膠粘劑在線黏度計(jì)選型時(shí)的精度要求研究

丁曉炯

（笙威工程技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司，上海 201399）

膠粘劑在線黏度計(jì)選型時(shí)的精度要求研究

丁曉炯

（笙威工程技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司，上海 201399）

從流變學(xué)和儀器的精度角度出發(fā)，利用常見(jiàn)的流變學(xué)模型進(jìn)行在線黏度測(cè)量數(shù)值分析，結(jié)果表明,旋轉(zhuǎn)式在線黏度計(jì)在流程條件下略顯精度不夠，振動(dòng)式在線黏度計(jì)根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同需要仔細(xì)選擇，只有部分振動(dòng)式在線黏度計(jì)能滿足在線測(cè)量的精度要求。

黏度；在線黏度計(jì)；流變學(xué)；精度

1 在線黏度基本應(yīng)用

在線黏度計(jì)的測(cè)量技術(shù)和應(yīng)用已有幾十年的歷史，許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中都要進(jìn)行黏度的連續(xù)自動(dòng)測(cè)量與控制。

在石油煉制的減壓蒸餾、柴油/潤(rùn)滑油/燃料油等的在線自動(dòng)調(diào)和、石油脫蠟脫瀝青等過(guò)程中需要進(jìn)行在線黏度監(jiān)測(cè)，用以檢查原料質(zhì)量、監(jiān)視與控制生產(chǎn)過(guò)程、提高產(chǎn)品合格率、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)和及自動(dòng)切換產(chǎn)品等。在用重油作燃料的交通、電力、玻璃等工業(yè)中，燃料油黏度的在線測(cè)量可以提高霧化效率，維持最佳的燃燒效果，節(jié)約燃料。

在各種聚合工程中，通過(guò)黏度在線監(jiān)測(cè)可以控制反應(yīng)終點(diǎn)。在化纖抽絲前的熔體黏度在線監(jiān)測(cè)可以保證纖維的粗細(xì)適當(dāng)、均勻，減少?gòu)U品率及能耗。造紙和紡織工業(yè)中的黏度在線測(cè)量可以改進(jìn)淀粉的轉(zhuǎn)換過(guò)程，提高上膠操作和自動(dòng)涂料過(guò)程的質(zhì)量和效率。食品、化妝品等行業(yè)利用在線黏度測(cè)量可以控制不同批次產(chǎn)品品質(zhì)，保持一致性。

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

2 目前在線黏度測(cè)量中存在的問(wèn)題

目前，需要測(cè)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(gè)點(diǎn)，而是一條曲線。既然是一條曲線，那么到底取哪個(gè)點(diǎn)更合適，或者說(shuō)測(cè)量到底是在哪個(gè)點(diǎn)上？這就需要根據(jù)儀器的測(cè)量原理和測(cè)試條件進(jìn)行具體分析。

在針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的在線黏度測(cè)量解決方案中，以旋轉(zhuǎn)法和震動(dòng)法相對(duì)較多，這2種測(cè)量方法各有自己的適用場(chǎng)合，有些可以通用，有些不能通用。在選擇測(cè)量方法時(shí)，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(yīng)結(jié)合產(chǎn)品的流變學(xué)特性來(lái)考慮。

目前的在線測(cè)量過(guò)程實(shí)際應(yīng)用時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生下面一些問(wèn)題：①在線測(cè)量數(shù)據(jù)沒(méi)有規(guī)律，和設(shè)想的趨勢(shì)不一致；②在線測(cè)量結(jié)果和試驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法直接對(duì)比；③流程工藝條件的波動(dòng)或不一致，測(cè)量結(jié)果無(wú)法判斷。

針對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理[4，5]，在線黏度測(cè)量中的選型、溫度補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，一些文獻(xiàn)都有論述[6～8]，本研究就在線黏度計(jì)選型時(shí)的精度要求展開(kāi)研究和討論。

3 在線黏度計(jì)的精度要求數(shù)值計(jì)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(cè)量時(shí)剪切率條件變化而變化，即用同樣的測(cè)量方法和儀器，在不同的轉(zhuǎn)速下測(cè)量，黏度是不變的；而非牛頓流體是指流體的黏度隨測(cè)量時(shí)剪切率條件的變化而變化。

目前，實(shí)際測(cè)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(shí)際測(cè)量中以剪切變稀的物料相對(duì)最多。

3.2 常見(jiàn)的流體模式及本構(gòu)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(yīng)力（Pa）；γ為剪切率（s-1）；η=τ/γ為黏度（mPa·s）；τo為屈服應(yīng)力（Pa）；k 為稠度系數(shù)；n為流動(dòng)指數(shù)。

目前，相對(duì)最常用的是冪律模型，這是用數(shù)值模擬的方法來(lái)進(jìn)行在線黏度計(jì)測(cè)量的，并根據(jù)精度的要求進(jìn)行計(jì)算和研究的。

3.3 冪律流體流變計(jì)算及測(cè)量精度

（1）3種冪律流體的流變數(shù)值計(jì)算

先假設(shè)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(shè)流動(dòng)指數(shù)為-0.5，初始黏度（稠度系數(shù)）分別為2 000 mPa·s、1 800 mPa·s、1 500 mPa·s，根據(jù)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(duì)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(jìn)行計(jì)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(guān)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(jì)算中，剪切率的最高值為1 500 s-1，這是因?yàn)?，目前在線黏度計(jì)中，產(chǎn)品以振動(dòng)法和旋轉(zhuǎn)法居多，旋轉(zhuǎn)法的剪切率是可以計(jì)算的，剪切率和轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，一般都在幾百以下；而振動(dòng)法的剪切率不能精確計(jì)算，而且不同品牌之間由于儀器結(jié)構(gòu)不同，剪切率也相差很大，經(jīng)過(guò)測(cè)量，估計(jì)剪切率在1 000～1 500 s-1之間。

根據(jù)圖1曲線可以得知，如果針對(duì)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(cè)量時(shí)物料所處的流場(chǎng)情況（反應(yīng)釜、容器和管道等），使用旋轉(zhuǎn)法和振動(dòng)法將得到不同的測(cè)量值，旋轉(zhuǎn)法的結(jié)果往往高于振動(dòng)法，這與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相吻合。

（2）3種冪律流體的黏度差計(jì)算

為了便于分析，選取表1中部分代表性的剪切率進(jìn)行黏度以及黏度差計(jì)算，結(jié)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(guān)系Tab.2 Relationship of viscosity and shear rate of three power-law fluids with different initial viscosity

根據(jù)表1的計(jì)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(shuō)，隨著剪切率的增大，黏度差也是逐漸變小的，見(jiàn)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(jì)算

為了更好地說(shuō)明，將圖2曲線上的部分放大，得到圖3，結(jié)合表2和圖3，可以看到數(shù)據(jù)。

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(dāng)剪切力為1 s-1時(shí)，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?fàn)顟B(tài)下的黏度；當(dāng)剪切力為10 s-1時(shí)，黏度1-黏度2為63.25 mPa·s、黏度1-黏度3為158.11 mPa·s；當(dāng)剪切力為100 s-1時(shí)，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(shù)值接近于旋轉(zhuǎn)法的測(cè)量結(jié)果。

當(dāng)剪切力為1 000 s-1時(shí)，黏度1-黏度2為6.32 mPa·s、黏度1-黏度3為15.81 mPa·s；當(dāng)剪切力為1 500 s-1時(shí)，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(shù)值接近于振動(dòng)法的測(cè)量結(jié)果。

綜觀以上的計(jì)算結(jié)果可以看出，要明顯區(qū)分這3種物料，選用旋轉(zhuǎn)法時(shí)，儀器的精度大概在10 mPa·s左右；而選用振動(dòng)法時(shí)，儀器的精度大概在0.5 mPa·s左右，也就是說(shuō)，從流變模型的計(jì)算上看，為了相對(duì)準(zhǔn)確區(qū)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(cè)量剪切率的不同，正常工作狀態(tài)下，對(duì)儀器本身的測(cè)量精度要求也會(huì)有所不同。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)同樣的物料，選用不同測(cè)量原理的在線黏度計(jì)，測(cè)量結(jié)果會(huì)有不同。

（2）由于物料的流變特性和測(cè)量剪切率的不同，旋轉(zhuǎn)法的測(cè)量結(jié)果高于振動(dòng)法的測(cè)量結(jié)果。

（3）對(duì)振動(dòng)法儀器的測(cè)量精度要求要高于旋轉(zhuǎn)法至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，如果在流程溫度條件下，所測(cè)物料的試驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)量結(jié)果在10 000 mPa·s以下的，選用振動(dòng)法進(jìn)行測(cè)量，在線黏度計(jì)的精度要求為1 mPa·s；1 000 mPa·s以下的，選用振動(dòng)法進(jìn)行測(cè)量，在線黏度計(jì)的精度要求為0.1 mPa· s。

針對(duì)一些中、低黏度物料的在線黏度測(cè)量，推薦使用SRV系列的在線黏度計(jì)，可以獲得最低為0.01 mPa·s精度的黏度讀數(shù)，結(jié)合專用的VM顯示控制器，可以實(shí)現(xiàn)黏溫補(bǔ)償以及試驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)比轉(zhuǎn)換的要求。

根據(jù)不同物料的流變特性和測(cè)量要求，選取合適的在線黏度計(jì)[7]，在加以后續(xù)的黏度-溫度補(bǔ)償計(jì)算[8]和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)比，就可以在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行測(cè)量并輸出、顯示需要的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)物料的在線黏度測(cè)量，同時(shí)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行直接對(duì)比。

[1]陳惠釗.黏度測(cè)量[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2003.142-166,227-247.

[2]丁曉炯.在線黏度測(cè)量中的流變學(xué)問(wèn)題[A]//中國(guó)石油和化工自動(dòng)化第九屆技術(shù)年會(huì)論文集[C],2010.

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

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[8]丁曉炯.在線黏度測(cè)量過(guò)程中的粘溫補(bǔ)償方法應(yīng)用[J].化學(xué)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(shí)驗(yàn)室和在線儀器的測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用。E-mail：tech@sunwilen.com。