粘度测量和应用

国家标准物质研究中心  陈惠钊

    对于粘性，人们很容易从诸如浆糊、胶水、油漆、蜂蜜、奶油、面糊这些熟悉的粘性液体感知，其实一切流体(包括水、酒精、血液、润滑油、沥青、面团、膏剂、化妆品、熔化或软化的塑料、橡胶、玻璃、金属甚至气体等)都具有粘性，因为粘性是流体的基本特性，也就是说，凡是流体都具有粘性。粘性是流体的内摩擦，是流体反抗形变(流动是形变的形式之一)的特性。粘度是粘性的程度，是内摩擦力或流动阻力的度量。

一、粘度测量的应用

    流体的粘性有时会给生活带来不便，给生产带来麻烦。例如把原油从油田输送到千里之遥的港口、基地、炼油厂，如果原油粘度太大，输送就很困难，要费很大的动力。但人们也利用流体的粘性应用于生产，例如将具有合适粘度的润滑油加进机器的转动部件之间，将固体之间极大的干摩擦变成液体内部很小的内摩擦，使机器得以运转自如。修理自行车滚珠轴承时，要加粘稠的黄油，就是利用润滑脂静止时为固态，运动时为液态的特殊粘塑性能，将其置于敞开状态的轴承中，作为特定场合下的润滑剂等。粘度及其测量与人们生活、工农业生产及科学研究密切相关。特别在石油、化工、轻工、建材、煤炭、冶金、交通、国防、航天等国民经济各领域有广泛应用。
    在石油开采和化工生产中都离不开粘度测量。
    原油的粘度反映了其在地下的复杂的流动状态，研究地层中不同温度、压力及地质结构下的原油粘度，可以达到合理开采及提高原油产量。原油的管道设计、输送动力及管温计算，把原油从储油罐泵送到蒸馏塔以及润滑油的调和都与粘度密切相关。
    在化学工业中，橡胶、塑料、化纤等三大合成材料、油漆、涂料、粘胶、印刷油墨、各种乳液等的生产过程中的化学反应、终点的控制和加工成型都要做粘度测量。
    在聚合物的生产过程中，要根据不同产品控制不同的聚合度，而聚合度是通过测量粘度实现的。据说某厂在生产有机玻璃时，由于粘度没有测准，聚合过了头，即没有及时控制住反应终点而发生反应釜爆炸的严重后果。橡胶、塑料及许多高分子材料在进行各种加工成型(如压塑、注塑、挤塑、吹塑、压延、积成、流动成型等)时，如果粘度不合适，就会生产加工出劣质的轮胎、胶鞋及塑料制品。合成纤维在纺丝过程中，纺丝液粘度用来控制纺丝的粗细及计算拉丝机的动力。造纸工业中纸张的施胶及涂布加工必须控制胶液的粘度。
    建材、冶金工业中，粘度也是高温熔体的重要物理特性及工艺参数。不同工艺条件下的玻璃粘度如果不合适，吹制出的显像管及玻璃仪器就会出现扭纹、气泡等不均匀的劣质品；采用液态排渣法的发电厂需要测定熔融状态下煤渣粘度以达到顺利排渣，金属冶炼时熔体的粘度只有达到恰当值，金属与矿渣才能彻底分离，既保证金属质量又能节省能源。
    此外，测量食品(如奶油、巧克力、冰淇淋、面团、糖稀)、药品、膏状化妆品、洗涤剂及它们的原料的粘度，对于原料调配柔和、加工制作及产品质量都有密切的关系。
    粘度测量对于医疗保证十分重要，心血管疾病及癌瘤等疑难病症，几乎所有医院及医疗部门为诊断要做血液的粘度测量。如果粘度测量不准，将会引起误诊，甚至造成严重的医疗事故。此外，尿液、痰、关节液及其他生理液体粘度诊断学意义也已受到普遍重视。
    粘度又是石油化工产品的重要质量指标。各种石油产品的规格按粘度来分类，并以它来检查产品的合格率。因为石油产品的粘度在许多场合至关重要，如润滑油及润滑脂的粘度关系工作零件的磨损、发动机的灵活启动，如果粘度不合适，轻则机器不能正常运行、损坏机器，重则酿成严重事故，如交通事故、飞行事故等。煤油、柴油等各种燃料要有合适的粘度才能在雾化器中得到充分雾化，达到最佳的燃烧效果，能源得到充分利用；沥青要求具有使道路及建筑物易于施工，又要保证施工质量的粘度。
    航天工业领域，火箭发动机中，几吨、十几吨重的燃料在几秒钟内就要燃烧完以产生巨大推力，这些特种的固体、液体燃料的粘度大大影响燃料的注造工艺及质量，影响到卫星及导弹的发射成功率；火箭炮燃料的粘度影响其准确射程。润滑油等各种石油产品的粘度对于坦克、枪炮、兵舰、飞行器等的安全运行也具有特别重要的意义。
    油漆与涂料的粘度如果太大，喷涂物的表面就不会光滑均匀，且容易脱落，粘度太小容易流掉，达不到施工质量。印刷油墨的粘度影响印刷品(包括钱币等)的印刷质量与效果，国家绝密的钞票印制重地，就需要开展大量的精密粘度测试。
    粘胶、粘合剂、胶液的粘度影响涂胶工艺、工件胶接性能以至电影胶片的上胶质量等。粘胶纤维原液、棉纱浆料的粘度影响到产品质量及上胶工艺。

二、粘度的定义及基、标准

    下图可以对粘度加以定量的描述。在两块平行平板M和N中充满液体，使下板N固定不动，沿切线方向对上板M施加切向力F，使其以速度U向前运动，此时两平板间的液体也由静止变为运动状态，但是上下液体的运动速度不同，越靠上速度越大，越近下板速度越小，运动逐层由上向下传递，形成如图所示的速度分布。
    图中流层间的速度差Δv与层间距离Δy之比Δv/Δy称为速度梯度，也称剪切速率D(D=dv/dy)。而设液层面积(同平板面积)为S，切向力与面积之比F/S称为剪切应力τ，则粘度(又称动力粘度)η的定义为剪切应力τ与剪切速率D之比，即η=τ/D，粘度的SI单位为Pa·s。不同流体粘度不同，相同流体在不同温度下粘度也不同，如20 ℃下空气、水、血液(37 ℃)、润滑油、蜂蜜、沥青分别为0.018、1、4～16、10²、10⁴、10⁸ mPa·s。

    在许多场合，运动粘度这个量更便于使用与易于测量，运动粘度v是同温度下的动力粘度η密度p之比，即v=η/p。运动粘度的SI单位为m²/s。
    粘度测量方法最常用的有毛细管法、旋转法、落体法、流动杯法、振动法等。
    粘度基、标准。粘度的起始标准是纯水，纯水的粘度必须通过绝对测量得到，大多数国家都没有开展纯水粘度的绝对测量，各国统一采用美国NIST的测定值，即20 ℃纯水的动力粘度为1.002 mPa·s，运动粘度为1.0038 mm²/s。以它为准用相对法建立各国的粘度基准。我国的粘度基准已建立30多年，基准的量程为(1～1×10⁵ 〕mm²/s，总不确定度为0.05%～0.4%。该基准参加过18次国际比对，历次比对结果在国际上都处于领先或先进水平。
    粘度国家基准建立在国家标准物质研究中心，粘度标准建立在省、自治区、国防、航天等重要部委及部门、重要厂矿计量单位。目前国内已建立粘度标准的单位有约70个，借助标准粘度计及一、二级粘度标准液，将粘度量值从国家基准逐级传递下去。
    除了上述的常温粘度基、标准以外，国家标准物质研究中心还建立了600 ℃～1 400 ℃的高温粘度标准，其粘度量程为10²～10¹² dPa·s，不确定度为±4%～±20%，研制了高温粘度标准物质——标准玻璃，开展高温粘度的检测工作。