胶粘剂在线黏度计选型时的精度要求研究

丁晓炯

（笙威工程技术服务（上海）有限公司，上海 201399）

胶粘剂在线黏度计选型时的精度要求研究

丁晓炯

（笙威工程技术服务（上海）有限公司，上海 201399）

从流变学和仪器的精度角度出发，利用常见的流变学模型进行在线黏度测量数值分析，结果表明,旋转式在线黏度计在流程条件下略显精度不够，振动式在线黏度计根据内部结构不同需要仔细选择，只有部分振动式在线黏度计能满足在线测量的精度要求。

黏度；在线黏度计；流变学；精度

1 在线黏度基本应用

在线黏度计的测量技术和应用已有几十年的历史，许多工业生产过程中都要进行黏度的连续自动测量与控制。

在石油炼制的减压蒸馏、柴油/润滑油/燃料油等的在线自动调和、石油脱蜡脱沥青等过程中需要进行在线黏度监测，用以检查原料质量、监视与控制生产过程、提高产品合格率、实现自动调和及自动切换产品等。在用重油作燃料的交通、电力、玻璃等工业中，燃料油黏度的在线测量可以提高雾化效率，维持最佳的燃烧效果，节约燃料。

在各种聚合工程中，通过黏度在线监测可以控制反应终点。在化纤抽丝前的熔体黏度在线监测可以保证纤维的粗细适当、均匀，减少废品率及能耗。造纸和纺织工业中的黏度在线测量可以改进淀粉的转换过程，提高上胶操作和自动涂料过程的质量和效率。食品、化妆品等行业利用在线黏度测量可以控制不同批次产品品质，保持一致性。

此外，在油墨生产、印刷、油漆喷涂、洗涤剂与化妆品生产，胶囊生产以及浇涂、浸渍和滚涂等各类材料的涂布过程也都要进行在线黏度测量[1～3]。

2 目前在线黏度测量中存在的问题

目前，需要测量的聚合物、高分子材料等的熔体或溶液大部分都是非牛顿性剪切变稀的流体。因此，黏度不是一个点，而是一条曲线。既然是一条曲线，那么到底取哪个点更合适，或者说测量到底是在哪个点上？这就需要根据仪器的测量原理和测试条件进行具体分析。

在针对生产过程的在线黏度测量解决方案中，以旋转法和震动法相对较多，这2种测量方法各有自己的适用场合，有些可以通用，有些不能通用。在选择测量方法时，不能只看工艺条件中的温度、压力、黏度范围和安装要求等，而应结合产品的流变学特性来考虑。

目前的在线测量过程实际应用时，经常会发生下面一些问题：①在线测量数据没有规律，和设想的趋势不一致；②在线测量结果和试验室测量数据无法直接对比；③流程工艺条件的波动或不一致，测量结果无法判断。

针对后续的数据处理[4，5]，在线黏度测量中的选型、温度补偿等问题，一些文献都有论述[6～8]，本研究就在线黏度计选型时的精度要求展开研究和讨论。

3 在线黏度计的精度要求数值计算

3.1 流体类型

流体分为牛顿流体和非牛顿流体，牛顿流体是指流体的黏度不随测量时剪切率条件变化而变化，即用同样的测量方法和仪器，在不同的转速下测量，黏度是不变的；而非牛顿流体是指流体的黏度随测量时剪切率条件的变化而变化。

目前，实际测量的流体大部分都是非牛顿流体，而非牛顿流体又可按照流变特性的不同分为剪切变稀和剪切变稠2种。实际测量中以剪切变稀的物料相对最多。

3.2 常见的流体模式及本构方程

常用的流体流变模型有：①Bingham 宾汉模型，τ=τo+ηγ；②Casson 卡森（佳信）模型，√τ=√τo+√η *γ；Power Law幂律模型，τ=kγn；④Herschel Bulkley 赫-巴模型：τ=τ+kγn。

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其中：τ为剪切应力（Pa）；γ为剪切率（s-1）；η=τ/γ为黏度（mPa·s）；τo为屈服应力（Pa）；k 为稠度系数；n为流动指数。

目前，相对最常用的是幂律模型，这是用数值模拟的方法来进行在线黏度计测量的，并根据精度的要求进行计算和研究的。

3.3 幂律流体流变计算及测量精度

（1）3种幂律流体的流变数值计算

先假设有3种同类流体，温度是一致不变的，具有相同的流变行为，但是具有不同的初始黏度，这里设流动指数为-0.5，初始黏度（稠度系数）分别为2 000 mPa·s、1 800 mPa·s、1 500 mPa·s，根据幂律方程，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，分别为黏度1、黏度2和黏度3，然后对同一剪切率下的流体1和流体2、流体1和流体3的黏度之差进行计算，得到黏度1-黏度2、黏度1-黏度3，如表1所示。图1为3种不同初始黏度幂律流体的流变曲线。

表1 3种不同初始黏度的幂律流体黏度与剪切率的关系Tab.1 Relationship of viscosity and shear rate for three power-law fluids with different initial viscosity

图1 3种不同初始黏度幂律流体的流变曲线Fig.1 Rheological curves of three power-law fluids with different initial viscosity

由表1和图1可知：这3种物料是剪切变稀，随着剪切率的提高，黏度逐渐下降。在本次计算中，剪切率的最高值为1 500 s-1，这是因为，目前在线黏度计中，产品以振动法和旋转法居多，旋转法的剪切率是可以计算的，剪切率和转速成正比例关系，一般都在几百以下；而振动法的剪切率不能精确计算，而且不同品牌之间由于仪器结构不同，剪切率也相差很大，经过测量，估计剪切率在1 000～1 500 s-1之间。

根据图1曲线可以得知，如果针对这3种同类型的物料，在其余条件一致的情况下，包括物料的温度、测量时物料所处的流场情况（反应釜、容器和管道等），使用旋转法和振动法将得到不同的测量值，旋转法的结果往往高于振动法，这与实际测试结果相吻合。

（2）3种幂律流体的黏度差计算

为了便于分析，选取表1中部分代表性的剪切率进行黏度以及黏度差计算，结果如表2所示。

表2 3种不同初始黏度的幂律流体黏度与剪切率的关系Tab.2 Relationship of viscosity and shear rate of three power-law fluids with different initial viscosity

根据表1的计算，将黏度1-黏度2、黏度1-黏度3为横轴，以剪切率为纵轴做出曲线，从中可以看出，这条曲线类似于幂律流体的流变曲线，也就是说，随着剪切率的增大，黏度差也是逐渐变小的，见图2。

图2 3种不同初始黏度幂律流体的黏度差曲线Fig.2 Vicosity-difference curves of three power-law fluids with different initial viscosity

（3）3种幂律流体的黏度差局部计算

为了更好地说明，将图2曲线上的部分放大，得到图3，结合表2和图3，可以看到数据。

图3 3种不同初始黏度幂律流体的黏度差局部放大曲线Fig.3 Amplified viscosity-difference curves of three power -law fluids with different initial viscosity

当剪切力为1 s-1时，黏度1-黏度2为200 mPa·s、黏度1-黏度3为500 mPa·s，接近于物料静止状态下的黏度；当剪切力为10 s-1时，黏度1-黏度2为63.25 mPa·s、黏度1-黏度3为158.11 mPa·s；当剪切力为100 s-1时，黏度1-黏度2为20.00 mPa·s、黏度1-黏度3为50.00 mPa·s；以上数值接近于旋转法的测量结果。

当剪切力为1 000 s-1时，黏度1-黏度2为6.32 mPa·s、黏度1-黏度3为15.81 mPa·s；当剪切力为1 500 s-1时，黏度1-黏度2为5.16 mPa·s、黏度1-黏度3为12.91 mPa·s；以上数值接近于振动法的测量结果。

综观以上的计算结果可以看出，要明显区分这3种物料，选用旋转法时，仪器的精度大概在10 mPa·s左右；而选用振动法时，仪器的精度大概在0.5 mPa·s左右，也就是说，从流变模型的计算上看，为了相对准确区分这3种同类型的物料，鉴于物料的流变特性和仪器本身测量剪切率的不同，正常工作状态下，对仪器本身的测量精度要求也会有所不同。

4 结论

（1）针对同样的物料，选用不同测量原理的在线黏度计，测量结果会有不同。

（2）由于物料的流变特性和测量剪切率的不同，旋转法的测量结果高于振动法的测量结果。

（3）对振动法仪器的测量精度要求要高于旋转法至少一个数量级。

根据计算结果和实际应用经验，如果在流程温度条件下，所测物料的试验室旋转黏度测量结果在10 000 mPa·s以下的，选用振动法进行测量，在线黏度计的精度要求为1 mPa·s；1 000 mPa·s以下的，选用振动法进行测量，在线黏度计的精度要求为0.1 mPa· s。

针对一些中、低黏度物料的在线黏度测量，推荐使用SRV系列的在线黏度计，可以获得最低为0.01 mPa·s精度的黏度读数，结合专用的VM显示控制器，可以实现黏温补偿以及试验室数据对比转换的要求。

根据不同物料的流变特性和测量要求，选取合适的在线黏度计[7]，在加以后续的黏度-温度补偿计算[8]和实验室数据对比，就可以在生产现场直接进行测量并输出、显示需要的结果，实现物料的在线黏度测量，同时和实验室数据进行直接对比。

[1]陈惠钊.黏度测量[M].北京:中国计量出版社,2003.142-166,227-247.

[2]丁晓炯.在线黏度测量中的流变学问题[A]//中国石油和化工自动化第九届技术年会论文集[C],2010.

[3]丁晓炯.黏度测量和在线黏度计的应用[J].中国化工装备,2005,(z1):276-279.

[4]丁晓炯.聚合物反应的在线黏度测量解决方案[A]//北京粘接学会第二十四届学术年会暨粘接剂、密封剂技术发展研讨会论文集[C],2015.

[5]丁晓炯.日化、家化生产的在线黏度测量解决方案[J].轻工科技,2015,(12):47-49.

[6]丁晓炯.聚合物在线流变测量解决方案[J].精细与专用化学品,2015,第23(12):19-22.

[7]丁晓炯.在线黏度计实际选型和使用中需要注意的问题[J].广东化工,2016,43(17):125-127.

[8]丁晓炯.在线黏度测量过程中的粘温补偿方法应用[J].化学工程与装备,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

丁晓炯（1967-），男，工程师，主要从事实验室和在线仪器的测量技术及应用。E-mail：tech@sunwilen.com。