精准测量流体粘度的六大经验证方法
粘度是涂料、油漆、胶粘剂等工业流体最基本的物理属性之一。
本质上，粘度表征流体抵抗剪切或拉伸应力变形的能力。换言之，该属性描述流体分子间摩擦导致不同速度流体层间相对运动受阻。粘度可提示流体在外力或自重作用下的行为表现。
流体粘度越大，外观越“稠”。例如油脂粘度高于水，故显更稠。
油、涂料、油漆、胶粘剂制造商常被赋予确定产品针对特定应用的最佳粘度任务。（延伸阅读：《涂料的服务要求与环境因素》）
低粘度流体流动更易。因此粘度过低涂料会流挂、下垂；粘度过高则“僵硬”难施工。
本文将探讨动力粘度与运动粘度的区别及其各类测量方法。
动力粘度
动力粘度，亦称绝对粘度，指流体因外力施加而抵抗剪切流动的能力。描述流体一层在水平面上滑过另一层时的内部阻力大小。
动力粘度对描述非牛顿流体特别有用。
数学表达：
μ = τ dy / dc = τ/γ
其中：
- τ = 流体剪切应力 (N/m²)
- μ = 流体动力粘度 (N·s/m²)
- dc = 单位速度 (m/s)
- dy = 层间单位距离 (m)
- γ = dc / dy = 剪切速率 (s⁻¹)
动力粘度SI单位为 N·s/m² 或 帕斯卡·秒 (Pa·s)。另一单位泊 (P)，1 P = 0.1 N·s/m² = 0.1 Pa·s。
泊有时过大不便实用，常用厘泊 (cP) 替代。1 cP = 0.01 P = 0.001 N·s/m² = 0.001 Pa·s。
运动粘度
运动粘度即动力粘度与流体密度之比。反映流体在重力影响下（即因自重产生的剪切流动）抵抗剪切流动的能力。
此粘度对描述牛顿流体特别有用。数学表达：
ν = μ / ρ
其中：
- ν = 运动粘度 (m²/s)
- μ = 绝对/动力粘度 (N·s/m²)
- ρ = 密度 (kg/m³)
运动粘度SI单位为 m²/s。另一单位斯托克斯 (St)，1 St = 10⁻⁴ m²/s = 1 cm²/s。
斯托克斯值过大时常用厘斯托克斯 (cSt) 替代。1 cSt = 10⁻⁶ m²/s = 1 mm²/s。
粘度如何测量？
测量动力与运动粘度有多种方法。最常用方法如下：
1. 粘度杯
粘度杯用于测定流体运动粘度，典型为阳极氧化铝制、不锈钢孔口。（延伸阅读：《理解铝腐蚀》）
此相对简单测试：将流体置于底部有小孔容器中。流体以精确量通过孔口流出。测量流出时间并利用给定杯配套图表换算粘度。
粘度杯常用于测量油漆、清漆等产品一致性。通过查表将流出时间(秒)换算为厘斯托克斯 (cSt) 粘度值。
福特杯与ahn杯为最常用粘度杯品种。各杯设计独特，不同杯型间粘度值比较需谨慎。粘度杯提供绝对值，不含允许公差——因各标准公差差异巨大。
2. 振动粘度计
振动粘度计将振荡机电谐振器浸入测试流体，测量流体提供的阻尼程度。谐振器通常扭转或横向振荡，阻尼可通过以下方式确定：
- 记录维持装置恒定振幅所需功率输入
- 测量振动关闭后振荡衰减时间
- 测量谐振器随相位角变化的频率
石英粘度计为振动粘度计一例。将振荡石英晶体浸入流体，其对振荡行为的特定影响定义粘度。施加电场致使传感器运动导致流体剪切。（延伸阅读：《埋地金属结构中的腐蚀与电气干扰》）
传感器运动受流体外部剪切应力影响，进而影响传感器电响应。
3. 旋转粘度计
旋转粘度计通过测量旋转物体在测试流体中所需扭矩工作。过程如下：
- 一表面静止。
- 配合表面由外部驱动旋转。
- 流体填充表面间隙。测量并记录以预定转速旋转圆盘或转子所需扭矩。
维持设定转速的扭矩与粘度成正比，因此装置可输出粘度、剪切应力、剪切速率值。因对液体施加外部剪切力，旋转粘度计测量流体动力粘度。
杯、转子、锥、板均为旋转粘度计类型。同轴不同直径圆筒为杯转子粘度计。待剪切样品体积储存于测试池；测量达到特定转速所需扭矩并绘图。
锥板粘度计具有精密扭矩计，以离散转速驱动。使用与平板紧邻的窄角锥。从剪切应力与剪切速率计算粘度。（延伸阅读：《腐蚀对材料剪切行为的影响》）
4. 毛细管粘度计
毛细管粘度计是测定流体粘度最早已知方法之一。
此法测量已知直径长度U型毛细管内定体积流体流经所需时间。管通常有两标记——上下标记——作测量基准。流体流经标记所需时间与运动粘度成正比，故可用标准公式确定粘度。
毛细管粘度计包括Ostwald与Ubbelohde粘度计。均为U型、双玻璃球、使用毛细管。（延伸阅读：《内部腐蚀防护腐蚀屏障衬里探析》）
Ubbelohde粘度计主要优势：所得值与液体总体积无关。Ostwald与Ubbelohde关键区别：前者适用低至中等粘度液体，后者适用高粘度液体。
5. 落球粘度计
落球粘度计用于测定透明牛顿流体动力粘度。
原理：测量已知密度球体在样品填充管中重力作用下下落所需时间。管通常安装可快速180°旋转装置以便重复测试。记录三次测试平均时间，用换算公式确定样品粘度。
落球粘度计用于各行业质控及学术机构演示科学方法。简易操作与直观计时确保有意义测试结果。
6. 稠度计
稠度计由金属槽组成，小段被弹簧加载挡板阻挡。工作原理：
- 待测样品置于弹簧挡板后。
- 挡板提起，允许样品自重自由流动。
- 通过装置刻度测量特定时间内液体流动距离。
稠度计不直接测量粘度值；而是允许用户针对被测产品建立自有标准。此法在食品行业更普及，典型用于测量番茄酱、蛋黄酱、果酱、馅料、汤、婴儿食品、沙拉酱等粘度。（延伸阅读：《铝及其合金的耐腐蚀性能》）
影响粘度的因素
流体粘度依赖多种因素：
- 流体温度。 液体粘度通常随温度升高降低；气体粘度通常随温度升高增加。
- 流动条件。 层流下液体粘度恒定；湍流下粘度变化。
- 压力。 压力增加气体粘度通常增加。液体因不可压缩，压力影响不大。
- 多相流。 多相流粘度随各相体积分数变化。
- 悬浮颗粒。 悬浮物导致粘度增加。
牛顿粘度定律
流体剪切应力与剪切速率在机械应力下的关系遵循牛顿粘度定律。
牛顿粘度定律指出：给定温度压力下，流体两相邻层间剪切应力与层间速度梯度成正比。换言之，流体剪切应力与剪切速率之比为常数，即粘度系数。
但牛顿粘度定律仅适用牛顿流体。非牛顿流体不遵循该定律，其粘度随剪切速率变化而变化。
结语
粘度是多行业多产品必不可少的重要流体属性。
动力粘度与运动粘度描述不同性质，测试同一流体可得截然不同结果。因此理解粘度类型差异、针对手头样品采用适当测试机制至关重要。
复合材料