布氏粘度計(jì)測量羥乙基纖維素粘度的方法研究

劉 莉 鄧全富 張 環(huán) 田 政

(重慶登康口腔護(hù)理用品股份有限公司,400025)

前言

布氏粘度計(jì)，英文名Brookfield viscometer，來源于美國Brookfield家族開創(chuàng)的旋轉(zhuǎn)粘度測量法，該儀器為旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)，由電機(jī)經(jīng)變速帶動轉(zhuǎn)子作恒速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在某種液體中旋轉(zhuǎn)時，液體會產(chǎn)生作用在轉(zhuǎn)子上的粘性力矩。該作用在轉(zhuǎn)子上的粘性力矩由傳感器檢測出來，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后可得出被測液體的粘度。

羥乙基纖維素(HEC)是一種白色或淡黃色、無味、無毒的纖維狀或粉末狀固體[1]，由堿性纖維素和環(huán)氧乙烷(或氯乙醇)經(jīng)醚化反應(yīng)制備，屬非離子型可溶纖維素醚類，所以活性少，可在大范圍內(nèi)與其他水溶性聚合物、表面活性劑、鹽等共存，被廣泛地用于血液替代品及其它生物醫(yī)用材料中[2]；HEC因其為非離子型，在水中不電離，因而耐酸，耐堿，不與重金屬反應(yīng)而沉淀，所以廣泛用于油田、建筑材料、食品、紡織等工業(yè)[3,4]；HEC可溶于冷、熱水中，其成膜性好，故被作為理想的添加劑用于涂料、粘合劑等行業(yè)[5～7]。

粘度是由流體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)之間的引力形成內(nèi)磨擦，從而在外部表現(xiàn)為抵抗流體流動的能力，因此間接地反映了流體分子結(jié)構(gòu)及其分布狀態(tài)[8]。通過測量粘度可以得到流變行為的數(shù)據(jù)，溶液的流變性質(zhì)與其相對分子質(zhì)量、疏水基團(tuán)的種類、碳鏈長度、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)及其分布、溶液濃度、溫度等因素密切相關(guān)[9～12]，因此粘度是條件性指標(biāo)。不同的測試條件會影響粘度的大小，也影響到粘度結(jié)果的可比性。為了保證粘度測試結(jié)果的可比性、重現(xiàn)性和精確性，針對布氏粘度計(jì)(Brookfield)，對溫度、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速和測量容器進(jìn)行了篩選。

1 儀器與試劑

布氏粘度計(jì)(Brookfield DV-Ⅱ+旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì))；燒杯(200ml，SPARK；300ml，晶花；500ml，蜀牛；1000ml，XINHAO)；電子萬用爐(1000W，天津市泰斯特儀器有限公司)；恒溫恒濕箱(綜合藥品恒定性試驗(yàn)箱，重慶市永生儀器實(shí)驗(yàn)廠)；烘箱；玻璃棒；溫度計(jì)；羥乙基纖維素；蒸餾水(實(shí)驗(yàn)室超純水機(jī))。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 HEC溶液的配制

將HEC在105℃烘箱干燥2h后，在干燥器中冷卻至室溫，快速稱取HEC，精確到小數(shù)點(diǎn)4位數(shù)，置于燒杯中，用60℃去離子水緩慢加入燒杯中，使HEC攪拌膨脹至溶解，配制成1%的HEC水溶液。將配好的HEC溶液密封放置25℃恒溫恒濕箱24h后，取出補(bǔ)足蒸發(fā)水量，充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑹o絮狀，然后靜置于25℃恒溫恒濕箱，待測。

2.2 HEC溶液的測定

開機(jī)、校零、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的設(shè)置等，可參考《 布氏粘度計(jì)校正標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程》。將配置好的HEC水溶液放入恒溫水浴杯內(nèi)，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)要求控制測量溫度。選擇轉(zhuǎn)子后，調(diào)制好布氏粘度計(jì)的速率和轉(zhuǎn)子型號設(shè)置，待轉(zhuǎn)子緩慢旋轉(zhuǎn)下降至指定位置，關(guān)閉升降支架開關(guān)，待讀數(shù)穩(wěn)定后讀數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同轉(zhuǎn)子對HEC粘度測量結(jié)果的影響

Brookfield DV-Ⅱ+旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)；輸入電壓：230伏交流電壓；頻率： 50/60 赫茲；測量溫度：16.8 ℃；相對濕度：58% 。

通過綜合比較粘合劑的粘度范圍、轉(zhuǎn)子大小、轉(zhuǎn)子量程( 3.9 K-1.5 M；1 K = 1 thousands，1 M = 1000 thousands)，選擇合適的轉(zhuǎn)子。

不同轉(zhuǎn)子在合理的測量范圍內(nèi)的測量情況如表1。

表1 布氏粘度計(jì)不同轉(zhuǎn)子對1%HEC的檢測數(shù)據(jù)

HEC水溶液是具有高度假塑性的流體，其表觀黏度隨著剪切速率的增加而降低，隨著剪切速率的增加，聚合物表觀粘度迅速下降，表現(xiàn)出很強(qiáng)的剪切稀釋性，即剪切變稀。通過不同轉(zhuǎn)子的檢測情況可以看出，不同的轉(zhuǎn)子在相同的轉(zhuǎn)速下的粘度檢測值相差不大；相同轉(zhuǎn)子時，測量值隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小。根據(jù)轉(zhuǎn)子的測量范圍和扭矩的利用率大小，選擇了2號轉(zhuǎn)子。

3.2 不同轉(zhuǎn)速對HEC粘度測量結(jié)果的影響

Brookfield DV-Ⅱ+旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)。輸入電壓：230伏交流電壓；頻率： 50/60 赫茲；測量溫度16.8 ℃ ；相對濕度：58% ；轉(zhuǎn)子選擇2號轉(zhuǎn)子；平行試驗(yàn)n=3。

根據(jù)上次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為20 RPM、25 RPM、30 RPM、35 RPM 和40 RPM 的單因素實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)可作HEC水溶液的測量粘度隨轉(zhuǎn)速的變化數(shù)據(jù)表格如下(表2)。

通過三組試液在不同轉(zhuǎn)速下的粘度測量值可以看出，在轉(zhuǎn)速增加的過程中，粘度值不斷變小，高轉(zhuǎn)速下，試液出現(xiàn)了爬桿效應(yīng)；2號轉(zhuǎn)子在30RPM的轉(zhuǎn)速下的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，測量的穩(wěn)定性高，故本實(shí)驗(yàn)選擇了30RPM作為測量轉(zhuǎn)速。

3.3 不同溫度對HEC粘度測量結(jié)果的影響

Brookfield DV-Ⅱ+旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)。輸入電壓：230伏交流電壓；頻率： 50/60 赫茲；相對濕度：58% ；轉(zhuǎn)子：2號轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)速：30 RPM。

HEC在冷水和熱水中均可溶解，且無凝膠特性，取代、溶解和黏度范圍很寬，140℃以下熱穩(wěn)定性好，溶液溫度升高時，黏度會下降，溫度降低時黏度又會增大。

設(shè)定溫度為16.0℃、18.0℃、25.0℃ 和 30.0℃ 的單因素實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)可作HEC水溶液的測量粘度隨溫度的變化曲線。

2號轉(zhuǎn)子在30 RPM轉(zhuǎn)速時，不同溫度的測量情況如下圖1所示：

圖1 布氏粘度計(jì)不同溫度對1%HEC的檢測情況

通過布氏粘度計(jì)不同溫度下對1% HEC的檢測情況，可以看出溫度對羥乙基纖維素的粘度測量值影響很大，隨著溫度的升高，其粘度是逐漸減小的。在對HEC進(jìn)行粘度定量檢測時，一定要對試樣進(jìn)行恒濕恒溫的前處理，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的有可對比性，根據(jù)實(shí)際測量情況和條件，選擇了室溫25℃±0.5℃的條件下進(jìn)行粘度測量。

3.4 不同測量容器對HEC粘度測量結(jié)果的影響

Brookfield DV-Ⅱ+旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)。輸入電壓：230伏交流電壓；頻率： 50/60赫茲；相對濕度：58%；測量溫度25.0℃；轉(zhuǎn)子：2號轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)速：30RPM。

(1)設(shè)定測量容器為200ml、300ml、500ml和1000ml，測量時使不同燒杯中的試液高度一致，主要考察玻璃杯壁對粘度測量的影響，不同型號燒杯的杯壁距2號轉(zhuǎn)子的距離分別是200ml(0.6cm)、300ml(1.05cm)、500ml(1.6cm)和1000ml(2.8cm)，通過實(shí)驗(yàn)可作HEC水溶液的測量粘度隨測量容器的變化曲線如表3所示。

表3 布氏粘度計(jì)不同測量容器對1%HEC的檢測情況

通過布氏粘度計(jì)在不同容器下對1%HEC的檢測情況(不同燒杯中的試液高度一致)，可以看出羥乙基纖維素在200ml燒杯中時測量值偏小，可能是在測量過程中杯壁對轉(zhuǎn)子附近的流體的流動有一定的阻滯作用；相比較而言，500ml燒杯的粘度測量值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，故選擇500ml燒杯作為HEC粘度檢測的測量容器。理論上，使用標(biāo)準(zhǔn)液對布氏粘度計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)時，器皿大小為粘度小于30000CP的標(biāo)準(zhǔn)液，盛裝容器為由500ml有效體積的600ml的底型燒杯，標(biāo)準(zhǔn)容器為內(nèi)直徑為8.25cm，高度為12.1cm，可以使用比標(biāo)準(zhǔn)液燒杯大的容器，但不建議使用比標(biāo)準(zhǔn)燒杯小的容器。而500ml燒杯的內(nèi)徑為8.1cm，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的結(jié)論也符合了理論要求。

(2)考察500ml燒杯作為測量容器時，不同體積的試樣對測量的影響。選擇了300ml、400ml和500ml的試樣做單因素平行實(shí)驗(yàn)，燒杯中試樣的體積決定了轉(zhuǎn)子與杯底的距離，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 500ml測量容器中不同體積的1%

通過布氏粘度計(jì)對不同體積的1%HEC的檢測情況(容器為500ml燒杯)，可以看出500ml的燒杯在400ml和500ml體積時，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，但兩者相差不大，根據(jù)經(jīng)濟(jì)原則，用500ml的燒杯時，選擇400ml的試樣體積。

4 總結(jié)

HEC水溶液是具有高度假塑性的流體，其表觀黏度隨著剪切速率的增加而降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在2號轉(zhuǎn)子和30RPM轉(zhuǎn)速下，測定溫度控制在25℃±0.5℃，配制400ml羥乙基纖維素的水溶液裝于500ml燒杯中測量，可得到較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。