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粘度的测定技术及仪器  

2008-04-12 19:19:24|  分类: 实验仪器 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    流体粘度是相邻流体层以不同速度运动时所存在内摩擦力的一种量度。粘度分绝对粘度和相对粘度。绝对粘度有两种表示方法:动力粘度和运动粘度。动力粘度是指当单位面积的流层以单位速度相对于单位距离的流层流出时所需的切向力,用希腊字母η表示粘度系数(俗称粘度),其单位是帕斯卡秒,用符号Pa·s表示。运动粘度是液体的动力粘度与同温度下该液体的密度ρ之比,用符号ν表示,其单位是平方米每秒(m2·s-1)。相对粘度是指某液体粘度与标准液体粘度之比,无量纲。

    化学实验室常用玻璃毛细管粘度计测量液体粘度。此外,恩格勒粘度计、落球式粘度计、旋转式粘度计等也广泛使用。

(一)毛细管粘度计

    毛细管粘度计有乌氏粘度计和奥氏粘度计两种。这两种粘度计比较精确,使用方便,适合于测定液体粘度和高聚物相对摩尔质量。

    直接由实验测定液体的绝对粘度是比较困难的。通常采用测定液体对标准液体(如水)的相对粘度,已知标准液体的粘度就可以标出待测液体的绝对粘度。

    1.乌氏粘度计

    乌氏粘度计的外型各异但基本的构造如图1所示,其使用方法亦尽相同。

图1 乌氏粘度计

1.主管;2.宽管;3.支管;4.弯管;

A.测定球;B.贮器;C.缓冲球;D.悬挂水平贮器; E.毛细管;

x、y.充液线;m1、m2 环形测定线;m3 环形刻线;a, b刻线

 

2.奥氏粘度计

奥氏粘度的结构如图2所示,适用于测定低粘滞性液体的相对粘度,其操作方法与乌氏粘度计类似。但是,由于乌氏粘度计有一支管3,测定时管1中的液体在毛细管下端出口处与管2中的液体断开,形成了气承悬液柱。这样流液下流时所受压力差ρgh与管2中液面高度无关,即与所加的待测液的体积无关故可以在粘度计中稀释液体。而奥氏粘度计测定时,标准液和待测液的体积必须相同,因为液体下流时所受的压力差ρgh与管2中液面高度有关。

 

图2  奥氏粘度计

A.球;B.毛细管;C.加固用的玻棒;a,b环形测定线

 

3.使用玻璃毛细管粘度计注意事项

   (1)粘度计必须洁净,先用经2号砂芯漏斗过滤过的洗液浸泡一天。如用洗液不能洗干净,则改用5%的氢氧化钠乙醇溶液浸泡,再用水冲净,直至毛细管壁不挂水珠,洗干净的粘度计置于110℃的烘箱中烘干。

   (2)粘度计应垂直固定在恒温槽内,因为倾斜会造成液位差变化,引起测量误差,同时会使液体流经时间t变大。

(3)粘度计使用完毕,立即清洗,特别是测高聚物时,要注入纯溶剂浸泡,以免残存的高聚物粘结在毛细管壁上而影响毛细管孔径,甚至堵塞。清洗后在粘度计内注满蒸馏水并加塞,防止落进灰尘。

   (4)液体的粘度与温度有关,一般要求温度变化不超过±0.3℃。

   (5)毛细管粘度计的毛细管内径选择,可根据所测物质的粘度而定,毛细管内径太细,容易堵塞,太粗测量误差较大,一般选择测水时流经毛细管的时间大于100s,在120s左右为宜。

    毛细管粘度计种类较多,除乌氏粘度计和奥氏粘度计外,还有平氏粘度计和芬氏粘度计,乌氏粘度计和奥氏粘度计适用于测定相对粘度,平氏粘度计适用于石油产品的运动粘度,而芬氏粘度计是平氏粘度计的改良,其测量误差更小。

(二)落球式粘度计

1.落球法粘度计的测定原理

    落球法粘度计是借助于固体球在液体中运动受到粘性阻力,测出球在液体中落下一定距离所需的时间。这种粘度计尤其适用于测定具有中等粘性的透明液体。

    根据斯托克斯(Stokes)方程式:

                                         

式中r为球体半径,v为球体下落速度,η为液体粘度,在考虑浮力校正之后,重力与阻力相等时:

                             

                                

式中 为球体密度, 为液体密度,g为重力加速度。

    落球速度可由球降落距离h除以时间t而得: ,代入上式得

                                                  

hr为定值时则得,                        

式中k为仪器常数,可用已知粘度的液体测得。

     落球法测相对粘度的关系式为:

                                            

  式中 分别为液体l和2的密度; 分别为球落在液体1和2中落下一定距离所需的时间。

2.落球式粘度计的测定方法

落球式粘度计如图3所示,其测试方法如下。

(1)用游标卡尺量出钢球的平均直径,计算球的体积。称量若干个钢球,由平均体积和 平均质量计算刚球的密度

(2)将标准液(如甘油)注入落球管内并高于上刻度线球管放入恒温槽内,使其达到热平衡。

(3)钢球从粘度计上圆柱管落下,用停表测定钢球由a落到刻度b所需时间。重复4次,计算平均时间。

(4)将落球粘度计处理干净,按照上述测定方法测待测液体。

(5)标准液体的密度和粘度可从手册中查得,待测液的密度用比重瓶法测得。                                

    落球式粘度计测量范围较宽,用途广泛,尤其适合于测定较高透明度的液体。但对钢球的要求较高,钢球要光滑而圆,另外要防止球从圆柱管下落时与圆柱管的壁相碰,造成测量误差。

图3  落球式粘度计(a-上刻线,b-下刻线)

 

(三) 旋转式粘度计

     旋转式粘度计采用同心轴双转筒旋转方式进行测定。将液体加于两转筒中间,取已知粘度系数的液体与未知液加以比较。根据需要还可测定流体的流变曲线(详见非牛顿流体流变曲线的测定实验)。

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