關(guān)系工作零件的磨損、發(fā)動(dòng)機的靈活啟動(dòng)，如果粘度不合適，輕則機器不能正常運行、損壞機器，重則釀成嚴重事故，如交通事故、飛行事故等。煤油、柴油等各種燃料要有合適的粘度才能在霧化器中得到充分霧化，達到最佳的燃燒效果，能源得到充分利用；瀝青要求具有使道路及建筑物易于施工，又要保證施工質(zhì)量的粘度。
    航天工業(yè)領(lǐng)域，火箭發(fā)動(dòng)機中，幾噸、十幾噸重的燃料在幾秒鐘內就要燃燒完以產(chǎn)生巨大推力，這些特種的固體、液體燃料的粘度大大影響燃料的注造工藝及質(zhì)量，影響到衛星及導彈的發(fā)射成功率；火箭炮燃料的粘度影響其準確射程。潤滑油等各種石油產(chǎn)品的粘度對于坦克、槍炮、兵艦、飛行器等的安全運行也具有特別重要的意義。
    油漆與涂料的粘度如果太大，噴涂物的表面就不會(huì )光滑均勻，且容易脫落，粘度太小容易流掉，達不到施工質(zhì)量。印刷油墨的粘度影響印刷品(包括錢(qián)幣等)的印刷質(zhì)量與效果，國家絕密的鈔票印制重地，就需要開(kāi)展大量的精密粘度測試。
    粘膠、粘合劑、膠液的粘度影響涂膠工藝、工件膠接性能以至電影膠片的上膠質(zhì)量等。粘膠纖維原液、棉紗漿料的粘度影響到產(chǎn)品質(zhì)量及上膠工藝。

二、粘度的定義及基、標準

    下圖可以對粘度加以定量的描述。在兩塊平行平板M和N中充滿(mǎn)液體，使下板N固定不動(dòng)，沿切線(xiàn)方向對上板M施加切向力F，使其以速度U向前運動(dòng)，此時(shí)兩平板間的液體也由靜止變?yōu)檫\動(dòng)狀態(tài)，但是上下液體的運動(dòng)速度不同，越靠上速度越大，越近下板速度越小，運動(dòng)逐層由上向下傳遞，形成如圖所示的速度分布。
    圖中流層間的速度差Δv與層間距離Δy之比Δv/Δy稱(chēng)為速度梯度，也稱(chēng)剪切速率D(D=dv/dy)。而設液層面積(同平板面積)為S，切向力與面積之比F/S稱(chēng)為剪切應力τ，則粘度(又稱(chēng)動(dòng)力粘度)η的定義為剪切應力τ與剪切速率D之比，即η=τ/D，粘度的SI單位為Pa·s。不同流體粘度不同，相同流體在不同溫度下粘度也不同，如20 ℃下空氣、水、血液(37 ℃)、潤滑油、蜂蜜、瀝青分別為0.018、1、4～16、10²、10⁴、10⁸ mPa·s。

    在許多場(chǎng)合，運動(dòng)粘度這個(gè)量更便于使用與易于測量，運動(dòng)粘度v是同溫度下的動(dòng)力粘度η密度p之比，即v=η/p。運動(dòng)粘度的SI單位為m²/s。
    粘度測量方法最常用的有毛細管法、旋轉法、落體法、流動(dòng)杯法、振動(dòng)法等。
    粘度基、標準。粘度的起始標準是純水，純水的粘度必須通過(guò)絕對測量得到，大多數國家都沒(méi)有開(kāi)展純水粘度的絕對測量，各國統一采用美國NIST的測定值，即20 ℃純水的動(dòng)力粘度為1.002 mPa·s，運動(dòng)粘度為1.0038 mm²/s。以它為準用相對法建立各國的粘度基準。我國的粘度基準已建立30多年，基準的量程為(1～1×10⁵ 〕mm²/s，總不確定度為0.05%～0.4%。該基準參加過(guò)18次國際比對，歷次比對結果在國際上都處于領(lǐng)先或先進(jìn)水平。
    粘度國家基準建立在國家標準物質(zhì)研究中心，粘度標準建立在省、自治區、國防、航天等重要部委及部門(mén)、重要廠(chǎng)礦計量單位。目前國內已建立粘度標準的單位有約70個(gè)，借助標準粘度計及一、二級粘度標準液，將粘度量值從國家基準逐級傳遞下去。
    除了上述的常溫粘度基、標準以外，國家標準物質(zhì)研究中心還建立了600 ℃～1 400 ℃的高溫粘度標準，其粘度量程為10²～10¹² dPa·s，不確定度為±4%～±20%，研制了高溫粘度標準物質(zhì)——標準玻璃，開(kāi)展高溫粘度的檢測工作。