粘度在胶体界面上的科学应用

田文欣

(陕西广播电视大学教务处，陕西 西安 710119)

粘性，很容易从诸如浆糊、胶水、油漆、蜂蜜、奶油、面糊这些熟悉的液体感知，其实一切流体 (包括水、酒精、血液、润滑油、沥青、面团、膏剂、化妆品、熔化或软化的塑料、橡胶、玻璃、金属甚至气体等)都具有粘性，因为粘性是流体的基本特性，所以凡是流体都具有粘性。粘性是流体的内摩擦，是流体反抗形变的特性。粘度是粘性的程度，是内摩擦力或流动阻力的度量。从牛顿内摩擦定律可知，粘度是一个单位面积的流层以单位速度相对于相距单位距离的流层流动所需的切向力［1］。实验室测定粘度的原理一般大都是由斯托克斯公式和泊肃叶公式导出有关粘滞系数的表达式而求得。

在生产中，流体的粘性有时会带来麻烦。例如把原油从油田输送到千里之遥的港口、基地、炼油厂，如果原油粘度太大，输送就很困难，要消耗很大的力。但人们也将流体的粘度科学广泛地应用于石油、化工、轻工、建材、煤炭、冶金、交通等国民经济各领域。

一、粘度在石油行业的应用

在石油开采钻井中，需要用合适粘度的钻井液将钻头在井底破碎的岩屑携带到地面上来，即清洁井眼，它主要取决于钻井液流变性中的粘度特性。粘度是钻井液最重要的性能之一，它是钻井液流动时固相颗粒之间，固体颗粒与液体之间，以及液体分子之间的内摩擦的总反映。钻井液粘度的好坏直接影响着钻进速度。钻井液粘度高，能减少在裂隙地层中的漏失，悬浮岩粉能力强，但是在循环钻井液过程中不易净化，对钻井液中的岩屑沉淀有影响，给钻井液泵抽送增加阻力，钻进过程中钻头处有时会形成泥包钻头现象。钻井液粘度过低，对于在裂隙、松软、缩径、砂层、漏失等地层中使用易发生漏失，不利于保护井壁，不易将井底深处的岩屑携带到地面，导致连接钻杆时易发生沉砂卡钻。所以在不同钻井类型 (垂直井、水平井、定性井)，不同地层钻进时，选用不同粘度的钻井液是很有必要的。影响钻井液粘度的因素有:粘土含量;粘土粒的分散度;土粒的聚结稳定状况或絮凝强度及高分子处理机的性质、分子量和浓度［2］。

二.粘度在化学工业领域的研究与应用

在化学工业中，橡胶、塑料、化纤等三大合成材料，油漆、涂料、粘胶、印刷油墨、各种乳液等的生产过程中的化学反应、终点的控制和加工成型都需要通过测量粘度来实现。

2.1 粘度法测量聚合度。

在聚合物的生产过程中，要根据不同产品控制不同的聚合度，而聚合度是通过测量粘度实现的。粘度法测量聚合物相对分子量 (即聚合度)的原理是在溶液极稀时测量聚合物对溶剂粘度的影响程度。目前常采用单线法和双线法回归聚合物溶液比浓粘度与溶液浓度的关系式，根据关系式求出溶液浓度趋近于0时的比浓粘度，进而求得特性粘度，再由特性粘度经验方程计算出聚合物相对分子量。

如云维股份有限公对PVAc聚合度、粘度、浓度等质量指标作了一定的研究，最终研究出一种通过粘度法快速测定PVAc聚合度的方法，并找出了该厂的PVAc聚合度与粘度转换的数学关系式。该方法大大降低了分析检测PVAc聚合度所用的时间，由原方法所耗时间5～6个小时缩短到1个小时以内，突出地体现了生产控制分析的特点即“快速、准确”［3］。

覃小红等人［4］研究探讨了一种用粘度法快速判断间苯二酚—甲醛树脂粘合性能的方法，采用乌氏粘度计，只需直接在线取样，测出溶液的流出时间，由于溶液在乌氏粘度计中的流出时间与溶液的特性粘数有一定关系，因此用流出时间代替特性粘数值，将其定义为当量粘度来判断生成物结构，从而间接判断生成物的粘合性能。

2.2 变性淀粉浆液粘度在浆纱上浆率中的应用。

所谓浆纱上浆率，是指浆料在纱线内部和外层分布数量总和与纱线自身重量的比值。上浆率的控制，主要从两个方面进行，一是控制纱线在浆液中吸浆过程，二是控制吸浆后纱线通过压浆过程，这两者都很重要。但在一般情况下，纱线吸浆过程对上浆率的控制占主导地位，而压浆过程只能是经过合理分配浆液时在纱线内部和外层的比例起积极作用。正确掌握上浆率，首先应明确浆液粘度对上浆率的影响。浆液粘度越高，纱线通过浆槽时吸附浆液量越多，这是因为浆液粘度越高，其浆液内摩擦阻力越大，纱线浸入浆液时，粘附在纱线上浆液量亦多。在压浆过程中，又由于粘度高、浆液流动性差，在压浆瞬间，浆液来不及全部压除就很快随纱线一起通过压浆辊而带走。反之，浆液粘度越低，浆液内摩擦阻力越小，纱线浸入浆液时，被纱线所吸附和带走的浆液量越小，压浆时浆液易被压浆辊压出而流散。浆液粘度的高低在较大程度上决定着浆液在纱线内部浸入程度和表层被覆的分布状况。当浆液粘度很低时，因其表面张力小而浸透能力强，浆液容易迅速浸透到纱线内部，但压浆时却容易从纱线表面压去较多浆液，这样沉积在纱线表面浆液层就薄，无法满足织造工艺要求。随着浆液粘度逐步增加，浆液对纱线浸透程度将逐步减少，而沉积在纱线表面浆液层将显著增厚，而浆液层的增厚，足以补偿浸透量减少而引起吸浆量的减少。

在纱线浸入浆液亦通过压浆辊送出浆槽时，纱线吸附了一定量浆液，其吸附量多少，实际上就决定了上浆率的高低。上浆率高低主要决定于浆液浓度和浆液吸附系数，在实际生产中，浆液粘度的变化是造成浆液吸附系数波动的主要因素。

2.3 粘度在油漆、涂料和油墨上的应用。

粘度性能被应用在油漆与涂料中，它对乳胶漆的颜填料沉降、施工性以及涂膜的丰满度、流平性和垂直面上的流挂都有影响。如果粘度太大，喷涂物的表面就不会光滑均匀，且容易脱落，粘度太小容易流掉，达不到施工质量。如高性能外墙乳胶漆的流变性是影响漆膜外观和性能的重要因素之一。在施工时的高剪切速率下有较低的粘度，有助于涂料流动并易于施工;在施工前后的低剪切速率下，有较高粘度，可防止颜料沉淀和湿膜流。

同样，粘度对油墨印刷品的印刷质量与效果有影响，因为粘度是油墨内聚力的大小，也是水墨应用中最主要的控制指标。水墨的粘度过低，会造成色浅、网点扩大量大、高光点变形、传墨不均匀等弊端;水墨粘度过高，会影响网纹辊的传墨性能，墨色不匀，颜色有时反而印不深，同时容易造成脏版、糊版、起泡、不干等弊病。

三、展望

粘度参数的测定，对于预测产品生产过程的工艺控制、输送性以及产品在使用时的操作性，具有重要的指导价值。如何掌握合适的粘度势必是工业生产中重要的研究环节，粘度的大小取决于液体的性质与温度，温度升高，粘度将迅速减小。因此，要测定粘度，必须准确地控制温度的变化才有意义。同时，运用粘度法测量高聚物的分子量已是众多研究者关注的重要课题，通过对粘度法的不断研究和改进，使其测量聚合度变得高效，适用性更强。随着国内外对粘度应用研究的不断深入，粘度在胶体界面科学中的应用将会更加广泛。

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［1］李孝武，刘景利，刘焕桥，等.力学计量 ［M］.北京:中国计量出版社，1999.

［2］鄢捷年.钻井液工艺学 ［M］.北京:中国石油大学出版社，2001.

［3］冷革辉.一种PVAc聚合度快速测定方法的研究与应用［D］.昆明理工大学，2007，(6).

［4］覃小红.间苯二酚一醛树脂的粘合性能 ［D］.合成树脂及塑料，2004，21(3):18.