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技术分享丨如何测量流体的粘度?
专栏:产品
发布日期:2022-05-05
阅读量:94
作者:Peach
人们知道流体在运动过程中会受到阻力,造成机械能的损耗。这个阻力究竟有多大、又和哪些因素有关呢?
人们知道流体在运动过程中会受到阻力,造成机械能的损耗。这个阻力究竟有多大、又和哪些因素有关呢?一般情况下我们会用流体内部的阻力-粘度来进行描述。


1. 粘度在日常生活和工业生产中的重要性  

小到家庭食用油、化妆品大到原油、化工、轻工、建材、煤炭、冶金、交通、国防、航天等国民经济各领域都离不开粘度的影响。原油的粘度反映了其在地下的复杂流动状态,研究地层中不同温度、压力及地质结构下的粘度、可以达到合理开采及提高原油产量。原油的管道设计、输送动力及管温控制等都和粘度密切相关。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,终点控制都和粘度息息相关。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,而聚合度往往可以通过测量粘度来控制。


油漆

原油
乳液
油墨
日常生活中我们经常会与涂料或涂层见面, 如汽车漂亮外观、建筑物内外墙、家具及电器等。液态涂料在储存、运输、涂装过程中,必需经过流体环节,其流变性能是影响其效果的一项重要指标。为了更好了解这些流体特性,如下重点介绍。

 

2. 流体分类及表征 

 

为了获得准确的测量结果,知道产品的流变属性是非常重要:

  • 牛顿流体(例如水):

    这些液体的粘度不会因剪切率变化而变,即在任何速度下粘度是相同的。只有温度会影响粘度,温度改变1° C而粘度会有10%的变化。


  •  时间独立非牛顿流体:

    在一定的剪切速率和温度下粘度读数始终是相同。当样品在恒定的剪切速率下粘度在长时间内不会变化。改变剪切速率粘度也会改变。

a 剪切变稀,假塑性行为(如涂料,洗发水):剪切速率越高而粘度越低。

b 剪切增稠,扩容性行为(如淀粉分散):剪切速率越高而粘度越大。


  • 随时间变化的流体:

    即使在恒定的剪切速率和温度下,流体粘度在整个过程中都会变化。

a 触变性(如番茄酱,膏、奶油):在剪切下粘度会随时间变化而降低。

b 流凝性行为(如乳胶乳液,表面活性剂):在剪切下粘度会随时间的变化而升高。

请注意,高剪切速率也可能导致样品温度升高,容易被误解为时间变化流体。

此外,涡流可能导致错误的高粘度值,涡流由于速度太高造成。


3. 流体测量手段  

 

3.1 粘度杯

在检测粘度的诸多仪器中,最经济实用且操作方便的,当推目前涂料界使用最广泛的流出型粘度计——流出杯。其设计原理是在毛细管粘度计基础上进行改制及放大,各国型号繁多且互不统一。如美国的福特杯(Ford Cup)、赛波特粘度计(Say Bolt);德国DIN杯、恩格拉(Engler)粘度计;法国Afnor杯、巴贝(Barbey)粘度计;英国BS杯、雷德伍德(Redwood)粘度计,以及蔡恩杯(ZahnCup)、歇尔杯(Shell Cup)等均属于此类。我国国家标准则是涂4杯,国际标准化组织推荐的是ISO流出杯。流出型粘度计是利用试样本身重力而产生流动,通常以一定量的试样在一定温度下从粘度杯流出的时间来表示,以秒作单位。根据其操作原理,可将试样的流出时间(秒)通过特性曲线换算成运动粘度值mm²/s。

 

下面将一些常用的粘度杯做些描述:

 

3.1.1粘度杯及标准种类

a 涂4粘度杯

此法是按照国家标准“GB 265运动粘度测定法”,采用毛细管粘度计测得各种标准油的运动粘度,通过公式求出涂4杯的标准流出时间T。

T=0.223V+6(23s≤T<150s)(1)

T=0.154V+11(T<23s)(2)

 

式中:

T——流出时间,s;

V——运动粘度,mm²/s;

 

标准流出时间T与测定的流出时间t之比值即为该粘度杯的修正系数K,K=T/t(3)

由式(3)可求出一系列K1,K2,K3...取其算术平均值,即为该粘度杯的修正系数k。若k在0.95~1.05的范围内,则该粘度杯合格仍可使用,但测试数据与修正系数K相乘,才是真正的实测粘度。

 

b DIN粘度杯





c 福特杯(Ford Cup)


d 蔡恩杯(ZahnCup)



e ISO杯




  • 常见粘度杯流出时间(T)和运动粘度(mm²/s)关系图



3.1.2粘度杯测量及结果判定:


测量过程:

1)使用前应选用合适的溶剂将杯体内壁擦拭干净(注:请特别注意清洗杯体小孔,可用软纸捻成绳状,在流出孔中反复抽拉);然后在空气中干燥或用冷风吹干,不允许有过去测液残余液体粘附在杯中或流出口。

2)选择规定的某一标号的粘度杯,将过滤好的样品和流出杯温度调节至(23±0.5℃)或另一商定温度。

3)将流出杯放在支架上,用水平仪调节支架位置,确保粘度杯的上边缘处于水平位置。

4)用一手指堵住粘度杯孔,将准备好的无泡试样,慢慢灌入流出杯,以避免产生气泡。若有气泡形成,则使其浮至表面,然后除去。

5)用直边刮刀沿流出杯上边缘平刮,或者用边缘圆滑的平板玻璃板滑过整个边缘除去所形成的半月面。水平地将玻璃板拉过粘度杯边缘,使试样的水平面与粘度杯的上边缘处于同一水平位置,即可进行测定。

6)将一适宜容器放在粘度杯下方,与流出孔距离决不能小于100mm。迅速移开手指时,同时启动计时器。待流出孔的流速首次中断时就立即停止计时器,记录流出时间,精确至0.2S。

7)重复测量一次,计算两次测定的平均值。若两次测定值之差大于它们平均值的5%,则应进行第三次测定。如第三次测定与前两次任何一次测定值之差不大于他们平均值的5%,则取该两次测定值的平均值为测定结果。若第三次测定值仍没符合以上要求,则本方法不适用于该样品的测定。

8)立即用适宜的溶剂对其进行清洗。绝不能使用金属清理工具或金属丝。如果流出孔被干沉积物沾污,应用适宜的溶剂使之变软,再仔细清洗,例如用软布穿过流出孔拉擦清洗。


结果判定:

对于一个特定的浸杯得到的结果要在一个规定温度下以“秒”表示,或者将“秒”转换成厘斯托克,具体请参阅以下公式:


ISO杯/DIN杯/Zahn杯

V=KxT-(C/T)


T——流出时间s

V——运动粘度mm²/s


保养注意事项:

因粘度杯的跌落、碰撞会使流出口变形,导致测量出现误差。

因此在使用中要十分爱护,平时不使用的时候请放置在干燥、 清洁的环境中 。

 

校准:

粘度杯在每使用一段时间后(一般1年),应使用校准油进行检测。


日常使用碰到问题:

1. 问题点:同个粘度杯不同时间段测试的时间不一致;原因分析:所用粘度油是否一致?测试时粘度油的油温是否统一?

2. 问题点:两个同型号的粘度杯测试出来的时间不一致;原因分析:粘度油浸入粘度杯的量是否一致?粘度杯放置是否处于同一水平面?粘度杯是否变形?

 

3.2 粘度计系列或种类

3.2.1标准描述


3.2.1.1 GB国标


3.2.1.2  ASTM D562-10 2014

采用Stormer- 型粘度计测量Krebs 单位用的涂料粘稠度的标准试验方法。标准规定了用斯托默粘度计测定涂料粘度的方法,结果以克和克雷布斯(Krebs)单位(KU)表示。

3.2.1.3 ASTM D4287-00 2014

用锥板粘度计测定高速剪切粘度的标准试验方法。标准规定了在高速剪切条件下

(12 000 s-1)使用锥板粘度计测涂料粘度的方法,结果以mPa·s 表示。

3.2.1.4 ISO 2884—1 2016

涂料和清漆,用旋转粘度计测定粘度。第1 部分: 高剪切速率下使用的锥形和板式粘度计。标准规定了在高速剪切条件下使用锥板粘度计测定涂料粘度的方法,结果以mPa·s 表示。

3.2.1.5 ISO 2884—2 2014

色漆和清漆,用旋转粘度计测定粘度。第2 部分: 以规定速率工作的盘式或球式粘度计。标准规定了使用盘式或球式粘度计测定涂料粘度的方法,结果以mPa·s 表示。

 

3.2.2实测及分析结果

选择粘度计



实测过程

以BEVS 1132锥板粘度计为例

A.操作视频:




B.分析结果:

实测数据及分析


C. 日常使用中碰到问题及解决方案:


Q:如何选择一种准确的粘度计

A:首先,仪器的性能指标必须满足国家计量检定规程度要求;

其次,使用中的仪器要进行周期检定;

再次,必要时(仪器使用频繁或处于合格临界状态)要进行中间自查以确定其计量性能合格;

最后,系数误差在允许范围内,否则无法获得准确数据。


Q:如何通过掌控关键资料获取准确的粘度测量结果?

A:注意以下的技术资料,确保这些技术资料的正确与适配,将帮助使用者获得准确的测量结果 :

1. 粘度计型号;

2. 转子类型;

3. 配件(小样品适配器,低粘度适配器,螺旋驱动装置,如有使用);

4. 转速;

5. 样品容器的体积或尺寸;

6. 样品温度;

7. 是否使用转子护套。

最后应该关注的是,只有相同的条件下进行测量,才可以进行比较,因此知道这些数据就显得非常重要。


Q:选择一个样品容器

A:样品容器内径应为83毫米或更大。通常用600毫升烧杯。


Q:如何选择转子和速度

A:根据现有的技术参数或程序使用指定的转子和速度进行测试,并确保粘度计选型正确。选择最佳的转子/速度的组合以免出现错误。有以下注意事项:

1. 扭矩读数应在满量程的15和95%之间;

2. 如果读数超过100%,粘度计给出一个带有报警声的错误信息。在这种情况下,应选择较慢的速度和/或一个较小的转子;

3. 对于读数低15%满量程,粘度计给出一个带有报警声的错误信息。在这种情况下,应选择较高的转速和/或一个较大的转子;

4. 如果知道大概的样品粘度(即已知粘度),则可按照转子与转速的对照表选择正确的组合;

5. 当进行多个测试,对所有测试都使用相同的转子/速度的组合。


Q:如何准备样品?

A:有以下准备注意事项

1. 样品应无气泡,轻摇容器或用真空设备以便去除气泡;

2. 样品的温度应是恒定和均匀的,在正确浸入样品的转子和护架后等待与样品达到相同温度,如使用600毫升烧杯中,建议至少等待30分钟后进行测量;

3. 样品的浓度必须均匀。这尤其适用于双组分(如乳液)的样品;

4. 被测样品在测试过程中不应有化学或物理变化。


Q:仪器水平对检测结果有什么影响?

A:大部分仪器需要调整水平,在更换转子和调节转子高度后以及在测量过程中随时注意水平问题,否则会引起读数偏差甚至无法读数。


Q:如何清洗转子?

A:测量用的转子(包括外套)要清洁无污物,一般要在测量后应及时清洗,特别在测完油漆和胶粘剂之后。要注意清洗的方法,可用合适的有机溶剂浸泡,切忌不可使用金属刀具等硬刮,因为转子表面有严重的刮痕时会带来测量结果的偏差。


Q:流体性能对检测结果的影响有哪些?

A:确定是否为近似牛顿流体,对于非牛顿流体应经过选择后规定转子、转速和旋转时间,以免误解为仪器不准。


4. 结语  

流体粘度的测试,最关键的一步是根据测试的目的和要求选对正确的测量工具,如日常质检还是研发,是实验室测试还是现场测试,是要获取精准的粘度数值还是仅需知道被测流体是否符合工艺使用的要求。当我们明确了自己的实际需求时,就能够快速达成测试的前置工作,挑选到合适的工具来帮助自己获取精准的测试数据,以完成既定的工作目标。关于粘度测量工具的选择,快来跟广州盛华的销售人员联系,索取相关的产品及技术资料吧。