CMC粘度测定中的常见问题[2].doc

对羧甲基纤维素钠粘度测定中常见问题的研究

摘要：本文介绍了三种不同的旋转粘度计的作用原理和不同之处，并解释了不同转子转速条件下测量数据不同的原因，指出旋转粘度计只能测量在固定条件下的粘度，并根据所测数据举例列出不同粘度的CMC用不同粘度计所测数据的对照参考表。
关键词：羧甲基纤维素钠 旋转粘度计 非牛顿流体 粘度

引言：
GB1904-2005中采用Brookfield型或同类型粘度计，选用不同的转子转速测量不同量程的羧甲基纤维素钠（简称CMC）粘度。但是目前国内测定CMC粘度的旋转粘度计主要有三种：NDJ-1型、NDJ-79型和Brookfield粘度计，不同厂家应用不同的粘度计，采用的转子转速也不尽相同，就出现了测量数据的误差，人们就会认为数据错误或仪器不准确。为了解释这种现象，现对CMC流变特性及这三种粘度计不同原理加以论述。

一、CMC的非牛顿流体特性导致不同条件下测定粘度值不同
根据内摩擦剪应力与速度变化率的不同，粘性流体可分为牛顿流体和非牛顿流体，牛顿内摩擦定律表示：流体内摩擦剪应力和单位距离上的两层流体间的相对速率成比例，比例系数μ称为流体动力粘度，常简称粘度，μ为常数，称为牛顿流体，否则为非牛顿流体。牛顿粘性定律为： 
τ=μdu/dy τ为剪应力，du/dy为剪切应变率，斜率μ为粘度系数。
牛顿流体流动时所需剪应力不随流速的改变而改变，纯流体和大分子物质的溶液属于此类；非牛顿流体流动时所需剪应力随流速的改变而改变，高聚物的溶液属于此类。在低浓度时有些溶液能表现出牛顿流体的特性，但随着溶液的浓度的提高，其流变特性逐渐转为非牛顿流体，流体粘度随剪切速率的增加明显减小。通过大量数据表明，对于低粘度CMC，在其溶液浓度较低（3％以下），流体呈现出很好的牛顿流体特征，但随着CMC浓度的增加，流体特征逐渐呈现为非牛顿流体；对于高分子高粘型CMC胶液浓度即使在很低的情况下也只是呈现非牛顿流体特征。现以不同粘度范围的CMC测得数据为例列表如下：

表1 用NDJ-1粘度计不同转子转速测得高粘CMC数据（0.5％溶液）

1#6r/min
1#12r/min
1#30r/min
1#60r/min
读数×系数
23.4×10
45.2×5
＞100
＞100
粘度，mpa.s
234
226
/
/

2#6r/min
2#12r/min
2#30r/min
2#60r/min
读数×系数
5×50
9.7×25
22.4×10
40.5×5
粘度,mpa.s
250
242.5
224
202.5

表2 用NDJ-1粘度计不同转子转速测得低粘CMC数据（2％溶液）

1#6r/min
1#12r/min
1#30r/min
1#60r/min
读数×系数
12.5×10
24.2×5
62.6×2
＞100
粘度,mpa.s
125
121
125.2
/

2#12r/min
2#30r/min
2#60r/min
读数×系数

5.5×25
13.0×10
26.5×5
粘度,mpa.s

137.5
130
132.5

表3 高粘CMC NDJ-1粘度计不同转子转速之间数据差异％

1.0％溶液
2# 转子
3# 转子
0.5％
溶
液
3# 转子
2# 转子
6与12r/min间
14.8
18.2
18.2
3.0
12与30r/min间
/
20.8
9.2
7.9
30与60r/min间
/
18.7
7.3
10.1

表4 低粘CMC NDJ-1粘度计不同转子转速之间数据差异％

2.0
％
溶
液
1# 转子
2# 转子
3.0
％
溶
液
2# 转子
3# 转子
6与12r/min间
3.25
/
/
/
12与30r/min间
3.40
5.60
8.00
5.60
30与60r/min间
/
0.95
/
3.92
注：表格中划“/”处为粘度计指针＞100测不出数据和无法计算的

从表1至表4可以看出，高粘1.0％溶液不同转子转速间差异基本在10-20％之间， 0.5％的溶液数据差异基本在10％以下；低粘2.0%溶液不同转子转速间测量数据差异基本在6.0％以下，3.0％溶液数据间差异基本在8.0％以下，表明高粘CMC即使在0.5％浓度下仍表现为非牛顿流体的特性，低粘CMC即使在2.0％浓度下仍表现为牛顿流体的特性。所以高粘度的CMC用旋转粘度计测出的数据为表观粘度。但是牛顿流体与非牛顿流体间没有绝对的界限，所以CMC的这种特性也就没有明显的粘度界限说明哪个是牛顿流体哪个是非牛顿流体。

二、旋转粘度计的型号在CMC粘度测定中容易出现的问题
旋转粘度计在测量过程中出现不同转子转速测量数据不同的现象经常会被认为是测量不准确或者怀疑粘度计有问题，实际是因为不同转子转速对溶液的剪应力不同，旋转粘度计测量的是各种牛顿流体的绝对粘度和非牛顿流体的表观粘度。
Brookfield粘度计是全球最经典的、国际上通用的标准粘度计。NDJ-1型粘度计与Brookfield粘度计作用原理相同，均配以多种不同的转子转速，测量不同量程范围内的液体粘度。转子的大小不同，与液体的接触面积不同；转速不同，对流体的切变速率不同，根据流体粘度的大小选择不同的转子转速，转子越小、转速越慢测得粘度值越大，相反测得的粘度越小。Brookfild粘度计与NDJ-1型粘度计不同的是Brookfield粘度计分类更细，可选转子更多，测得数据更准，根据其功能的不同Bookfield粘度计分为传统的刻度盘读数旋转粘度计（与NDJ-1型粘度计类似）和数字显示旋转粘度计，根据其测量范围的不同又分为低粘、中粘和高粘型号的粘度计，另外Brookfield数字显示粘度计可与电脑连接，应用更方便。通过大量实验统计Brookfoeld粘度计与NDJ-1型粘度计在同一转子转速条件下测量数据相差不多，在误差范围内（表5）。Brookfield粘度计和NDJ-1型粘度计的不足之处是由于转子转速不同，对非牛顿流体来说，对其切变速率不同，测得的粘度表观值不同，即不同的转子转速下测得数据不同（表6为例）。

表5 Brookfield粘度计与NDJ-1型粘度计测定数据对比
批号粘度计
6123001
6123102
7010784
7011484
7061102
7062901
NDJ-1型
1290
1420
360
430
82
98
Brookfield型
1286
1428
367.9
427.9
78
94

表6 用NDJ-1粘度计不同转子转速测定高粘CMC数据（1％溶液）

2#6r/min
2#12r/min
2#30r/min
2#60r/min
读数×系数
38×50
65.5×25
读数＞100
读数＞100
粘度，mpa.s

1900
1637.5
/
/

3#6r/min
3#12r/min
3#30r/min
3#60r/min
读数×系数
10.8×200
18×100
36.5×40
60.5×20
粘度，mpa.s
2160
1800
1460
1210

4#6r/min
4#12r/min
4#30r/min
4#60r/min
读数×系数
1.8×1000
3.4×500
7×200
11.7×100
粘度，mpa.s
1800
1700
1400
1170

从表6可以看出，同一转子不同转速之间数据差异在100-950 mpa.s之间，不同转子相同转数之间数据差异在40-260mpa.s之间，同一转子不同转数测定数据差异要大于不同转子相同转数间差异。转速越高，转子号越大，对溶液剪切力越大，粘度表观值就越小。
NDJ-79型粘度计是在固定的高速旋转速率下选用不同的单元、转筒测试各种牛顿型液体的绝对粘度和非牛顿液体的表观粘度。由于该粘度计所用容器较小，液体用量就小，转速较高，对液体的作用力较复杂，剪应力较大，测得数据比NDJ-1型粘度计小。该仪器有三个单元，三个单元之间的转筒转片外形、作用方式相差较大，还有的单元转筒较大，与容器壁有碰撞，容易造成误差，所以不同单元测得数据差异性较大，无可比性（表7为例）。NDJ-79型粘度计的优点是在固定高速的条件下测粘度，消除了一些因素的影响，使得只要该粘度计在同一条件下能测出两个相同特性液体间的较小差异，就基本上说明该两种液体在用于产品后与成品口感差异相一致。

表7 用NDJ-79粘度计不同单元测得高粘CMC数据(0.5％溶液)
批号7042503 的CMC 1.0%溶液

一单元1＃转片
一单元2＃转片
二单元

读数×系数
21.9×25
12.3×50
指针不稳定

粘度,cp
547.5
615
/

批号1704488 的CMC 1.0%溶液

一单元1＃转片
一单元2＃转片
二单元×10

读数×系数
14.1×25
6.2×50
13×10

粘度,cp
352.5
310
130

批号7042405 的CMC 0.5%溶液

一单元2＃转片
二单元×1
二单元×10
三单元×0.5
读数×系数
6.2×50
38×1
7×10
79.8×0.5
粘度,cp
310
38
70
39.9

从表7可以看出,同一单元不同系数之间测定的数据有较大差异,不同单元之间测定的数据也不同。NDJ-79粘度计指针指在10-90范围内数据较准确,可以看出同一溶液可选的条件可以不同,测得的数据就不同,所以在说明某一溶液时同时要说明其测定条件。
同一型号粘度计不同转子转速数据间有差异，NDJ-79型粘度计与NDJ-1型和Brookfield型粘度计测定原理不同，切变率变化较大，测得数据差异更大，数据间可比性更差（表6和表8为例）。所以对于非牛顿流体，旋转粘度计只能测定液体在一定条件下的粘度。

表8 用NDJ-79粘度计不同单元测得高粘CMC数据(1％溶液)

一单元1＃转片
一单元2＃转片
二单元×10
读数×系数
21.9×25
12.3×50
指针不稳
粘度,cp
547.5
615

三、在用旋转粘度计测量过程中为了测量准确还要注意以下几个问题：
1、仪器的性能必须满足国家计量鉴定规程要求。
2、注意在测量过程温度的控制，温度偏差对粘度影响很大，在同一温度下的粘度才有可比性,最好不要超过0.1℃。
3、测量容器的选择一定符合仪器说明书要求，例如NDJ-1型粘度计要求容器直径不小于70mm。
4、正确选择转子转速，使示值最好在30-90格之间。
5、频率修正，国产仪器名义频率在50Hz，实际频率也是50Hz，但日本和欧美有些仪器名义频率在60Hz,必须修正，否则产生20％误差，修正公式为：实际粘度＝指示粘度×名义频率÷实际频率；
6、转子浸入液体的深度及气泡的影响。旋转粘度计对转子浸入液体的深度有严格要求，气泡的存在会给测量带来偏差。
7、转子的清洗。测量用的转子要清洁无污物，用后及时清洗。
8、注意仪器调节水平。
9、对于非牛顿流体应经过选择后规定转子转速和测量温度，以免误解为仪器不准。

四、 最后以我厂分类中高粘、中粘、低粘各一批号产品为例分别用NDJ-1和NDJ-79型粘度计测其在合适的转子转速下的25℃粘度，对照如下表：

表9 同一浓度CMC溶液用NDJ-1和NDJ-79型粘度计在合适的条件下的粘度对照表

高粘CMC 1％溶液
2#转子6r/min
2#转子12r/min
3#转子30r/min
3#转子60r/min
NDJ-1型粘度,mpa.s
1900
1637.5
1460
1210
NDJ-79型粘度,cp
一单元1#转片 粘度547.5
中粘CMC 1％溶液
2#转子30r/min
2#转子60r/min
3#转子60r/min

NDJ-1型粘度,mpa.s
360
332.5
360

NDJ-79型粘度, cp
一单元1#转片 粘度327.5
低粘CMC 2％溶液
1#转子12r/min
1#转子30r/min
2#转子60r/min

NDJ-1型粘度,mpa.s
121
125.2
132.5

NDJ-79型粘度,cp
二单元×10 粘度116

表10 同种粘度CMC不同浓度溶液粘度对照表（根据不同国标）

2%溶液
NDJ-79型粘度计
1%溶液
NDJ-79型粘度计
1％溶液
NDJ-1型粘度计
高粘CMC
粘度范围，mpa.s
1800-2000(一单元1#转片)
450-500(一单元1＃转片)
1100-1400(3#60r/min)
中粘CMC
粘度范围, mpa.s
800-1000(一单元1#转片)

265-400(2#30r/min)
低粘CMC
粘度范围, mpa.s
100-140(二单元×10转片)

100-150(1#30r/min)

小结：低粘度CMC在溶液浓度较低（3％以下），流体呈现出很好的牛顿流体特征，随着CMC浓度的增加，流体特征逐渐呈现为非牛顿流体；而高分子高粘型CMC溶液浓度即使在很低的情况下也只是呈现非牛顿流体特征，这使得应用旋转粘度计只能测量低粘度CMC较低溶液的绝对粘度和高分子高粘度CMC在一定条件下的表观粘度。Brookfield型和NDJ-1型粘度计同样条件下测量数据基本相同，但与NDJ-79型粘度计数据无法比较，NDJ-79型必须用同一单元测数据也才可以大致比较。
参考文献：
1、 非牛顿流体力学 作者：陈文芳著
2、 非牛顿流体力学实验的开发 《力学与实践》 2005年 37卷 5期
3、 高粘度羧甲基纤维素钠水溶液的触变性《纤维素醚工业》 2002：10（2）
4、 关于CMC粘度及检测方法的简评 《纤维素醚工业》 2000：8（2）
5、 用旋转粘度计法研究非牛顿流体的流变性能 《现代仪器》 2007：13(2)
6、 旋转粘度计使用中必须注意的几个问题 《电子测试》 2007（2）