粘度測定實驗指導書適用食品科學與工程專業

2011-04-25

                                粘度測定實驗指導書適用食品科學與工程專業

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粘度是表示流體的內磨擦的物理量，是一層流體對另一層流體作相對運動的阻力。流體的粘度隨溫度而變，溫度升高，液體粘度減小，而氣體粘度增大。壓力對液體粘度基本上無影響，而對氣體粘度的影響只有在極高或極低壓力下才比較明顯,因此不注明溫度條件的粘度是沒有意義的。
對于流體,我們通常可以把它們分為兩大類.1.牛頓流體,也就是理想流體,符合牛頓定律即兩相鄰流體層之間的單位面積上的內摩擦力（實際上是表面力中的切應力，又稱剪應力，）與兩流體層間的速度梯度dv/dy成正比，所有的氣體和大部分低分子量（非聚合的）液體或溶液均屬于牛頓型流體。.2.非牛頓流體,凡是不符合牛頓流體公式的流體,統稱為非牛頓流體.其中,流變行為與時間無關的有:假塑性流體,脹塑性流體和賓漢(Bingham)流體.而流變行為跟時間有關的,又分為觸變性流體和震凝性(即反觸變性)流體
粘度值的表示方法：
a.絕對粘度：分為動力粘度和運動粘度。液體中有兩層面積各為1平方厘米和相距1厘米的油液，相對移動速度為1厘米/秒時所產生的阻力，叫動力粘度。單位原是"泊"（P），實用單位是"厘泊"（CP）。換算成現行的法定計量單位用下式：
1泊（P）= 0.1帕*秒（Pa*S）
1厘泊（CP）= 0.01泊（P）= 1毫帕*秒（mPa*S）
在同一溫度下液體的動力粘度與其密度的比值即為運動粘度。單位原是"斯"（St），實用單位是"厘斯"（cSt）。換算成先現行的法定計量單位可用下式：
1斯（St）= 10-4m2/s
1厘斯（cSt）= 1mm2/s
b.相對粘度：在工業生產中用各種特定儀器計量的粘度,例如恩氏的條件度，開口杯的時間。這些數值一般可通過公式轉為絕對粘度。
粘度計的幾種主要類型：
（1）旋轉粘度計：它們通過浸入被測液中的轉子的持續旋轉形成的扭矩來測量粘度值，扭矩與浸入樣品中的轉子被粘性拖拉形成的阻力成比例，因而與粘度也成比例。1934年，Brookfield賣出了他的第一臺表盤式粘度計，此后，他與父親和兄弟一起開辦了一個公司并將表盤式粘度計投放市場，這一產品后來成為世界粘度計的標準。許多協會及工業規范采用了布氏粘度計，國內標準中的NDJ系列就是仿制它的,其中NDJ-1相當于Brookfield的LVDV系列。
它測的是牛頓流體的絕對粘度和非牛頓流體的表觀粘度，對于有觸變性的流體會出現讀數先是很大，然后逐漸減小的現象，使用不同的轉子和轉速得到的粘度值是不同的。所以對我們測的象水煤漿只有固定轉子、轉速，穩定一段時間測定的數值比較才有參考價值。
還有一種連續追蹤淀粉糊化過程中粘度變化常用的布拉班德粘度計據說也是同樣原理，但我沒用過不敢評論。
（2）毛細管型：它的方法是在某一恒定的溫度下，測定一定體積的液體在重力下流過一個標定好的玻璃毛細管粘度計的時間，粘度計的毛細管常數與流動時間的乘積，即為該溫度下測液體的運動粘度。毛細管有烏氏、品氏、芬氏、逆流等多種形式，我們常用的是烏氏毛細管。使用時要注意要正確的選擇毛細管。即試樣在毛細管內流動時間不能少于200秒。若流動時間過快液體在毛細管內流動時會變成湍流而不適用于伯努力方程(Poiseuille)造成計算公式的偏差。另一方面若流速過快易造成視覺的偏差，而影響了分析的精度。測試樣品應無雜質，否則它會粘附于毛細管壁使試樣流動時間增加造成結果偏高。
（3）杯型：為了加快流速，節省測量時間，毛細管長度縮短，管徑擴大，做成短管型或開口粘度杯。 它們測量過程簡單易行，便于現場操作而被廣泛采用。如恩氏粘度計、美國的福特杯和日本察恩杯等，我國參考福特4號杯，略作改動后制成我們常用的涂-4杯。雖然它可把液體流出粘度杯的時間t（秒）通過公式換算成運動粘度。但我個人認為它的精度不高，又沒法控溫，換算意義不大，反而用時間來表示比較直觀。
（4）落球型：雖然我在大學時做過用落球法測定粘度的物理實驗，但是目前市場上落球式粘度計似乎只有德國HAAKE公司，據說在30年代就發明了這種粘度計。它的宣傳資料說“這是一種簡單且精確的粘度計，適用于從氣體到低，中粘度的透明或半透明流體。在工業和研究領域至今仍有它很重要的地位，尤其是用于測定低粘牛頓流體，如人血漿，飲料，啤酒等.”但我目前還沒聽說中國哪個行業將它作為標準，因此也沒見誰用過。
（5）其它：粘度的測定針對不同樣品，有著行業習慣和特點，我這里舉的只是一些通用的例子。
其實實際還有很多種,比如在廠里一次報告中提到測定焦爐里煤的流動性，有一種特定的粘度計，在寫這個貼子時我看到過GBX公司Viscodrop可以測量在加熱爐中熔化的玻璃或陶瓷液滴的粘度，可以進行粘度、表面張力和接觸角測量，溫度范圍從室溫到1000 ℃或2100 ℃。由于僅是宣傳，其原理和使用效果還不清楚。
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