粘度測量和流變學分析基礎

概述

粘度是進行流體（例如液體、半固體、氣體、固體）流動測量的一個主要引數。Brookfield產品可測量液體和半固體。結合產品質量和效率進行粘度測量。在研究開發、質量控制或流體轉運中，與流動特性相關的任何人都會參與一些型別的粘度測量。

許多生產商都將粘度計視作其研究、開發、工序控制程式的重要部分。他們知道粘度測量通常會以最快速、最精準、最可靠的方式來分析影響產品效能的最重要因素。流變關係有助於我們瞭解我們所測量的流體，這樣我們既可以知道它們是如何移動的，也可以促使它們按照我們的需求來移動。有許多不同粘度測量技術，每項技術都適用於特定環境和物料。從眾多可滿足應用需求的儀器中選出合適的粘度計並非易事。現今，儀器多種多樣，從簡單到複雜，從對液體排出計時到非常複雜的自動記錄和控制裝置，都有包括。儀器使用者可自行評估相關流動現象，須運用儀器製造商“專業知識和經驗”。Brookfield是粘度測量和資料處理儀器發展中的先鋒，也是科學發展的推動因素。我們具備必備專業知識和經驗，幫您選擇合適儀器，控制工藝。為什麼要進行流變測量？任何人在開始學習思考流變學時，必須首先問自己一個問題“我為什麼要進行粘度測量？”答案存在於已進行過此類測量的成千上萬人的經驗之中，表明可獲得許多有用的產品行為和預測資訊，以及工序、配方、變化、老化現象等影響的知識。在質量控制領域可找到流變特性測量的常見原因，各批原材料必須保持一致。有鑑於此，流動特性是產品一致性和質量的一種間接衡量標準。進行流體特性研究的另一個原因是可獲得對生產效能的直接評估。例如，比起低粘度液體，高粘度液體需要更多力來抽取。因此，設計抽吸和管道系統時，瞭解其流變特性是很有用的。流變學方法是進行物料定性的最敏感的方法，因為流動特性對分子量和分子量分佈等屬性很敏感。這種關係在高分子合成方面很有用，例如，因為在不進行分子量測量的情況下，也可看到相關區別。流變測量在下列化學反應過程中也很有用。此類測量可用於生產期間的質量檢查或監測和/或控制流程。流變測量可用於研究化學品、力學、熱處理、新增劑效果或固化反應過程。也是預測和控制眾多產品特性、最終用途效能和物料特性。流變學思考首先，考慮這個問題“流變學引數可用於關聯產品或工藝的一個方面嗎？”為了確定此問題，須對影響流變反應的化學和物理現象種類有一種本能反應。此時，假設此資訊已知，也已確定幾種可能性。下一步是採集流變學初始資料，以確定什麼型別的流動特性是正在研究的系統的特性。在最基本層次，這涉及可採用哪款Brookfield粘度計進行測量以及根據後續流動特性描述作出結論。一旦確定流動特性的型別，便可瞭解更多系統相互作用的元件相關資訊。因此而獲得的資料擬合到可與Brookfield儀器配套使用的數學模型中。此類數學模型從非常簡單到非常複雜都有包括。一些只是涉及圖表資料繪圖；其他需要計算兩個數的比值。一些非常複雜，需要使用可程式設計計算器或電腦。這種分析是從資料中獲得最多的最佳方式，一般得出其中一個常量，此常量彙總資料並與產品或工藝效能關聯起來。一旦流變資料和產品特性之間的關聯建立起來，可顛倒流程，流變資料可用於預測效能和特性。關於流變學控制韋氏詞典將流變學定義為“對物質形式和流量變化的研究，包括彈性、粘度、塑性。本章我們主要談粘度，進一步定義為由分子吸引力引起的流體內部摩擦，使其阻擋流動傾向。Brookfield粘度計可測量此摩擦，因此函式是流變學的一個工具。本章目的是讓您瞭解不同型別的流動特性，將Brookfield粘度計用作一種流變學儀器，使您對流體進行真切詳細的分析。此資訊對所有粘度計使用者非常有用，尤其是擁護粘度測量理論與學術思想流派的使用者。粘度粘度是流體內部摩擦力的量度。當一層流體移動到相關另一層流體時，此摩擦力變得明顯。摩擦力越大，引起移動（稱作剪下）所需的力值就越大。流體發生物理性移動或分散時，例如傾倒、塗抹、噴灑、混合等，剪下就會出現。因此，就移動所需用力而言，高粘性流體移動所需的力大於低粘性物料移動所需的力。

艾薩克·牛頓透過思考上圖所示模型來定義粘度。等面積A流體的兩條平行面被間隙隔開，正以不同速度V1和V2向同一方向移動。牛頓認為保持此速度差異所需的力與透過液體的速度差異或速度梯度成比例。為了說明這一點，牛頓寫道：

速度梯度，dv/dx，是中間層相對彼此移動速度變化的衡量標準。這描述了液體所歷經的剪下，因而稱作剪下率。後續論述中將用S來表示剪下率。其計量單位稱作sec-1。

F/A術語表示產生剪下動作所需的每單位力。將其稱為剪下應力，用F′表示；其計量單位為達因每平方釐米（dynes/cm2）。

採用這些簡化術語，透過此數學公式對粘度進行定義：

粘度基本計量單位為泊。需用1dynes/cm2剪下應力產生1sec-1剪下率的物料的粘度為1泊或100釐泊。您也會遇到以帕斯卡·秒（Pa·s）或毫帕斯卡·秒（mPa·s）為單位來表示的粘度測量值；這些是國際制單位，有時比公制標準更受歡迎。1帕斯卡-秒相當於10泊；1毫帕斯卡-秒相當於1釐泊。

牛頓認為在既定溫度下，所有物料的粘度與剪下率無關。換言之，兩倍力會以兩倍速度移動流體。而如我們將要看到的，牛頓並不完全正確。

牛頓流體

牛頓所設想的所有流體此類流動特性自然被稱作牛頓體。然而，您可能只會遇到幾種型別流動特性中的一種。牛頓流體以下圖圖表表示。圖表A顯示剪下應力（F′）和剪下率（S）之間的關係是一條直線。圖B顯示，流體的粘性隨剪下率變化保持不變。一般牛頓流體包含水和稀機油。

在實踐中，這表示在既定溫度下牛頓流體的粘度會保持不變，不管測量所使用的粘度計機型、轉子或轉速是什麼。在Brookfield裝置所產生的剪下率範圍內，Brookfield粘度標準液是牛頓流體；那正是它們可與所有粘度計機型配套使用的原因。很顯然，牛頓流體是最容易測量的流體-只需帶上您的粘度計前去測量即可。不幸的是，它們並不像比其複雜得多的一類流體-非牛頓流體一樣常見，下一部分將討論非牛頓流體。

非牛頓流體

非牛頓流體廣義上指F′/S關係不是常數的一種流體。換言之，當剪下率改變時，剪下應力不以相應比例（或甚至未必以同一方向）改變。因此這種流體的粘性隨剪下率的變化而變化。因此，粘度計機型、轉子、轉速的實驗引數都對非牛頓流體的實測粘度具有影響。這一實測粘度稱作流體表觀粘度，只有具有或依附明確實驗引數時才精確。

可將非牛頓流體設想為一種混合不同形狀大小分子的流體。當彼此流經時，正如流動期間所發生的那樣，其大小、形狀、粘結度會確定移動所需的力的大小。在每種特定剪下率下，準線可能不同，可能需要一些力來保持移動。

有幾種型別的非牛頓流體流動特性，所具有的特點是流體粘度隨剪下率變化而變化。您可能會遇到的最常見的非牛頓流體型別包括：

假塑性體

如下圖所示，這種型別的流體粘度隨剪下率增加而降低。這可能是最常見的非牛頓流體，假塑性體包括油漆、乳劑以及多種型別的分散劑。此類流動特性有時被稱為“剪下稀化”。

膨脹性體

膨脹性流體所具有的特點是粘度隨剪下率增加而增加；參見下圖。雖然比假塑性體更少見，膨脹性體常見於包含高水平抗絮凝固體（例如：粘土泥漿、糖果化合物、水中玉米澱粉以及沙/水混合物）的流體中。膨脹性也指剪下增稠流動特性。

塑性流體

這種型別的流體在靜態條件下特性與固體相同。引發任何流動之前，須將一定量的力施加到流體上，這種力稱作屈服值。番茄醬是這類流體的一個很好的例子，其屈服值通常讓其難以從瓶中傾倒，直到搖晃或碰撞瓶子，才能使醬體自由湧出。一旦屈服值超限，開始流動，塑性流體會顯示出牛頓流體、假塑性體或膨脹性體的流動特性。見下圖。

目前為止，我們已論述了剪下率對非牛頓流體的影響。將時間要素考慮在內時會發生什麼？這個問題引出我們對兩種以上非牛頓流體的說明：觸變性和流凝性。

觸變性和流凝性

在恆定剪下率條件下，一些流體粘度會隨時間變化。有兩類需考慮：

觸變性

如下圖所示，當恆速剪下時，觸變性流體的粘度隨時間降低。

流凝性

這基本與觸變特性相反，在恆定剪下率下，流體的粘度隨時間增加。見下圖。

或者僅在某種剪下率下，流凝性和觸變性可能會與之前所提到的流動特性一同出現。時間要素極易發生改變，在恆定剪下率條件下，一些流體在幾秒之內就會達到最終粘度值，而其他流體可能需要花費幾天。

流凝性流體很少遇見。然而，觸變性常見於諸如油脂、濃稠印刷油墨和油漆。

剪下率變化時，觸變性流體會出現下圖所示的反應。當剪下率增加到某個值，然後立刻下降至起始點時，會生成剪下應力與剪下率關係圖。請注意上、下曲線不相同。滯後回線是由於流體粘度隨剪下時間增加而降低引起的。此類效應可逆亦或不可逆；如果可在一段時間內不受干擾，一些觸變性流體的粘度會重新恢復到初始值，而其他流體從不會如此。

當然，流體的流變特性對粘度測量技術有著深遠的影響。之後我們將會論述此類影響及其處理方式。

層流和湍流

粘度的定義暗示了層流的存在：一層流體流過另一層，沒有相互轉移物質。粘度是這些層之間的摩擦。

依賴於大量因素，超過一層流體移動至另一層的最大速度，便會出現實際整體轉移。這就叫做湍流。分子或較大粒子從一層躍至另一層，過程中消耗了大量能量。最終結果是在相同速度下，維持湍流所需的能量輸入比維持層流的能量輸入大。

在相同剪下率下，增加的能量輸入表現為比在層流情況下所觀察到的剪下應力明顯增大。這樣會產生虛高的粘度讀數。

層流發展成湍流時所處的點取決於除各層移動速度之外的其他因素。物料的粘度、特定重力、以及粘度計轉子和樣品容器的幾何外形都會影響該轉折出現時所處的點。

需要注意區分湍流情況和膨脹體流動特性。一般來說，膨脹性物料會顯示出粘度會隨剪下率增加而穩定增加；超過某個剪下率時，湍流粘度會突然顯著增加。物料流動特性可能是此點下方的牛頓流體性或非牛頓流體性。

由於大多Brookfield粘度計都以較低的剪下率執行，似乎不太可能遇到湍流，除非使用LV系列粘度計測量低於15cP的粘度或者使用其他機型測量低於85cP的粘度。流體粘度越高，就越不可能出現湍流。測量低粘度流體時，如果觀察到湍流，通常可採用超低粘度介面卡附件來消除。

什麼會影響流變特性？

粘度資料通常起到“視窗”作用，透過它便可觀察到物料的其他特性。粘度比一些可影響粘度的特性更易於測量，使它成為進行物料定性的一種重要工具。本章早前部分已論述了多種型別的流變特性以及如何確定這些特性。已確定物料中的特定流變特性，您可能想知道就其他特性而言，此資訊暗示了什麼。本部分以所收集的多年客戶經驗資訊為依據，可作為“備忘錄”，以便使您想起粘度計幫您解決的難以理解的事情。

溫度

可對流變特性產生影響的最明顯的因素之一是溫度。一些物料對溫度非常敏感，較小的變化就會導致粘度顯著改變。其他比較不敏感。對受制於使用中或生產中溫度變化的物料進行評估時，例如機油、油脂、熱熔粘接劑，將溫度對粘度的影響考慮在內很有必要。

剪下率

現實世界中，非牛頓流體趨於標準而不是例外，對於從事流變資料實踐應用的任何人來說，評估剪下率的影響很有必要。例如，試圖泵出流經系統的膨脹性流體，卻使它在泵內變得堅實，導致整個工序驟然停止，這將是災難性的。雖然這是一個極端例子，但也不應低估剪下率影響的重要性。

在生產或使用中，以多種剪下率處理物料時，瞭解以預估剪下率測得的粘度很有必要。如果對這些都不瞭解，應當制定一個估值。應以與估值儘可能相近的剪下率來測量粘度。

由於這些值超出了粘度計的剪下率範圍，測量期間通常不可能近似於預估剪下率值。在這種情況下，有必要以幾種剪下率進行測量並將資料外推至預估值。這不是獲取此資訊最精確的方法，但是往往是唯一的選擇，尤其是預估剪下率非常高的時候。實際上，最好是以幾種剪下速率測量粘度，以檢測可能對生產加工或使用有影響的流變行為。在剪下率值不明確或不重要的情況下，粘度與轉速樣品圖通常就可滿足要求。

生產和使用過程中，由於剪下率大幅度變化而受影響的物料例項有：油漆、化妝品、液態膠乳、塗料、某些食品以及人體迴圈系統中的血液。不同剪下率典型例項如下表所示。