非牛頓液體的粘度

1、非牛頓液體的粘度除了與溫度有關外，還與剪切速率、時間有關，并有剪切變稀或剪切變稠的變化。純液體和低分子物質的溶液屬于牛頓 液體；而大多數液體，如高分子溶液、膠體溶液、乳劑、混懸劑、軟膏以及固-液的不均勻體系的流動都是非牛頓液體。在線粘度測量中的流變學問題丁曉炯廣州市博勒飛粘度計質構儀技術服務有限公司摘要：在線年度測量是目前很多石油、化工、食品、電子、造紙等行業(yè)中應用越來越廣泛的技術，在線粘度的測量方法很多，主要有毛細 管式、旋轉式、振動式、注塞式等。而測量的對象也各不相同，流體的流變特性也各不相同，應用面也各不相同。本文從流變學的角度出 發(fā)，對在線粘度測量的方法、流體的流變學類型進行分析，討論

2、不同在線粘度測量方法的特點和應用，對一些常見行業(yè)應用進行歸納，并 對在線粘度測量中的一些常見問題進行流變學分析，并相應提出在線測量中的處理方法。關鍵詞：在線粘度；流變學；牛頓流體；非牛頓流體；剪切變??；剪切變稠目前，隨著工藝控制要求的不斷提高和測量技術的不斷發(fā)展，在石油、化工、食品、電子、造紙等行業(yè)中在線粘度測量技術應用越來 越廣泛，不同品牌和不同測量原理的在線粘度計都有使用。在實際應用過程中，有使用效果良好的，也有使用效果不理想的，為何會有不 同的效果？除了產品本身的問題，如何根據測量物料的流變特性來選擇相應的在線粘度計，如何解釋在線粘度測量數據和實驗室測量數據 的差異，如何獲得穩(wěn)定一致的測

3、量結果，這些都可以從流變學的角度來進行分析并獲得解決方案。1在線粘度測量技術1.1在線粘度測量的應用在線粘度計的測量技術和應用已經有幾十年的歷史，許多工業(yè)生產過程中都需要進行年度的連續(xù)自動測量與控制。在石油工業(yè)中，在減壓蒸熠過程，在柴油、潤滑油、燃料油等的在線自動調和過程，石油的脫蠟脫瀝青過程等，需要進行在線粘度監(jiān) 測來檢查原料質量，監(jiān)視與控制生產、提高產品合格率，實現自動調和及自動切換產品等。在各種聚合工程中，通過粘度的在線監(jiān)測來控制反應終點。子啊化纖抽絲錢的熔體粘度在線監(jiān)測科儀保證纖維的粗細適當、均勻。減 少廢品率及能耗。此外，在油墨生產、印刷、油漆噴涂、洗滌劑與化妝品生產，膠囊生產以及澆

4、涂、浸漬、滾涂等各類材料的涂布過程也都要進行在線 粘度測量。1.2在線粘度計的類型目前，在線粘度計的類型很多，根據測量原理不同，主要有以下幾種類型：1.2.1毛細管式毛細管式在線粘度計是基于泊氏定律，儀器的主體是一段細管，細管與定量泵連接，由定量泵控制流體以恒定的流量進入細管，有壓力監(jiān)測器測量細管兩端的壓力差，根據泊氏公司計算流體的粘度。這類在線粘度計目前一般使用在石化煉油行業(yè)，用來測量成品油的粘度，測量范圍一般都不高，在幾百 cP以下，但有些特殊的在線粘度計對細管進行特殊設計后也可以用來測量高粘度的流體，但應用相對較少。1.2.2旋轉式在線粘度測量中，旋轉法的應用比其他方法廣些，在線旋轉粘度

5、計的測量原理與實驗室粘度計相同，根據轉子和傳感器的連接方式，可分為外旋式和內旋式兩種，主要是利用轉子在流體中以恒定轉速旋轉，直接測量流體的粘性力大小，計算出粘度。這類在線粘度計是從粘度的物理定義出發(fā)，測量范圍可以很寬，測量時的剪切率也不高，除了測量牛頓流體外，尤其適合于非牛頓流體的測量。1.2.3振動式振動式的在線粘度測量起步相對較晚，但發(fā)展較快。振動法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動，當它剪切流體時，流體的粘度對傳感頭振動振幅有影響，測量維持恒定振幅所輸入的功率，計算得到粘度和密度的乘積。這類在線粘度計的理論測量范圍也很寬，適合于不同的流體測量，但測量時的剪切率不能精確計算，一般剪切率約

6、在1000 s ,因此實際使用中，需要根據流體的流變學特性正確選用。1.2.4注塞式這類在線粘度計是利用一個在流體中水平或垂直運動的活塞，測量活塞在固定位置內的運動時間來計算出流體的粘度。這類粘度計是斷續(xù)式的測量，并不是完全意義上的在線測量；同時由于是依靠活塞的運動，因此流體自身的流動將對測量產生一定的影響。綜上所述，各類在線粘度計的測量原理不同，適用的流體和工藝條件也各不相同，需要根據測量流體的流變學特性和現場工藝條件進行選擇，不能隨意確定，以免造成不必要的損失。2流變學和流變類型2.1流變學和粘度流變學研究的是在外力作用下，物體的變形和流動的學科，研究對象主要是流體。為粘度是流變學中一個很

7、重要的基本概念，粘度是 流體流動力對其內部摩擦現象的一種表示，粘度大表現內摩擦力大。分子量越大，碳氫結合越多，這種力量也越大，因此粘度經常用來表 征分子量、聚合程度、有效成分含量等。在實際測量中，往往會發(fā)現同一個流體的粘度值會有不同，開始懷疑是不是儀器有問題。其實這是粘度測量中的正?，F象，這可以用流 變學理論來具體分析。2.2流體類型流體分為牛頓流體和非牛頓流體，牛頓流體是指流體的粘度不隨測量時的剪切率條件變化而變化，換一句話說，如果是用同樣的測量方法和儀器，在不同的轉速下測量，粘度是不變的；而非牛頓流體是指流體的粘度隨著測量時剪切率條件變化而變化。常見的牛頓流體或接近牛頓流體的有：水、有機溶

8、劑、汽油、柴油等小分子的流體或溶液。一般這類流體的測量采用毛細管式的居多。目前，實際測量的流體大部分都是非牛頓流體， 而非牛頓流體又可按照流變特性 (按剪切率的變化)的不同分為：剪切變稀和剪切變稠 。見圖1、2、3。11I Y2013-7-6 20:19 上傳下載附件（2.07 KB）2013-7-6 20:20 上傳 下載附件（2.21 KB）下載附件(2.1 KB)圖1牛頓流體圖2非牛頓流體 剪切變稀圖3非牛頓流體剪切變稠而測量的化工產品大部分流體又以剪切變稀的居多，聚合物、高分子材料等的熔體或溶液都是。因此，我們常常說：粘度不是一個點,而是一條曲線既然是一條曲線，那么到底取那個點更合適，

9、或者說測量到底是在哪個點上？這就需要根據儀器的測量原理和測試條件 具體分析了。單從流體的流變特性和粘度測量的目的來看，常用的原則是選用低剪切條件下的測量值，這樣可以流體在低剪切下測量，剪切變稀的現象不太明顯，使粘度指標的靈敏性得到充分利用，提高監(jiān)測的靈敏度。TJOW ；IlWi IUMVO 1I ,J h、，1W> | IMUH,* *-«_ MU iMkiIII III2013-7-6 20:20上傳M L* .下載附件（10.79 KB）圖4東菱化工流體產品粘度-剪切率曲線如圖4所示的是東菱化工的兩個不同產品，從流變曲線可以發(fā)現，這兩個產品是剪切變稀的非牛頓流體，在低剪切時

10、藍色樣品粘度比紅色樣品要高，而隨著剪切率的提高，兩者粘度同時下降，但下降趨勢不同，在剪切率大于1500 s后，兩者的粘度大小關系正好相反,因此該客戶試用振動式在線粘度計時，由于儀器固有的剪切率較高，因此和最終產品的檢驗結果差異非常大，大小關系也正好相反，而選用旋轉式在線粘度計后，測量的結果和最終產品的檢驗結果相符，同時，在線粘度值作為反應終點判斷的靈敏度也很高，獲得了預期的在 線測量目的。類似的應用實例在國內外的文獻中都有闡述。3在線粘度計的應用根據以上的儀器測量原理和流變學的理論和實際現象，本人認為在選用在線粘度測量儀器時，首先需要對測量流體的流變特性有一定 的了解，根據被測流體的實際情況來

11、選擇相應合適的儀器，而不能隨意選用在線粘度計，以免造成不必要的損失。根據一些行業(yè)的實際應用情況，簡單做了一些歸納，供大家參考：A、低粘度流體，一般小于 500 mPa*s：這類流體一般為成品油、小分子的聚合物溶液，接近于牛頓流體，最佳的在線測量方法是毛細管 式，其次可以使用旋轉式、活塞式和振動式。B、 中等粘度流體，一般在幾百到10000 mPa*s：這類樣品基本都是剪切變稀的非牛頓流體，剪切變稀的傾向十分明顯，最佳的在線測量 方法是旋轉式，其次是活塞式和振動式。C、高粘度流體，一般在 10000 mPa*s以上：這類樣品基本也都是剪切變稀的非牛頓流體，在線測量的結果往往和實驗室測量結果差異很

12、 大，一方面是由于測量條件的差異，另一方面有時樣品是在實驗室用溶劑溶解后再測量，這樣由于測量條件和方法的不同會導致數據的差異。最佳的在線測量方式是旋轉式，其次是特殊的毛細管式和振動式。當然，這些歸納是從流體的類型角度來考慮的，在實際應用中，還需要根據現場的要求， 主要考慮安裝的要求， 是安裝在管道上，還是安裝在反應釜或容器上； 是敞開體系，還是密閉的高溫高壓體系等; 流體是否具有腐蝕性；流體會不會固化等來綜合考慮。4在線測量中的常見問題由于流體的流變特性和粘度測量的特性，在線粘度測量過程中經常遇到一些常見的問題，在此我們做一歸納并給出解決方案。4.1實驗室數據和在線數據的對比問題在前面我們提到

13、，粘度的測量方法很多，實驗室和在線粘度測量的方法和儀器也很多，這樣在進行數據對比時一定要注意測量條件的 一致性，這個一致性包括了測量方法和測量條件，測量條件又包括了測量溫度、壓力、流速、儀器的測量條件（剪切率）等，只有這些條 件完全一致，測得的結果才會一致。但是實際應用中這些條件很難一致，在這種情況下，很多人會考慮是否可以找到一個相互換算或轉 換的方法，這種思路是正確的，但在實施過程中，由于這種關系的摸索需要一定數據的積累，而且最后的結果往往不是線性的，因此會對 后續(xù)的直接使用造成一定的影響。2013-7-6 20:19 上傳 下載附件（14.28 KB）圖5實驗室粘度和在線粘度數據對比圖（時

14、間-粘度）如圖5所示，這是用 Brookfield的實驗室粘度計 DV-II+pro和在線粘度計TT-100對同一樣品在同一時間和粘度為坐標下的實時曲線，我們可以不必去關心這兩者之間的關系如何，只要通過實驗室數據（可以是 中間產品，也可以是成品）的控制點和上下限，相應地通過時間，找到在線粘度的控制點和上下限，這樣就省去了很多復雜的計算，在最 短時間內獲得在線測量和控制的最佳點。4.2溫度補償問題由于實驗室采樣測量的溫度和現場溫度經常是不同的，而且現場的溫度也會有波動，因此很多使用者會關心和需要溫度補償，這種需 要也是很實際和必要的。目前市場上的在線粘度計產品都會提供溫度補償功能，但在實際使用中

15、還是會有問題，問題到底在哪里呢？目前 溫度補償的理論依據是，通過設置參數對粘度進行不同溫度點的計算，這在理論上是對的，一般都是根據 D341進行計算，但是沒有注意到的是，這需要先行測量流體的粘度-溫度曲線，經過計算才能獲得真實的參數，而不是根據公式簡單的設置幾個參數，需要對測量的流體的粘-溫特性有所詳細了解后才能設置，不能隨意。由于實驗室的溫度控制精度，一般都要比流程控制精度高，我們建議可以采用 4.1 所介紹的方法只進行幾個控制點的直接換算，除了對一些對溫度控制和溫度敏感性特別高的流體外，沒有必要進行溫度補償，如果需要溫 度補償就一定要獲得完整的粘度 -溫度曲線。5結論綜上所述，隨著在線粘度測量技術的應用和發(fā)展，在實際使用中也產生了一些問題，這些問題的由來主要是由于對流體的流變特性、 實驗室粘度測量方法、在線粘度測量方法和在線粘度計的特點了