粘度測量和應用

國家標準物質研究中心  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，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，是內摩擦力或流動阻力的度量。

一、粘度測量的應用

    流體的粘性有時會給生活帶來不便，給生產帶來麻煩。例如把原油從油田輸送到千里之遙的港口、基地、煉油廠，如果原油粘度太大，輸送就很困難，要費很大的動力。但人們也利用流體的粘性應用于生產，例如將具有合適粘度的潤滑油加進機器的轉動部件之間，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。修理自行車滾珠軸承時，要加粘稠的黃油，就是利用潤滑脂靜止時為固態，運動時為液態的特殊粘塑性能，將其置于敞開狀態的軸承中，作為特定場合下的潤滑劑等。粘度及其測量與人們生活、工農業生產及科學研究密切相關。特別在石油、化工、輕工、建材、煤炭、冶金、交通、國防、航天等國民經濟各領域有廣泛應用。
    在石油開采和化工生產中都離不開粘度測量。
    原油的粘度反映了其在地下的復雜的流動狀態，研究地層中不同溫度、壓力及地質結構下的原油粘度，可以達到合理開采及提高原油產量。原油的管道設計、輸送動力及管溫計算，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。
    在化學工業中，橡膠、塑料、化纖等三大合成材料、油漆、涂料、粘膠、印刷油墨、各種乳液等的生產過程中的化學反應、終點的控制和加工成型都要做粘度測量。
    在聚合物的生產過程中，要根據不同產品控制不同的聚合度，而聚合度是通過測量粘度實現的。據說某廠在生產有機玻璃時，由于粘度沒有測準，聚合過了頭，即沒有及時控制住反應終點而發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行各種加工成型(如壓塑、注塑、擠塑、吹塑、壓延、積成、流動成型等)時，如果粘度不合適，就會生產加工出劣質的輪胎、膠鞋及塑料制品。合成纖維在紡絲過程中，紡絲液粘度用來控制紡絲的粗細及計算拉絲機的動力。造紙工業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出現扭紋、氣泡等不均勻的劣質品；采用液態排渣法的發電廠需要測定熔融狀態下煤渣粘度以達到順利排渣，金屬冶煉時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、加工制作及產品質量都有密切的關系。
    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為診斷要做血液的粘度測量。如果粘度測量不準，將會引起誤診，甚至造成嚴重的醫療事故。此外，尿液、痰、關節液及其他生理液體粘度診斷學意義也已受到普遍重視。
    粘度又是石油化工產品的重要質量指標。各種石油產品的規格按粘度來分類，并以它來檢查產品的合格率。因為石油產品的粘度在許多場合至關重要，如潤滑油及潤滑脂的粘度關系工作零件的磨損、發動機的靈活啟動，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，又要保證施工質量的粘度。
    航天工業領域，火箭發動機中，幾噸、十幾噸重的燃料在幾秒鐘內就要燃燒完以產生巨大推力，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量，影響到衛星及導彈的發射成功率；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光滑均勻，且容易脫落，粘度太小容易流掉，達不到施工質量。印刷油墨的粘度影響印刷品(包括錢幣等)的印刷質量與效果，國家絕密的鈔票印制重地，就需要開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量等。粘膠纖維原液、棉紗漿料的粘度影響到產品質量及上膠工藝。

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中充滿液體，使下板N固定不動，沿切線方向對上板M施加切向力F，使其以速度U向前運動，此時兩平板間的液體也由靜止變為運動狀態，但是上下液體的運動速度不同，越靠上速度越大，越近下板速度越小，運動逐層由上向下傳遞，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稱為速度梯度，也稱剪切速率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稱為剪切應力τ，則粘度(又稱動力粘度)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。

    在許多場合，運動粘度這個量更便于使用與易于測量，運動粘度v是同溫度下的動力粘度η密度p之比，即v=η/p。運動粘度的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、流動杯法、振動法等。
    粘度基、標準。粘度的起始標準是純水，純水的粘度必須通過絕對測量得到，大多數國家都沒有開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 ℃純水的動力粘度為1.002 mPa·s，運動粘度為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18次國際比對，歷次比對結果在國際上都處于領先或先進水平。
    粘度國家基準建立在國家標準物質研究中心，粘度標準建立在省、自治區、國防、航天等重要部委及部門、重要廠礦計量單位。目前國內已建立粘度標準的單位有約70個，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——標準玻璃，開展高溫粘度的檢測工作。