粘度在膠體界面上的科學(xué)應(yīng)用

田文欣

(陜西廣播電視大學(xué)教務(wù)處，陜西 西安 710119)

粘性，很容易從諸如漿糊、膠水、油漆、蜂蜜、奶油、面糊這些熟悉的液體感知，其實(shí)一切流體 (包括水、酒精、血液、潤(rùn)滑油、瀝青、面團(tuán)、膏劑、化妝品、熔化或軟化的塑料、橡膠、玻璃、金屬甚至氣體等)都具有粘性，因?yàn)檎承允橇黧w的基本特性，所以凡是流體都具有粘性。粘性是流體的內(nèi)摩擦，是流體反抗形變的特性。粘度是粘性的程度，是內(nèi)摩擦力或流動(dòng)阻力的度量。從牛頓內(nèi)摩擦定律可知，粘度是一個(gè)單位面積的流層以單位速度相對(duì)于相距單位距離的流層流動(dòng)所需的切向力［1］。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定粘度的原理一般大都是由斯托克斯公式和泊肅葉公式導(dǎo)出有關(guān)粘滯系數(shù)的表達(dá)式而求得。

在生產(chǎn)中，流體的粘性有時(shí)會(huì)帶來(lái)麻煩。例如把原油從油田輸送到千里之遙的港口、基地、煉油廠，如果原油粘度太大，輸送就很困難，要消耗很大的力。但人們也將流體的粘度科學(xué)廣泛地應(yīng)用于石油、化工、輕工、建材、煤炭、冶金、交通等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。

一、粘度在石油行業(yè)的應(yīng)用

在石油開采鉆井中，需要用合適粘度的鉆井液將鉆頭在井底破碎的巖屑攜帶到地面上來(lái)，即清潔井眼，它主要取決于鉆井液流變性中的粘度特性。粘度是鉆井液最重要的性能之一，它是鉆井液流動(dòng)時(shí)固相顆粒之間，固體顆粒與液體之間，以及液體分子之間的內(nèi)摩擦的總反映。鉆井液粘度的好壞直接影響著鉆進(jìn)速度。鉆井液粘度高，能減少在裂隙地層中的漏失，懸浮巖粉能力強(qiáng)，但是在循環(huán)鉆井液過(guò)程中不易凈化，對(duì)鉆井液中的巖屑沉淀有影響，給鉆井液泵抽送增加阻力，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭處有時(shí)會(huì)形成泥包鉆頭現(xiàn)象。鉆井液粘度過(guò)低，對(duì)于在裂隙、松軟、縮徑、砂層、漏失等地層中使用易發(fā)生漏失，不利于保護(hù)井壁，不易將井底深處的巖屑攜帶到地面，導(dǎo)致連接鉆桿時(shí)易發(fā)生沉砂卡鉆。所以在不同鉆井類型 (垂直井、水平井、定性井)，不同地層鉆進(jìn)時(shí)，選用不同粘度的鉆井液是很有必要的。影響鉆井液粘度的因素有:粘土含量;粘土粒的分散度;土粒的聚結(jié)穩(wěn)定狀況或絮凝強(qiáng)度及高分子處理機(jī)的性質(zhì)、分子量和濃度［2］。

二.粘度在化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

在化學(xué)工業(yè)中，橡膠、塑料、化纖等三大合成材料，油漆、涂料、粘膠、印刷油墨、各種乳液等的生產(chǎn)過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)、終點(diǎn)的控制和加工成型都需要通過(guò)測(cè)量粘度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 粘度法測(cè)量聚合度。

在聚合物的生產(chǎn)過(guò)程中，要根據(jù)不同產(chǎn)品控制不同的聚合度，而聚合度是通過(guò)測(cè)量粘度實(shí)現(xiàn)的。粘度法測(cè)量聚合物相對(duì)分子量 (即聚合度)的原理是在溶液極稀時(shí)測(cè)量聚合物對(duì)溶劑粘度的影響程度。目前常采用單線法和雙線法回歸聚合物溶液比濃粘度與溶液濃度的關(guān)系式，根據(jù)關(guān)系式求出溶液濃度趨近于0時(shí)的比濃粘度，進(jìn)而求得特性粘度，再由特性粘度經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算出聚合物相對(duì)分子量。

如云維股份有限公對(duì)PVAc聚合度、粘度、濃度等質(zhì)量指標(biāo)作了一定的研究，最終研究出一種通過(guò)粘度法快速測(cè)定PVAc聚合度的方法，并找出了該廠的PVAc聚合度與粘度轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)關(guān)系式。該方法大大降低了分析檢測(cè)PVAc聚合度所用的時(shí)間，由原方法所耗時(shí)間5～6個(gè)小時(shí)縮短到1個(gè)小時(shí)以內(nèi)，突出地體現(xiàn)了生產(chǎn)控制分析的特點(diǎn)即“快速、準(zhǔn)確”［3］。

覃小紅等人［4］研究探討了一種用粘度法快速判斷間苯二酚—甲醛樹脂粘合性能的方法，采用烏氏粘度計(jì)，只需直接在線取樣，測(cè)出溶液的流出時(shí)間，由于溶液在烏氏粘度計(jì)中的流出時(shí)間與溶液的特性粘數(shù)有一定關(guān)系，因此用流出時(shí)間代替特性粘數(shù)值，將其定義為當(dāng)量粘度來(lái)判斷生成物結(jié)構(gòu)，從而間接判斷生成物的粘合性能。

2.2 變性淀粉漿液粘度在漿紗上漿率中的應(yīng)用。

所謂漿紗上漿率，是指漿料在紗線內(nèi)部和外層分布數(shù)量總和與紗線自身重量的比值。上漿率的控制，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，一是控制紗線在漿液中吸漿過(guò)程，二是控制吸漿后紗線通過(guò)壓漿過(guò)程，這兩者都很重要。但在一般情況下，紗線吸漿過(guò)程對(duì)上漿率的控制占主導(dǎo)地位，而壓漿過(guò)程只能是經(jīng)過(guò)合理分配漿液時(shí)在紗線內(nèi)部和外層的比例起積極作用。正確掌握上漿率，首先應(yīng)明確漿液粘度對(duì)上漿率的影響。漿液粘度越高，紗線通過(guò)漿槽時(shí)吸附漿液量越多，這是因?yàn)闈{液粘度越高，其漿液內(nèi)摩擦阻力越大，紗線浸入漿液時(shí)，粘附在紗線上漿液量亦多。在壓漿過(guò)程中，又由于粘度高、漿液流動(dòng)性差，在壓漿瞬間，漿液來(lái)不及全部壓除就很快隨紗線一起通過(guò)壓漿輥而帶走。反之，漿液粘度越低，漿液內(nèi)摩擦阻力越小，紗線浸入漿液時(shí)，被紗線所吸附和帶走的漿液量越小，壓漿時(shí)漿液易被壓漿輥壓出而流散。漿液粘度的高低在較大程度上決定著漿液在紗線內(nèi)部浸入程度和表層被覆的分布狀況。當(dāng)漿液粘度很低時(shí)，因其表面張力小而浸透能力強(qiáng)，漿液容易迅速浸透到紗線內(nèi)部，但壓漿時(shí)卻容易從紗線表面壓去較多漿液，這樣沉積在紗線表面漿液層就薄，無(wú)法滿足織造工藝要求。隨著漿液粘度逐步增加，漿液對(duì)紗線浸透程度將逐步減少，而沉積在紗線表面漿液層將顯著增厚，而漿液層的增厚，足以補(bǔ)償浸透量減少而引起吸漿量的減少。

在紗線浸入漿液亦通過(guò)壓漿輥送出漿槽時(shí)，紗線吸附了一定量漿液，其吸附量多少，實(shí)際上就決定了上漿率的高低。上漿率高低主要決定于漿液濃度和漿液吸附系數(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中，漿液粘度的變化是造成漿液吸附系數(shù)波動(dòng)的主要因素。

2.3 粘度在油漆、涂料和油墨上的應(yīng)用。

粘度性能被應(yīng)用在油漆與涂料中，它對(duì)乳膠漆的顏填料沉降、施工性以及涂膜的豐滿度、流平性和垂直面上的流掛都有影響。如果粘度太大，噴涂物的表面就不會(huì)光滑均勻，且容易脫落，粘度太小容易流掉，達(dá)不到施工質(zhì)量。如高性能外墻乳膠漆的流變性是影響漆膜外觀和性能的重要因素之一。在施工時(shí)的高剪切速率下有較低的粘度，有助于涂料流動(dòng)并易于施工;在施工前后的低剪切速率下，有較高粘度，可防止顏料沉淀和濕膜流。

同樣，粘度對(duì)油墨印刷品的印刷質(zhì)量與效果有影響，因?yàn)檎扯仁怯湍珒?nèi)聚力的大小，也是水墨應(yīng)用中最主要的控制指標(biāo)。水墨的粘度過(guò)低，會(huì)造成色淺、網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大量大、高光點(diǎn)變形、傳墨不均勻等弊端;水墨粘度過(guò)高，會(huì)影響網(wǎng)紋輥的傳墨性能，墨色不勻，顏色有時(shí)反而印不深，同時(shí)容易造成臟版、糊版、起泡、不干等弊病。

三、展望

粘度參數(shù)的測(cè)定，對(duì)于預(yù)測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的工藝控制、輸送性以及產(chǎn)品在使用時(shí)的操作性，具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。如何掌握合適的粘度勢(shì)必是工業(yè)生產(chǎn)中重要的研究環(huán)節(jié)，粘度的大小取決于液體的性質(zhì)與溫度，溫度升高，粘度將迅速減小。因此，要測(cè)定粘度，必須準(zhǔn)確地控制溫度的變化才有意義。同時(shí)，運(yùn)用粘度法測(cè)量高聚物的分子量已是眾多研究者關(guān)注的重要課題，通過(guò)對(duì)粘度法的不斷研究和改進(jìn)，使其測(cè)量聚合度變得高效，適用性更強(qiáng)。隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)粘度應(yīng)用研究的不斷深入，粘度在膠體界面科學(xué)中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

］

［1］李孝武，劉景利，劉煥橋，等.力學(xué)計(jì)量 ［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1999.

［2］鄢捷年.鉆井液工藝學(xué) ［M］.北京:中國(guó)石油大學(xué)出版社，2001.

［3］冷革輝.一種PVAc聚合度快速測(cè)定方法的研究與應(yīng)用［D］.昆明理工大學(xué)，2007，(6).

［4］覃小紅.間苯二酚一醛樹脂的粘合性能 ［D］.合成樹脂及塑料，2004，21(3):18.