膠粘劑在線黏度計選型時的精度要求研究

丁曉炯

（笙威工程技術服務（上海）有限公司，上海 201399）

膠粘劑在線黏度計選型時的精度要求研究

丁曉炯

（笙威工程技術服務（上海）有限公司，上海 201399）

從流變學和儀器的精度角度出發，利用常見的流變學模型進行在線黏度測量數值分析，結果表明,旋轉式在線黏度計在流程條件下略顯精度不夠，振動式在線黏度計根據內部結構不同需要仔細選擇，只有部分振動式在線黏度計能滿足在線測量的精度要求。

黏度；在線黏度計；流變學；精度

1 在線黏度基本應用

在線黏度計的測量技術和應用已有幾十年的歷史，許多工業生產過程中都要進行黏度的連續自動測量與控制。

在石油煉制的減壓蒸餾、柴油/潤滑油/燃料油等的在線自動調和、石油脫蠟脫瀝青等過程中需要進行在線黏度監測，用以檢查原料質量、監視與控制生產過程、提高產品合格率、實現自動調和及自動切換產品等。在用重油作燃料的交通、電力、玻璃等工業中，燃料油黏度的在線測量可以提高霧化效率，維持最佳的燃燒效果，節約燃料。

在各種聚合工程中，通過黏度在線監測可以控制反應終點。在化纖抽絲前的熔體黏度在線監測可以保證纖維的粗細適當、均勻，減少廢品率及能耗。造紙和紡織工業中的黏度在線測量可以改進淀粉的轉換過程，提高上膠操作和自動涂料過程的質量和效率。食品、化妝品等行業利用在線黏度測量可以控制不同批次產品品質，保持一致性。

此外，在油墨生產、印刷、油漆噴涂、洗滌劑與化妝品生產，膠囊生產以及澆涂、浸漬和滾涂等各類材料的涂布過程也都要進行在線黏度測量[1～3]。

2 目前在線黏度測量中存在的問題

目前，需要測量的聚合物、高分子材料等的熔體或溶液大部分都是非牛頓性剪切變稀的流體。因此，黏度不是一個點，而是一條曲線。既然是一條曲線，那么到底取哪個點更合適，或者說測量到底是在哪個點上？這就需要根據儀器的測量原理和測試條件進行具體分析。

在針對生產過程的在線黏度測量解決方案中，以旋轉法和震動法相對較多，這2種測量方法各有自己的適用場合，有些可以通用，有些不能通用。在選擇測量方法時，不能只看工藝條件中的溫度、壓力、黏度范圍和安裝要求等，而應結合產品的流變學特性來考慮。

目前的在線測量過程實際應用時，經常會發生下面一些問題：①在線測量數據沒有規律，和設想的趨勢不一致；②在線測量結果和試驗室測量數據無法直接對比；③流程工藝條件的波動或不一致，測量結果無法判斷。

針對后續的數據處理[4，5]，在線黏度測量中的選型、溫度補償等問題，一些文獻都有論述[6～8]，本研究就在線黏度計選型時的精度要求展開研究和討論。

3 在線黏度計的精度要求數值計算

3.1 流體類型

流體分為牛頓流體和非牛頓流體，牛頓流體是指流體的黏度不隨測量時剪切率條件變化而變化，即用同樣的測量方法和儀器，在不同的轉速下測量，黏度是不變的；而非牛頓流體是指流體的黏度隨測量時剪切率條件的變化而變化。

目前，實際測量的流體大部分都是非牛頓流體，而非牛頓流體又可按照流變特性的不同分為剪切變稀和剪切變稠2種。實際測量中以剪切變稀的物料相對最多。

3.2 常見的流體模式及本構方程

常用的流體流變模型有：①Bingham 賓漢模型，τ=τo+ηγ；②Casson 卡森（佳信）模型，√τ=√τo+√η *γ；Power Law冪律模型，τ=kγn；④Herschel Bulkley 赫-巴模型：τ=τ+kγn。

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其中：τ為剪切應力（Pa）；γ為剪切率（s-1）；η=τ/γ為黏度（mPa·s）；τo為屈服應力（Pa）；k 為稠度系數；n為流動指數。

目前，相對最常用的是冪律模型，這是用數值模擬的方法來進行在線黏度計測量的，并根據精度的要求進行計算和研究的。

3.3 冪律流體流變計算及測量精度

（1）3種冪律流體的流變數值計算

先假設有3種同類流體，溫度是一致不變的，具有相同的流變行為，但是具有不同的初始黏度，這里設流動指數為-0.5，初始黏度（稠度系數）分別為2 000 mPa·s、1 800 mPa·s、1 500 mPa·s，根據冪律方程，η=2 000×γ-0.、5η=1 800×γ-0.5、η=1 500×γ-0.5，就可以得到不同剪切率下的黏度值，分別為黏度1、黏度2和黏度3，然后對同一剪切率下的流體1和流體2、流體1和流體3的黏度之差進行計算，得到黏度1-黏度2、黏度1-黏度3，如表1所示。圖1為3種不同初始黏度冪律流體的流變曲線。

表1 3種不同初始黏度的冪律流體黏度與剪切率的關系Tab.1 Relationship of viscosity and shear rate for three power-law fluids with different initial viscosity

圖1 3種不同初始黏度冪律流體的流變曲線Fig.1 Rheological curves of three power-law fluids with different initial viscosity

由表1和圖1可知：這3種物料是剪切變稀，隨著剪切率的提高，黏度逐漸下降。在本次計算中，剪切率的最高值為1 500 s-1，這是因為，目前在線黏度計中，產品以振動法和旋轉法居多，旋轉法的剪切率是可以計算的，剪切率和轉速成正比例關系，一般都在幾百以下；而振動法的剪切率不能精確計算，而且不同品牌之間由于儀器結構不同，剪切率也相差很大，經過測量，估計剪切率在1 000～1 500 s-1之間。

根據圖1曲線可以得知，如果針對這3種同類型的物料，在其余條件一致的情況下，包括物料的溫度、測量時物料所處的流場情況（反應釜、容器和管道等），使用旋轉法和振動法將得到不同的測量值，旋轉法的結果往往高于振動法，這與實際測試結果相吻合。

（2）3種冪律流體的黏度差計算

為了便于分析，選取表1中部分代表性的剪切率進行黏度以及黏度差計算，結果如表2所示。

表2 3種不同初始黏度的冪律流體黏度與剪切率的關系Tab.2 Relationship of viscosity and shear rate of three power-law fluids with different initial viscosity

根據表1的計算，將黏度1-黏度2、黏度1-黏度3為橫軸，以剪切率為縱軸做出曲線，從中可以看出，這條曲線類似于冪律流體的流變曲線，也就是說，隨著剪切率的增大，黏度差也是逐漸變小的，見圖2。

圖2 3種不同初始黏度冪律流體的黏度差曲線Fig.2 Vicosity-difference curves of three power-law fluids with different initial viscosity

（3）3種冪律流體的黏度差局部計算

為了更好地說明，將圖2曲線上的部分放大，得到圖3，結合表2和圖3，可以看到數據。

圖3 3種不同初始黏度冪律流體的黏度差局部放大曲線Fig.3 Amplified viscosity-difference curves of three power -law fluids with different initial viscosity

當剪切力為1 s-1時，黏度1-黏度2為200 mPa·s、黏度1-黏度3為500 mPa·s，接近于物料靜止狀態下的黏度；當剪切力為10 s-1時，黏度1-黏度2為63.25 mPa·s、黏度1-黏度3為158.11 mPa·s；當剪切力為100 s-1時，黏度1-黏度2為20.00 mPa·s、黏度1-黏度3為50.00 mPa·s；以上數值接近于旋轉法的測量結果。

當剪切力為1 000 s-1時，黏度1-黏度2為6.32 mPa·s、黏度1-黏度3為15.81 mPa·s；當剪切力為1 500 s-1時，黏度1-黏度2為5.16 mPa·s、黏度1-黏度3為12.91 mPa·s；以上數值接近于振動法的測量結果。

綜觀以上的計算結果可以看出，要明顯區分這3種物料，選用旋轉法時，儀器的精度大概在10 mPa·s左右；而選用振動法時，儀器的精度大概在0.5 mPa·s左右，也就是說，從流變模型的計算上看，為了相對準確區分這3種同類型的物料，鑒于物料的流變特性和儀器本身測量剪切率的不同，正常工作狀態下，對儀器本身的測量精度要求也會有所不同。

4 結論

（1）針對同樣的物料，選用不同測量原理的在線黏度計，測量結果會有不同。

（2）由于物料的流變特性和測量剪切率的不同，旋轉法的測量結果高于振動法的測量結果。

（3）對振動法儀器的測量精度要求要高于旋轉法至少一個數量級。

根據計算結果和實際應用經驗，如果在流程溫度條件下，所測物料的試驗室旋轉黏度測量結果在10 000 mPa·s以下的，選用振動法進行測量，在線黏度計的精度要求為1 mPa·s；1 000 mPa·s以下的，選用振動法進行測量，在線黏度計的精度要求為0.1 mPa· s。

針對一些中、低黏度物料的在線黏度測量，推薦使用SRV系列的在線黏度計，可以獲得最低為0.01 mPa·s精度的黏度讀數，結合專用的VM顯示控制器，可以實現黏溫補償以及試驗室數據對比轉換的要求。

根據不同物料的流變特性和測量要求，選取合適的在線黏度計[7]，在加以后續的黏度-溫度補償計算[8]和實驗室數據對比，就可以在生產現場直接進行測量并輸出、顯示需要的結果，實現物料的在線黏度測量，同時和實驗室數據進行直接對比。

[1]陳惠釗.黏度測量[M].北京:中國計量出版社,2003.142-166,227-247.

[2]丁曉炯.在線黏度測量中的流變學問題[A]//中國石油和化工自動化第九屆技術年會論文集[C],2010.

[3]丁曉炯.黏度測量和在線黏度計的應用[J].中國化工裝備,2005,(z1):276-279.

[4]丁曉炯.聚合物反應的在線黏度測量解決方案[A]//北京粘接學會第二十四屆學術年會暨粘接劑、密封劑技術發展研討會論文集[C],2015.

[5]丁曉炯.日化、家化生產的在線黏度測量解決方案[J].輕工科技,2015,(12):47-49.

[6]丁曉炯.聚合物在線流變測量解決方案[J].精細與專用化學品,2015,第23(12):19-22.

[7]丁曉炯.在線黏度計實際選型和使用中需要注意的問題[J].廣東化工,2016,43(17):125-127.

[8]丁曉炯.在線黏度測量過程中的粘溫補償方法應用[J].化學工程與裝備,2016,(9):216-218.

Study on accuracy requirements of online viscometer selection in adhesive industry

DING Xiao-jiong
(SunWilen Engineering Technology Service Co., Ltd., Shanghai 201399, China)

From the view of rheology and instrument accuracy and using the common rheological model for numerical analysis, this article discussed the accuracy and choice of online viscometer. The results show that the accuracy of the rotary online viscometers in the condition of process is slightly insufficient; the vibration online viscometers need to be carefully choosed based on their internal structure to meet the accuracy requirement of on-line measurement.

viscosity; online viscometer; rheology; accuracy

TQ430

A

1001-5922（2017）06-0055-04

2016-12-30

丁曉炯（1967-），男，工程師，主要從事實驗室和在線儀器的測量技術及應用。E-mail：tech@sunwilen.com。