丙二醇溶液的粘度

Chemical Engineering

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Overview

资料来源: 迈克尔 g. 本顿和克里先生, 路易斯安那州立大学化学工程系, 巴吞鲁日, 洛杉矶

粘度是流体对流动阻力的量度, 是在各种行业中有效的产品加工和质量控制设计中的一个有用的参数。各种粘度计被用来获得最精确的实验材料读数。测量粘度的标准方法是通过玻璃管粘度计, 它通过玻璃1所制成的毛细管来测量流体流经的时间量来估计粘度。

旋转粘度计使用剪切力进行操作, 并测量流的1所需的时间。这些粘度计利用流体的流动力, 它们可以使用弹簧系统或数字编码器系统1。不同的测量系统也存在, 以标准是锥体和板材系统, 流体流动在锥体形状和在板材之下, 为了减少剪应力1。平行板系统使用两个平行板, 是理想的测量跨温度梯度, 允许平稳过渡1。科特系统使用一个杯子和装填材料, 并且流体流动在两个1之间。这些系统是最适合低粘度的材料, 因为这个系统减少剪切应力, 但系统也更难操作例行由于问题与清洗和需要更大的容量流体1

在本实验中, 将用 Fenske 粘度计测定几种丙二醇溶液的粘度, 以确定黏度与成分的关系。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 化学工程. 丙二醇溶液的粘度. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

运动粘度是动态粘度与密度的比值。剪切应力与剪切速率的比值是流体的动粘度, 它是牛顿流体在层流中对变形的阻力的量度。该比值对运动粘度是唯一的, 它通过考虑两个变量, 运动粘度和浓度来实现对未知变量的插值。

温度、密度和成分可以在流动的变形中产生变化。在液相流体中, 压力是微不足道的, 所以它不影响这个实验。由于哈根-叶定律中的关系, 可以用粘度计测量运动粘度, 表示压降是由于重力、动粘度和运动粘度所致。运动粘度也可以与时间有关, 使用粘度计常数特定的每一个毛细管玻璃,

Equation 1

其中, 是运动粘度, C 是粘度计常数, t 是时间. Equation 2粘度计常数通常由粘度计的制造商来测量和提供。上述方程用于确定运动粘度, 它可以通过乘以流体的密度来转化为动态粘度,

Equation 3

当µ是动态粘度时, 是运动粘度, ρ是密度. Equation 2该信息可用于图形化的溶质浓度和动态粘度关系。

Fenske 粘度计广泛用于测量各种溶液的粘度。该粘度计浸泡在一个大的水浴, 其中包含一个温度控制线圈和鳍保持恒定的 thermoequilibrium。毛细管收缩液体的向动 , 使液体流经毛细管区域所需的时间乘以粘度计常数来给出运动粘度。更大的毛细管玻璃器皿被用来测量高粘度的溶液。更多的粘性溶液需要更长的时间才能通过毛细管玻璃。此信息可用于比较未知的已知浓度。

Procedure

1. 粘度计的制备

  1. 在水中用不同浓度的丙二醇制备七溶液 (0-100 摩尔% 的聚丙烯乙二醇)。标记所有解决方案。这些将用于校准。获取未知浓度的样本并将其放在一旁
  2. 检查样品中是否有皮棉、灰尘或其他固体材料。如果需要, 通过烧结玻璃过滤器或细网筛过滤样品。
  3. 用清水清洗适当的粘度计, 用过滤空气干燥, 去除溶剂的最后痕迹。较低的粘度解决方案将使用大小50毛细管玻璃器皿, 大小100将用于未知的解决方案, 更高的黏度解决方案将使用大小150毛细管玻璃器皿。

2. 充电粘度计

  1. 将样品倒入粘度计中, 直到它填充了至少一半的大灯泡。然后, 擦干净手臂。
  2. 将粘度计放入固定器中, 并将其插入恒温槽中。将其垂直对准大管内的小铅坠, 或使用自对准支架。
  3. 允许样品平衡到水浴温度。允许大约10分钟为样品来到浴温度在40° c 和15分钟在100° c。
  4. 将吸力应用于手臂, 并将液体吸入管内。

3. 测量射流

  1. 使用秒表并测量样品的半月板所需的时间, 以在指示的标记之间流动。这是流出时间
  2. 重复执行步骤6和7以重复运行。并对每个样本重复整个过程。

粘度是流体对流动阻力的量度, 是在各种行业中有效的产品加工和质量控制设计中的一个有用的参数。粘度描述流动流体的内部摩擦。具有高粘度的流体可以抵抗流动, 而粘性较低的流体则更易流动。玻璃管粘度计通常用于测定粘度, 它测量流体流经毛细管的时间。旋转粘度计, 如与平行板几何, 应用剪切力和测量扭矩所需的旋转流体。该视频说明了粘度的原理, 说明了如何使用粘度计来确定丙二醇溶液的未知浓度, 并讨论了一些工业应用。

首先, 让我们回顾一下粘度的原理。流体的动态粘度描述了每单位表面积的力, 称为剪应力, 这是移动流体所需要的, 在这种情况下, 与平面平行。与底板紧密接触的流体停留在静止状态, 接触顶板的流体与该板的速度相同。这种速度梯度是由于流体层间的内耗, 被称为剪切变形率。动态粘度定义为剪切应力除以剪切变形率。粘度可受温度、流体密度和成分的影响。然而, 压力变化的影响微乎其微。当动态粘度已知时, 运动粘度是动态粘度与流体密度的比值。这是一个测量流体的阻力流量由于重力。一些仪器测量运动粘度的实验, 如佳能-Fenske 粘度计。该装置由一个大温度控制水浴与鳍, 以保持恒定的热平衡。根据近似流体的粘度, 使用不同大小的毛细管。使用这种装置, 液体被倒入管子, 吸经过蚀刻标记。然后, 测量流体在毛细管中来回穿梭所需的时间, 称为射流时间。然后, 射流时间乘以粘度计校准常数, 这是特定的毛细管玻璃, 用于给运动粘度。既然你知道了粘度的基本原理, 让我们来测量已知的丙二醇溶液的运动粘度, 以确定未知样品的浓度。

开始实验, 准备七解决方案, 以不同浓度的丙二醇和水的校准。用浓度标注所有解决方案。获取未知浓度的样本, 并将其放在一旁。在使用前检查所有液体样品的皮棉、灰尘或固体颗粒, 如有必要, 通过中心玻璃过滤器过滤样品。接下来, 使用水清洗粘度计, 用过滤空气干燥。请记住使用合适的尺寸的玻璃毛细管的粘度计, 这是依赖于近似粘度的解决方案要测试。

现在, 将样品倒入粘度计, 然后擦拭手臂的清洁。然后, 将粘度计放入刀柄, 并将其插入到温度槽中。等待10到15分钟, 让样品平衡到浴温度。然后将吸力应用到手臂上, 并将样品放入试管中。现在, 采取秒表和测量的时间所需的样品, 自由流动下来毛细管管后离开标记的结束点。这是你的外流时间重复每个示例的过程。现在, 所有的粘度已被测量, 让我们来看看结果和确定的浓度未知样品。

找出未知样品的浓度, 使用已知样品的数据, 并对未知溶液的粘度进行插值。首先, 通过将测量的时间乘以粘度计常数来确定运动粘度。然后将运动粘度转化为动态粘度乘以质量密度。接下来, 将运动粘度作为已知样本的 molarities 的函数来绘制。曲线图表明, 随着丙二醇浓度的增加, 粘度增加。确定运动粘度与丙烯浓度之间的线性关系。然后利用其测量的粘度对未知样品的浓度进行插值。在此演示中, 未知样品中含有45摩尔的丙烯乙二醇。既然你已经了解了粘度是如何被用来确定浓度的, 让我们来研究一下粘度在工业环境中的许多应用。

在许多工业领域, 从炼油厂和太阳能电池生产到生物医学应用和研究, 测试粘度都很重要。石化行业粘度的精确测量, 不仅是用于确定原油成分, 而且是评价石化产品质量控制的重要指标。粘度不同于原油和液态烃, 必须考虑有效的萃取、处理和炼厂操作条件。高浓度悬浮液的流变特性对于涉及复杂流体的应用, 如用于太阳能电池金属的产品的开发也是强制性的。必须仔细调整导电浆料的流动特性, 以保证不受干扰、无缺陷的处理, 防止沉淀和颗粒聚集。在医学上, 微流变技术是研究红细胞变形性的诊断工具, 检测血液疾病, 如镰状细胞贫血, 影响血液粘度。利用微射流可调剪切率和图像处理的协议, 定量测定微循环中红细胞聚集。这些协议也被用来表征人体组织, 如脑物质, 以更好地理解结构和工程师的生物启发材料。

你刚刚看了朱庇特介绍的粘度。您现在应该知道粘度的基本原理, 能够操作粘度计, 并了解粘度在各种应用中的重要性。谢谢收看

Results

本实验测定了几种丙二醇浓度的黏度。随着丙二醇浓度的增加, 粘度得到了提高。测量了样品溶液对粘度计的遍历时间, 并用于确定运动粘度。收集了大量的测量结果, 以尽量减少随机误差。

运动粘度是确定的使用时间作为测量和粘度计常数:

   Equation 4

然后, 运动粘度乘以密度, 给出动态粘度:

Equation 5

计算了未知浓度, 并与已知的样品溶液进行了比较。线性插值用于估计浓度, 并且关系最适合于线性函数 (图 1)。

Equation 6

在上述方程中, 使用了两个已知的运动粘度和浓度数据点, 并将 x 设置为未知解的测量粘度。解决了 y 找到未知样品的浓度。Excel 图形功能还可以用于在数据集中绘制趋势线, 并给出最佳匹配的公式。

Figure 1
图 1: 溶液浓度与粘度之间的关系显示为线性拟合.

该图表明, 粘度和成分的自然对数遵循线性关系。溶液中溶质组成增加, 粘度也增加。了解这种关系, 通过测量其粘度并与已知浓度和粘度之间的关系, 容易发现未知溶液的浓度。通过测量已知浓度或使用更精确的温度计, 可以提高实验的精确度。

Applications and Summary

本实验的目的是通过使用未知物质的粘度来测定其成分, 从而检验粘度与成分的关系。测试了一些已知的丙二醇浓度溶液和一个未知浓度解。用密度、动态粘度和运动粘度之间的关系来比较溶液。由于溶液变得更加粘性, 因为它们变得更加集中, 我们能够将未知溶液的浓度缩小到一个小范围。用线性插值法估计浓度, 最适合线性函数的关系。在这个实验中, 增加温度计的准确度可能会大大降低我们的不确定度, 因为它是误差的主要来源。更多的浓度也可以通过测试来提高精确度。

准确的粘度测试对各种领域都很重要。在食品加工业中, 食品必须在整个生产过程中进行粘度测试, 因为它是在整个设施2中传输的。这些测量用于最大限度地提高流程的效率, 并为生产2建立标准。粘度对食品工业是很重要的, 因为它将决定食品通过管道或处理器的运输需要多长时间, 需要多长时间才能将食物晾干, 以及将食品放入包装中以供运输和零售的时候用2.工程师将使用粘度最大化产品的流量, 通过管道, 以节省能源和最大化的产品, 而不降低成品的质量2。粘度也很重要, 建立安全标准的力量, 可以应用于材料和产品, 而不损害它2

在石油工业中, 粘度是质量评估的重要控制3。在购买或加工原油时, 公司必须测量粘度, 以确定适当的处理方法3。粘度提供了有关原油组成的重要信息3。不同成分的油用于创建不同的产品3。有些炼油厂只能加工某种粘度的油, 所以准确的测试对于确定它们可以用于精炼3的材料很重要。在炼油中, 用油的粘度来规划最有效的萃取、运输和精炼方法3。温度也会影响油的粘度, 所以必须在适当的温度下放置控制油, 以使其粘度3。此外, 油的粘度将决定在泄漏3的情况下清理的方式。

References

  1. Basic Introduction to Viscometry." A Basic Introduction to Viscometry. N.p., n.d. Web. 7 Jan. 2017.
  2. Scientific. "What is Viscosity, and Why is Measuring Viscosity Important?" What is Viscosity, and Why is Measuring Viscosity Important? N.p., n.d. Web. 7 Jan. 2017.
  3. Applications." Anton Paar. N.p., n.d. Web. 13 Jan. 2017.

1. 粘度计的制备

  1. 在水中用不同浓度的丙二醇制备七溶液 (0-100 摩尔% 的聚丙烯乙二醇)。标记所有解决方案。这些将用于校准。获取未知浓度的样本并将其放在一旁
  2. 检查样品中是否有皮棉、灰尘或其他固体材料。如果需要, 通过烧结玻璃过滤器或细网筛过滤样品。
  3. 用清水清洗适当的粘度计, 用过滤空气干燥, 去除溶剂的最后痕迹。较低的粘度解决方案将使用大小50毛细管玻璃器皿, 大小100将用于未知的解决方案, 更高的黏度解决方案将使用大小150毛细管玻璃器皿。

2. 充电粘度计

  1. 将样品倒入粘度计中, 直到它填充了至少一半的大灯泡。然后, 擦干净手臂。
  2. 将粘度计放入固定器中, 并将其插入恒温槽中。将其垂直对准大管内的小铅坠, 或使用自对准支架。
  3. 允许样品平衡到水浴温度。允许大约10分钟为样品来到浴温度在40° c 和15分钟在100° c。
  4. 将吸力应用于手臂, 并将液体吸入管内。

3. 测量射流

  1. 使用秒表并测量样品的半月板所需的时间, 以在指示的标记之间流动。这是流出时间
  2. 重复执行步骤6和7以重复运行。并对每个样本重复整个过程。

粘度是流体对流动阻力的量度, 是在各种行业中有效的产品加工和质量控制设计中的一个有用的参数。粘度描述流动流体的内部摩擦。具有高粘度的流体可以抵抗流动, 而粘性较低的流体则更易流动。玻璃管粘度计通常用于测定粘度, 它测量流体流经毛细管的时间。旋转粘度计, 如与平行板几何, 应用剪切力和测量扭矩所需的旋转流体。该视频说明了粘度的原理, 说明了如何使用粘度计来确定丙二醇溶液的未知浓度, 并讨论了一些工业应用。

首先, 让我们回顾一下粘度的原理。流体的动态粘度描述了每单位表面积的力, 称为剪应力, 这是移动流体所需要的, 在这种情况下, 与平面平行。与底板紧密接触的流体停留在静止状态, 接触顶板的流体与该板的速度相同。这种速度梯度是由于流体层间的内耗, 被称为剪切变形率。动态粘度定义为剪切应力除以剪切变形率。粘度可受温度、流体密度和成分的影响。然而, 压力变化的影响微乎其微。当动态粘度已知时, 运动粘度是动态粘度与流体密度的比值。这是一个测量流体的阻力流量由于重力。一些仪器测量运动粘度的实验, 如佳能-Fenske 粘度计。该装置由一个大温度控制水浴与鳍, 以保持恒定的热平衡。根据近似流体的粘度, 使用不同大小的毛细管。使用这种装置, 液体被倒入管子, 吸经过蚀刻标记。然后, 测量流体在毛细管中来回穿梭所需的时间, 称为射流时间。然后, 射流时间乘以粘度计校准常数, 这是特定的毛细管玻璃, 用于给运动粘度。既然你知道了粘度的基本原理, 让我们来测量已知的丙二醇溶液的运动粘度, 以确定未知样品的浓度。

开始实验, 准备七解决方案, 以不同浓度的丙二醇和水的校准。用浓度标注所有解决方案。获取未知浓度的样本, 并将其放在一旁。在使用前检查所有液体样品的皮棉、灰尘或固体颗粒, 如有必要, 通过中心玻璃过滤器过滤样品。接下来, 使用水清洗粘度计, 用过滤空气干燥。请记住使用合适的尺寸的玻璃毛细管的粘度计, 这是依赖于近似粘度的解决方案要测试。

现在, 将样品倒入粘度计, 然后擦拭手臂的清洁。然后, 将粘度计放入刀柄, 并将其插入到温度槽中。等待10到15分钟, 让样品平衡到浴温度。然后将吸力应用到手臂上, 并将样品放入试管中。现在, 采取秒表和测量的时间所需的样品, 自由流动下来毛细管管后离开标记的结束点。这是你的外流时间重复每个示例的过程。现在, 所有的粘度已被测量, 让我们来看看结果和确定的浓度未知样品。

找出未知样品的浓度, 使用已知样品的数据, 并对未知溶液的粘度进行插值。首先, 通过将测量的时间乘以粘度计常数来确定运动粘度。然后将运动粘度转化为动态粘度乘以质量密度。接下来, 将运动粘度作为已知样本的 molarities 的函数来绘制。曲线图表明, 随着丙二醇浓度的增加, 粘度增加。确定运动粘度与丙烯浓度之间的线性关系。然后利用其测量的粘度对未知样品的浓度进行插值。在此演示中, 未知样品中含有45摩尔的丙烯乙二醇。既然你已经了解了粘度是如何被用来确定浓度的, 让我们来研究一下粘度在工业环境中的许多应用。

在许多工业领域, 从炼油厂和太阳能电池生产到生物医学应用和研究, 测试粘度都很重要。石化行业粘度的精确测量, 不仅是用于确定原油成分, 而且是评价石化产品质量控制的重要指标。粘度不同于原油和液态烃, 必须考虑有效的萃取、处理和炼厂操作条件。高浓度悬浮液的流变特性对于涉及复杂流体的应用, 如用于太阳能电池金属的产品的开发也是强制性的。必须仔细调整导电浆料的流动特性, 以保证不受干扰、无缺陷的处理, 防止沉淀和颗粒聚集。在医学上, 微流变技术是研究红细胞变形性的诊断工具, 检测血液疾病, 如镰状细胞贫血, 影响血液粘度。利用微射流可调剪切率和图像处理的协议, 定量测定微循环中红细胞聚集。这些协议也被用来表征人体组织, 如脑物质, 以更好地理解结构和工程师的生物启发材料。

你刚刚看了朱庇特介绍的粘度。您现在应该知道粘度的基本原理, 能够操作粘度计, 并了解粘度在各种应用中的重要性。谢谢收看

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