概述

当对流体（例如液体，半固体，气体甚至固体）进行任何流量测量时，粘度是一个主要参数。布博勒飞处理液体和半固体。粘度测量结合产品质量和效率进行。任何参与流动表征，研究或开发，质量控制或流体转移的人都会参与某种类型的粘度测量。

现在，许多制造商将粘度计视为其研究，开发和过程控制程序的重要组成部分。他们知道，粘度测量通常是分析影响产品性能的一些最重要因素的最快，最准确和最可靠的方法。

流变关系有助于我们理解我们正在使用的流体，这样我们就可以知道它们的行为方式，或者强迫它们按照我们的需要行事。

有许多不同的粘度测量技术，每种技术都适合特定的环境和材料。从可用于满足任何应用需求的各种仪器中选择正确的粘度计是一个困难的主张。今天的仪器从简单到复杂各不相同：从计算液体的秒数到排出棒，再到非常复杂的自动记录和控制设备。这使得仪器用户处于一个位置，在这个位置，他自己对所涉及的流动现象的欣赏，加上仪器制造商的“知识和经验”，必须得到承担。

Brookfield是粘度测量和数据处理仪器开发的先驱，也是科学发展的一个刺激因素。我们拥有必要的“知识和经验”，成为您选择合适仪器以控制过程的合作伙伴。

为什么要进行流变测量？

任何开始学习流变逻辑的人都必须先问一个问题，“我为什么要进行粘度测量？” 答案取决于成千上万人进行此类测量的经验，表明可以获得各种产品的许多有用的行为和预测信息，以及处理，配方变化，老化现象等的影响的知识。

在质量控制领域中可以找到测量流变性质的常见原因，其中原材料必须在批次之间保持一致。为此，流动行为是产品一致性和质量的间接衡量标准。

进行流动行为研究的另一个原因是可以获得对可加工性的直接评估。例如，高粘度液体比低粘度液体需要更多的泵送功率。因此，在设计泵送和管道系统时，了解其流变行为非常有用。

有人提出流变学是最敏感的材料表征方法，因为流动行为对分子量和分子量分布等性质有反应。这种关系在聚合物合成中是有用的，例如，因为它允许在不进行分子量测量的情况下看到相对差异。流变学测量也可用于跟踪化学反应过程。这种测量可以在生产期间用作质量检查或用于监控和/或控制过程。流变学测量允许研究化学，机械和热处理，添加剂的影响或固化反应的过程。它们也是预测和控制大量产品属性，最终使用性能和材料行为的一种方法。

从逻辑上思考开始时，请考虑一个问题，“是否可以使用某些流变参数来与产品或过程的某个方面相关联？” 为了确定这一点，必须针对影响流变响应的各种化学和物理现象开发出一种本能。目前，假设这些信息是已知的，并且已经确定了几种可能性。下一步是收集初步的流变学数据，以确定所考虑的系统的特征是什么类型的流动行为。在最基本的层面上，这涉及使用任何Brookfield粘度计进行测量，并根据随后的流动行为描述得出一些结论。

一旦识别出流动行为的类型，就可以更多地了解系统组件的交互方式。然后可以将如此获得的数据拟合到已成功与Brookfield仪器一起使用的数学模型之一。

这种数学模型的范围从非常简单到非常复杂。其中一些仅涉及在方格纸上绘制数据; 其他人需要计算两个数字的比率。有些非常复杂，需要使用可编程计算器或计算机。这种分析是从我们的数据中获得最大收益的优秀的方式，并且通常会导致两个常量之一汇总数据，并且可以与产品或流程性能相关。

一旦在流变学数据和产品行为之间建立了相关性，就可以逆转该过程，并且可以使用流变学数据来预测性能和行为。 流变学与流变学的关系流变学被Webster的词典定义为“研究形式和物质流动的变化，包括弹性，粘度和可塑性。

我们在本章中关注粘度，进一步定义为由分子吸引引起的流体内部摩擦，使其抵抗流动的趋势。您的布博勒飞粘度计可以测量这种摩擦力，因此可以作为流变学的工具。本章的目的是让您了解不同类型的流动行为以及使用Brookfield粘度计作为流变仪器，使您能够对几乎任何流体进行详细分析。这些信息对所有粘度计用户都很有用，特别是那些坚持理论和学术粘度测量思想的人。

粘度

粘度是流体内部摩擦的量度。当使一层流体相对于另一层移动时，这种摩擦变得明显。摩擦越大，引起这种运动所需的力量就越大，这称为剪切力。每当流体物理移动或分布时就会发生剪切，如浇注，铺展，喷涂，混合等。因此，高粘度流体比较不粘的材料需要更大的力来移动。

Isaac Newton通过考虑上图中所示的模型来定义粘度。相等面积A的两个平行流体平面分开距离dx，并以不同的速度V1和V2在相同方向上移动。牛顿假设维持这种速度差异所需的力与通过液体的速度差或速度梯度成正比。为了表达这一点，牛顿写道：

速度梯度dv / dx是中间层相对于彼此移动的速度变化的量度。它描述了剪切液体的经验，因此称为剪切速率。在随后的讨论中，这将被标记为S. 其度量单位称为倒数秒（sec-1）。
术语F / A表示需要每单位的力来产生剪切动作。它被称为剪切应力，将由F'表示。其测量单位是达因/平方厘米（达因/厘米2）。

使用这些简化术语，粘度可以通过以下公式在数学上定义：

粘度测量的基本单位是平衡。需要每平方厘米一个达因的剪切应力以产生一秒倒数的剪切速率的材料具有一泊或100厘泊的粘度。您将遇到以帕斯卡 - 秒（Pa·s）或毫帕 - 秒（mPa·s）表示的粘度测量值; 这些是国际体系的单位，有时优先于度量标准使用。一帕斯卡秒等于十平; 一毫帕斯卡 - 秒等于一厘泊。

牛顿假设所有材料在给定温度下都具有与剪切速率无关的粘度。换句话说，力的两倍会使流体移动两倍。正如我们将要看到的，牛顿只是部分正确。

牛顿流体

这种类型的流动行为牛顿假设所有液体被称为，这并不奇怪，牛顿。但是，它只是您可能遇到的几种流动行为中的一种。牛顿流体在下图中以图形方式表示。图A显示剪切应力（F'）和剪切速率（S）之间的关系是直线。曲线B表明，随着剪切速率的变化，流体的粘度保持不变。典型的牛顿流体包括水和稀薄的机油。

这在实践中意味着，在给定温度下，牛顿流体的粘度将保持不变，无论您使用哪种粘度计模型，主轴或速度进行测量。Brookfield粘度标准在Brookfield设备产生的剪切速率范围内是牛顿的; 这就是为什么它们适用于我们所有的粘度计型号。牛顿显然是最容易测量的流体 - 只需抓住你的粘度计就可以了。遗憾的是，它们并不像更为复杂的流体群体那样普遍，非牛顿流体将在下一节讨论。

非牛顿流体非牛顿流体广义地定义为关系F'/ S不是常数的流体。换句话说，当剪切速率变化时，剪切应力不会以相同的比例（或甚至必须在相同的方向上）变化。因此，这种流体的粘度随着剪切速率的变化而变化。因此，粘度计模型，主轴和速度的实验参数都对非牛顿流体的测量粘度有影响。该测量的粘度称为流体的表观粘度，并且仅在提供并遵守明确的实验参数时才是准确的。

通过将任何流体视为具有不同形状和尺寸的分子的混合物，可以设想非牛顿流动。当它们在流动过程中相互通过时，它们的大小，形状和内聚性将决定移动它们需要多大的力。在每个特定的剪切速率下，对准可以是不同的，并且可能需要或多或少的力来保持运动。

存在几种类型的非牛顿流动行为，其特征在于流体的粘度随剪切速率的变化而变化的方式。您可能遇到的最常见类型的非牛顿流体包括：

假性肿瘤

这种类型的流体将随着剪切速率的增加而显示出粘度降低，如下图所示。可能是最常见的非牛顿流体，假塑料包括油漆，乳液和许多类型的分散体。这种类型的流动行为有时被称为剪切稀化。

胀流

与增加的剪切速率增加粘度表征胀流型流体; 见下图。尽管比假塑性更稀少，但在含有高水平的抗絮凝固体的流体中经常观察到膨胀，例如粘土浆料，糖果化合物，水中的玉米淀粉和砂/水混合物。膨胀也称为剪切增稠流动行为。

塑料

这种类型的流体在静态条件下表现为固体。在引起任何流动之前必须对流体施加一定量的力; 这种力称为屈服值。番茄酱是这种液体的一个很好的例子; 它的屈服值通常会使它拒绝从瓶中倒出，直到摇动或敲击瓶子，使猫酱可以自由地喷出。一旦超过屈服值并开始流动，塑性流体可显示出牛顿流，假塑性或膨胀流动特征。见下图。

到目前为止，我们只讨论了剪切速率对非牛顿流体的影响。当考虑时间因素时会发生什么？这个问题引导我们检验另外两种类型的非牛顿流：触变性和流变性。

触变性和流变性 

有些流体在恒定剪切速率条件下会随时间发生粘度变化。有两类需要考虑：

触变性

如下图所示，触变性流体的粘度会随着时间的推移而降低，同时会受到持续的剪切。

Rheopexy

这与触变行为基本相反，因为流体的粘度随着时间的推移而增加，因为它以恒定的速率剪切。见下图。
触变性和流变性可以与任何前面讨论的流动行为组合或仅在某些剪切速率下发生。时间元素变化很大; 在恒定剪切条件下，一些流体将在几秒钟内达到其最终粘度值，而其他流体可能需要长达数天。
很少遇到流变流体。然而，在诸如油脂，重印刷油墨和涂料的材料中经常观察到触变性。
当受到不同的剪切速率时，触变性流体将如下图所示发生反应。剪切应力与剪切速率的关系曲线随剪切速率增加到一定值，然后立即降低到起始点。请注意，向上和向下曲线不重合。这种磁滞回线是由于流体粘度随着剪切时间的增加而降低而引起的。这种影响可能是也可能不是可逆的; 一些触变性流体，如果允许静置一段时间，将恢复其初始粘度，而其他人永远不会。

当然，流体的流变行为对粘度测量技术具有深远的影响。稍后我们将讨论其中一些影响以及处理它们的方法。

层流和湍流粘度的定义意味着存在所谓的层流：一层流体经过另一层而没有物质从一层物质转移到另一层物质。粘度是这些层之间的摩擦力。

取决于许多因素，存在一层流体相对于另一层流动的某个最大速度，超过该最大速度会发生实际的质量传递。这称为湍流。分子或较大的颗粒从一层跳到另一层，并在该过程中消耗大量的能量。最终结果是，与相同速度的层流相比，需要更大的能量输入来维持这种湍流。

增加的能量输入表现为明显比在相同剪切速率下在层流条件下观察到的剪切应力更大。这导致错误的高粘度读数。
层流流入湍流的点除了层移动的速度之外还取决于其他因素。材料的粘度和比重以及粘度计主轴和样品容器的几何形状都会影响这种转变发生的点。

应注意区分湍流条件和膨胀流动行为。通常，膨胀材料随着剪切速率的增加会显示出稳定增加的粘度; 湍流的特征在于在一定剪切速率以上粘度的相对突然和显着的增加。在此点之下，材料的流动行为可能是牛顿流动或非牛顿流动。

由于大多数布博勒飞粘度计的剪切速率相对较低，除非使用LV系列粘度计测量低于15 cP的粘度或使用其他型号测量85 cP，否则不太可能遇到湍流。流体的粘度越高，经历湍流的可能性就越小。如果在测量低粘度流体时观察到湍流，通常可以使用UL Adapter?附件消除湍流。

什么影响了流变性？

粘度数据通常用作“窗口”，通过该窗口可以观察到材料的其他特征。粘度比影响粘度的某些特性更容易测量，使其成为材料表征的有用工具。在本章的前面部分，我们讨论了各种类型的流变行为以及如何识别它们。确定了材料中的特定流变行为后，您可能想知道这些信息对其他特征的暗示。本节基于多年客户体验收集的信息，旨在让您思考粘度计可以帮助您解决的谜团。

温度

可能对材料的流变行为产生影响的最明显因素之一是温度。一些材料对温度非常敏感，相对小的变化将导致粘度的显着变化。其他人则相对麻木不仁。考虑温度对粘度的影响对于评估在使用或加工中会经受温度变化的材料（例如机油，润滑脂和热熔粘合剂）是必不可少的。

剪切率

在现实世界中，非牛顿流体往往是规则而不是例外，因此，对于从事流变数据实际应用的任何人来说，剪切速率的影响是必要的。例如，尝试将膨胀流体泵送通过系统，只是让它在泵内部变得坚固，使整个过程突然停止，这将是灾难性的。虽然这是一个极端的例子，但不应低估剪切速率效应的重要性。

当材料在加工或使用中经受各种剪切速率时，必须知道其在预定剪切速率下的粘度。如果不知道这些，则应进行估算。然后应在尽可能接近估计值的剪切速率下进行粘度测量。

由于这些值落在粘度计的剪切速率范围之外，因此在测量期间通常不可能接近预计的剪切速率值。在这种情况下，有必要在几个剪切速率下进行测量，并将数据外推到预计值。这不是获取此信息的最准确方法，但它通常是可用的替代方法，尤其是当预测的剪切速率非常高时。事实上，始终建议在几个剪切速率下进行粘度测量，以检测可能对加工或使用产生影响的流变行为。在剪切速率值未知或不重要的情况下，粘度与RPM的样本图通常就足够了。

在加工和使用过程中受到剪切速率的广泛变化并受其影响的材料的实例是：涂料，化妆品，液体乳胶，涂料，某些食品和人体循环系统中的血液。下表显示了不同剪切速率的典型示例。