粘度測量和應（yīng）用

國家標準物質（zhì）研究中心  陳惠釗

    對於粘性，人們很容易從諸如漿糊、膠水（shuǐ）、油漆、蜂蜜、奶油、麵糊這些熟悉的粘性液體感知，其實一切流體(包括水（shuǐ）、酒精、血液、潤（rùn）滑油、瀝青、麵團、膏劑、化妝品、熔化或軟化的塑料、橡膠、玻璃、金屬（shǔ）甚（shèn）至氣（qì）體等)都具有粘性，因為粘性是流體的基本特性，也就是說，凡（fán）是流體都具有粘性（xìng）。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（yī）、粘度測量的應用

    流體的粘性有時會給生活帶來不便，給生（shēng）產帶來麻煩。例如把原油從油田輸送到千裏之遙的港口、基地、煉油廠（chǎng），如果原油粘度太大，輸送就很困難，要費很（hěn）大的動力。但人（rén）們也利用流體的粘性應用於生產，例如將（jiāng）具有合適粘度的潤滑油加進機（jī）器的轉動部件之間，將固體之間極大的幹摩擦變成液體內部很小的內摩擦，使機（jī）器得（dé）以運（yùn）轉自如。修（xiū）理（lǐ）自行車滾珠軸承時，要加粘稠的黃油，就是利（lì）用潤滑脂靜（jìng）止時為（wéi）固態，運動時為液（yè）態的（de）特殊粘塑性（xìng）能，將其置於（yú）敞開（kāi）狀態的軸承中，作為（wéi）特定場合下的潤（rùn）滑劑等。粘（zhān）度及其測量與人們（men）生活（huó）、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（jīng）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（dù）測量。
    原油的粘度反映（yìng）了其在地下的複雜的流動（dòng）狀態（tài），研究地層中不同溫度、壓力及地質（zhì）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（yuán）油從儲油罐泵送到蒸餾塔（tǎ）以及潤滑油的調和都與（yǔ）粘度密切相關。
    在化學工業中，橡（xiàng）膠、塑料、化纖等三大合成材料、油漆、塗料、粘膠、印刷油墨、各種乳液等（děng）的生產過程中的化學反應、終點的（de）控製和加工成型都（dōu）要做粘度（dù）測量。
    在聚合物的生產過程中，要（yào）根據不同產品控製不同的聚合度，而聚合度是通過測量粘度（dù）實現的。據說某廠在生產有（yǒu）機玻璃時，由於粘度沒有測準，聚合過了頭，即沒有及時控製住反應終點（diǎn）而發（fā）生反應釜爆炸（zhà）的嚴重（chóng）後果。橡膠、塑料及許多高分（fèn）子材料在進行各（gè）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（guǒ）粘度（dù）不合適，就會生（shēng）產（chǎn）加工出（chū）劣質的輪胎、膠（jiāo）鞋及塑料製品。合成纖維在紡絲（sī）過（guò）程中，紡絲液粘度用來控製紡絲的粗細及計算拉絲機的動力。造紙工業中紙張的施（shī）膠（jiāo）及塗布加工必須控製膠液的粘（zhān）度。
    建材、冶金工業中，粘度也是高溫熔體的重要物理特性及（jí）工藝（yì）參數。不（bú）同工藝條件下的玻璃（lí）粘度如果不合適，吹製出的顯像管及玻璃儀器就會出現扭紋、氣（qì）泡等不均勻的劣質（zhì）品；采用液態（tài）排渣（zhā）法的發電（diàn）廠需要測定熔（róng）融狀態下煤渣粘度以達到順利排渣，金屬（shǔ）冶煉時熔體的粘度隻有達到恰當值，金屬與礦渣才能徹（chè）底分離，既保（bǎo）證金屬質量又能（néng）節省能源。
    此外，測量食品(如奶油、巧克力、冰淇淋、麵團、糖稀)、藥品、膏狀化妝品、洗滌劑及它們的原料的粘度，對於原料調配柔和、加工製作及產品質量都有密切的關係。
    粘度測量對（duì）於醫療保證十分重要，心血管疾病及癌（ái）瘤等疑難病症，幾乎所有醫院及醫療部門（mén）為診（zhěn）斷要做血液的粘度測量。如果粘度（dù）測量不準，將會引起誤診，甚至造成嚴重的醫療事故。此外（wài），尿液、痰、關節液及（jí）其他生理液體粘度診斷學意義也已受到普遍（biàn）重視。
    粘度又是石油化工產品的重要質量指標。各（gè）種（zhǒng）石油產品的規格按粘度來分類，並以它來（lái）檢查（chá）產品的合格率。因為石油產品的（de）粘度在許多場合至關重要，如潤滑油及潤滑脂的粘（zhān）度關係工作零件的磨損、發動機的靈活啟動，如（rú）果粘度不合適，輕則機器（qì）不能正常運行、損壞機器，重則釀成嚴重事故，如交（jiāo）通事故、飛行事故等。煤油、柴油等（děng）各種燃料要（yào）有合適的粘度才能在霧化器中得到充分霧化，達到最（zuì）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築物易於施（shī）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鍾內就要燃燒完以產（chǎn）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（wèi）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（zhǒng）石油產品的粘度對於坦克（kè）、槍炮、兵艦、飛（fēi）行器等的安全（quán）運（yùn）行也具有特別重要的意義。
    油漆與塗（tú）料的粘度如果太大，噴塗物的表麵就不會光滑均勻，且容易脫落（luò），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（yìn）刷品(包括錢（qián）幣等)的印刷（shuā）質量與效果（guǒ），國家絕密（mì）的鈔票印製重地，就需要開（kāi）展大量的精密粘度測試（shì）。
    粘膠、粘合劑、膠液（yè）的粘度影響塗膠工藝、工件膠接（jiē）性能以至電影膠片的（de）上膠（jiāo）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（jiāo）工藝。

二、粘度的定義（yì）及基、標準

    下圖可以對粘度加（jiā）以定（dìng）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（fāng）向對上板M施加切向力F，使其以速度U向前運動（dòng），此時（shí）兩平板（bǎn）間的液體也由靜止變為（wéi）運動狀態，但是上下液體的運動速度不同（tóng），越靠上速度越大，越（yuè）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（fèn）布。
    圖中流層間的速度（dù）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)。而設液層麵積(同平板麵積)為S，切向力與麵積之比F/S稱為剪切應力τ，則粘度(又稱動力粘（zhān）度)η的定義為剪（jiǎn）切應（yīng）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（bú）同，相同流體在不同（tóng）溫度（dù）下粘度也不同，如20 ℃下空（kōng）氣、水、血液(37 ℃)、潤滑（huá）油、蜂蜜、瀝青分（fèn）別（bié）為0.018、1、4～16、10²、10⁴、10⁸ mPa·s。

    在許多場合，運動粘度（dù）這個量更便於使用與易於測量（liàng），運（yùn）動粘度v是同溫度（dù）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（fǎ）最常（cháng）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（zhǔn）。粘度的起始標準是純水，純水的粘（zhān）度必須通過絕對測量得到，大多數國家都沒有開（kāi）展純（chún）水粘度的絕對（duì）測量，各（gè）國統一采（cǎi）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（tā）為準用相對法建立各國的（de）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（zǒng）不確定度為0.05%～0.4%。該基（jī）準參（cān）加過18次國際比對，曆次（cì）比對結果在（zài）國際上都處於（yú）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（shěng）、自（zì）治區、國（guó）防、航天等重要部委及部門、重要廠礦計量單位。目前國內（nèi）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（jiā）標準物質研（yán）究中心還建立了（le）600 ℃～1 400 ℃的（de）高溫粘度標（biāo）準，其粘度量程為10²～10¹² dPa·s，不確（què）定度為±4%～±20%，研製了高溫粘度標準物（wù）質——標準（zhǔn）玻璃（lí），開展高溫粘度的檢測工作。