在石油化工、化学工业、机械工业及材料工程等领域中都需要知道不同压强下液体的黏度。液体黏度在低压及中压范围内变化很小，当压强越高时其黏度增加越大，压强在数百兆帕以上时其黏度会有数量级的增加。压强对黏度的影响还与温度有关。液体温度越低时，压强对其黏度的影响越大。对于不同液体，压强对其黏度的影响也不一样。一般而言，对于分子越复杂的液体，压强对黏度的影响越大。目前还没有比较成熟的理论能描述一般液态物质的黏度随压强的变化关系，在实际应用中仍主要以经验关联为主。高压下的黏度数据具有重要的理论和实践意义，例如:高压下的黏度参数可用于判定弹性润滑剂在临界极限条件下的有效性；在石油工程方面，作为储存条件(如温度和压强)的函数，石油的动力黏度与石油成分同等重要；在地学方面，由于黏度可以直接反映出熔体的结构变化，因此高压下的黏度数据对于了解各类矿物的形成及地球内部结构有着重要的意义。

温度和压强是影响黏度的两个重要因素。由于变温条件易于实现，因此变温情况下的黏度研究相对较多；而高压下黏度测量装置商业化的标准仪器缺乏且高压装置不易搭建，因此高压黏度的实验研究相对较少。常压下黏度测量技术与高压装置相结合可实现高压下液体黏度的测量。

1.毛细管法

首先是利用一种新的半自动毛细管黏度计，装置示意图如图6-2所示。黏度计主要由毛细管单元(D)、波纹管单元(F)、电循环泵(P)和流量检测电极(B)组成。不锈钢毛细管L位于相同材料的同轴厚管(K)中。由于在毛细管的一端处留有开口，样品液体能渗透到管之间的窄间隙中，因此毛细管的内部和外部具有相同的压强。用一套聚四氟乙烯波纹管，将样品液体与用作传压介质的乙醇分离，以确保汞与电极很好地接触。黏度计的主要部分放置在恒温的水浴(C)中。温度和压强分别用相关仪器进行测量。并利用该装置测量了303 K、323 K温度下，0.1～30 MPa压强范围内甲醇和2-甲基-2-丙醇混合物的黏度。

在此基础上设计了一种下落式毛细管黏度计，黏度计由玻璃管、毛细管、阀门、不锈钢盘、圆盘塞和水银球组成。压力是由活塞压力传动液加压玻璃管的样品产生的。利用此黏度计测量了273 K、276 K、278 K温度下，0.1～30MPa压强范围内CO2水溶液的黏度。Kashefi K等(2013)将毛细管黏度计与不锈钢材料制成的高温高压装置相结合，测量了323.15～473.15 K温度范围内，压强为34.5～138 MPa范围内的甲烷/庚烷，甲烷/癸烷，甲烷/甲苯和天然气、凝析油合成的三个多组分混合物的黏度。毛细管黏度计安装于配备有检测压力和温度的深层油气储藏条件下的液体相性质的高温高压装置中。毛细管的两端连接两个小容量的腔体，这些腔体安装在可控温的空气浴中。每个腔体的基座连接到推拉电动机驱动泵的两侧，负责将测试液体围绕设备流动。其中一个单元的顶部安装有一个观察镜，以及用于目视观察和记录的放大系统和摄像机。压力由将样品装载到高温高压设备中的汞柱手动泵产生和维持。高压传感器用于监测设备各个部分的压力，并用于估算毛细管黏度计上产生的压差。毛细管法是测量黏度精确度最高的一种方法，毛细管法与高压装置相结合测定压强下液体的黏度也是研究得相对较多的，在高压条件下，其测量精度还与搭建的高压装置有关。

图6-2　毛细管黏度计装置示意图

2.振动丝法

Assael等(2013)设计了一种新的振动丝黏度计，此黏度计装置示意图如图6-3所示，上盖悬挂的黏度计在由SS 304L制成的压力容器内部。两根连接导线从上部封闭端接出，在压力容器底部连接有加压系统，利用空气驱动泵加压。利用该黏度计分别测量了293 K、363 K温度下压强从0.1～18 MPa范围内邻苯二甲酸二异癸酯的黏度。利用扭转振动石英晶体黏度计测量了298.15 K、323.15 K、348.15 K、373.15 K温度下，常压到200 MPa压强范围内甲苯和苯的黏度。振动石英晶体黏度计的主体是一个在侧面上附有4个薄金电极的石英圆柱体。施加到电极的正弦波产生与激发波相同频率的扭转振动，经晶体周围的液体衰减。衰减幅度由晶体的电阻抗的变化来测量，反映了周围液体的黏度和密度。扭转振动波严重衰减，在远离晶体表面几微米处完全消失。换能器周围厚约0.004 m薄层的液体，足以完成液体黏度的测量。利用振动丝黏度计测量了303～333 K温度范围内，0.1～18 MPa压强范围内二丙基己二酸(DPA)的黏度，以及303～373 K温度范围内，0.1～65 MPa压强范围内二丁基己二酸(DBA)的黏度。新的振动丝式传感器由99.95%纯度和标称直径300 mm的钨丝制成。传感器的所有金属部件均采用不锈钢316L。顶部的传感器由聚四氟乙烯绝缘。为了避免因温度变化造成的影响，用钨棒作为间隔。振动丝黏度计的优点和毛细管黏度计一样，都是测量精确度高，为高压下测量液体黏度常用的方法之一，但目前高压黏度测量装置的压强最高到200 MPa。由于毛细管黏度计和振动丝黏度计测量原理的限制，搭建高压(＞200 MPa)下的黏度测量装置不易实现。

图6-3　振动丝黏度计装置示意图

3.落球法

落球法黏度计是一种圆筒下落式黏度计，该黏度计装置由下落管附件的可视腔体和体积可调部分组成，它们都被封闭在空气加热炉中。落球式黏度计动态黏度的测量由球体在垂直管内自由下落的时间确定。该装置主要包含一个开放的圆柱管的高压圆柱形腔体，球体在圆柱管内穿过待测液体。内筒是垂直放置的容器，它的内部和外部都有加压的液体。这种配置的主要目的是为了减少压力以维持恒定的管内壁和铅坠之间的狭窄管的几何形状。利用3个线性变量差动变压器线圈测得圆柱铅锤的下降时间来完成黏度测量。通过线性变量差动变压器线圈实时监测活塞的运动情况，可以测量黏度计体积变化进而完成密度测量。该黏度计有两个蓝宝石窗，可用于观察液体。当需要时，可借助外部电磁搅拌器、再循环泵或两者结合来混合腔体内的物质。利用该装置获得了310～450 K温度范围内，0.1～70 MPa压强范围内正构烷烃的黏度数据。常压下利用毛细管黏度计结合落球式高压黏度计测量了283.15～353.15 K温度范围内，0.1～100 MPa压强范围内碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚四个纯液体化合物的黏度。利用落球式黏度计测量了293.15～353.15 K温度范围内，0.1～200 MPa压强范围内癸酸盐(C11H22O2)和乙癸酸盐(C12H24O2)的黏度。(www.daowen.com)

Mattischek和Sobczak(1994)基于斯托克斯落球法原理设计了一种磁力落球法黏度计，装置示意图如图6-4所示，该装置由加热元件、热电偶、两个检测线圈和压力发生器构成。可由高级钢材料达到100 MPa的压强。压力是由固定的压力腔产生的，压力发生器通过钢毛细管与腔体连接。压力发生器由动态密封件和螺杆组成。为了产生所需的压强，螺杆用扭矩扳手移动。利用该装置获得了293～342 K温度范围内，0.1～100 MPa压强范围内的硅油黏度数据。由于落球法在压腔内比较容易实现测量，因此其已成为测量压强下液体的黏度最重要的方法之一。

图6-4　落球法黏度计装置示意图

(F为样品腔，G为铁球，H为动态密封件，I为螺杆)

落球式黏度计没有毛细管法黏度计和振动丝黏度计的测量精确度高，但由于其测量原理简单且在高压装置中易于实现，因此是高压下测量黏度最常用的方法。

与落球法原理一致，滚球法也常被用来测量高压下液体的黏度。我们利用滚球黏度计测量了293.15～353.15 K温度范围内，0.1～20 MPa压强范围内，离子液体[Bmim][PF6]和[Bmim][BF4]的黏度。该黏度计装置的玻璃管上部开口，以便使玻璃管的内部和外部产生相同的压力。利用传压介质，通过活塞在黏度计较低位置的运动来调节压力。利用石英温度计测量恒温器的温度。利用滚球高压黏度计获得了273.15～373.15 K温度范围内，0.1～60 MPa压强范围内癸二酸酯的黏度。压力下的黏度是利用一个滚球式黏度计测量的。在整个黏度范围内，应考虑适当的角度和球体的直径进行测量。两传感器测量压强，一个差压压力计和压力绝对压力计，压强可分别达到45MPa和70MPa。利用X射线照相法结合落球法测量研究FeS和Fe溶液高压下的黏度。Fe和FeS粉末作为起始原料，被压实成具有规定尺寸的圆柱体并在熔化之前压缩在聚乙烯腔体中。

上面3种测量方法是测量高压下黏度的主要方法，是直接法，同时也是机械测量方法。除此之外，有研究者利用其他的方法测量高压下的黏度，如超声波法、动态光散射法。超声波黏度计其原理是在待测液体中发射一定频率的超声波，测出超声波在液体中的振荡衰减，并与液体的黏度相关联。利用声波波面法测量计算出室温下0.1～350 MPa压强范围内甘油二酯(DAG)石油的黏度。实验装置包括一组红外二极管和一组锁相探测器，其允许在高压腔体中检测光，同时最小化外部干扰。光学腔体是观察相变的合适工具。液体的可压缩性和黏度变化可在与液压机一起工作的圆柱形腔体中测量。将该腔体放置在恒温槽中，连接到外部恒温器。黏度传感器利用Bleustain-Gulyaev(B-G)表面声波导致的衰减测量黏度。动态光散射也被称为时间相关光散射，由于样品中的粒子发生相互作用而引起光强随时间的起伏变化，因此其光强度的变化携带有粒子相互作用的信息。我们利用动态光散射方法测量得到了298 K温度下的0.1～400 MPa压强范围内水的黏度数据。其实验设备由高压系统和DLS系统组成。高压系统通过柱塞泵和0.1～400 MPa的压力发生器来控制腔体的压强。水作为传压介质。高压腔体配有4个蓝宝石窗口。使用波长为632.8 nm或405 nm的激光器作为光源。激光束通过蓝宝石窗口传播并聚焦在高压腔体中的测试腔的中心。然后，散射光通过分束器，透镜和狭缝之后将光信号转换成电信号的光电倍增管来检测。这两种方法属于间接法，是通过测量与黏度相关的声学量和光学量的方法获得液体的黏度。

由于材料的限制，自制的高压黏度装置也受到一定的限制，其测量压强一般到200 MPa，不适用于超高压强下黏度的测量。在许多方面，研究高压强的黏度有重要的理论和实践意义。例如:研究高压下石油的黏度数据对于石油开采和运输有重要意义；测量地球内部高温高压下各矿物液态时的黏度对研究地壳运动有重要的作用。目前，一种新的高压装置——金刚石对顶砧(DAC)已成为高压下研究物质物性的主要装置，广泛应用于高压科学研究领域。压强是除温度外对材料性质影响较为重要的一个物理参量。随着DAC的应用，压强已经可方便、有效地调控，使可达到的实验压强极限提高了几个数量级，以前一些难以进行的研究得以开展。将光学测角器和摄像机结合，利用落球法设计了一种金刚石压砧中液体黏度测量装置，并使用该装置测量了甲醇和乙醇的混合液黏度。Herbst等(1992)在DAC中利用动态光散射法获到了296 K温度下，0.1～2.9 GPa范围内的甲醇黏度数据。Cook等(1993)利用旋转原理设计了一种离心力DAC黏度计，测量了甲醇、邻苯二甲酸二丁酯、丙二醇、丙三醇不同压强下的黏度。目前，国内尚没有人利用DAC研究高压下液体的黏度。

4.高压落球法

高压黏度实验装置也是在这几种方法的基础上改进而来的。我们查阅文献发现虽然离子液体的黏度数据并不算少，但绝大多数是常压条件下的黏度数据。高压等极端条件下的离子液体黏度数据非常少，而且现有文献报道的离子液体黏度主要集中在0～300 MPa压强范围内。在此基础上，设计出一种新的振动丝黏度计装置，并分别测量了293 K和363 K温度下在0.1～18 MPa范围内邻苯二甲酸二异癸酯的黏度。利用一种新的半自动毛细管黏度计装置测量了303 K和323 K温度下0～30 MPa压强范围内甲醇的黏度。利用一种下落式毛细管黏度计测量了273 K、276 K、278 K温度下的0～30 MPa范围内含有CO2水溶液的黏度。Kiran和Sen(1992)设计了一种圆筒下落式黏度计装置，得到了310～450 K温度下、0～70 MPa范围内正构烷烃的黏度数据。基于斯托克斯落球法原理设计了一种磁力黏度计，得到了20～70℃温度范围内，0～100 MPa压强范围内的硅油黏度数据。落球法结合同步辐射进行高压下黏度的原位测量装置，并且得到了碳酸盐熔体的高温高压黏度数据。利用落球法原理，利用高分辨率X射线CCD摄像机结合大腔体多砧装置，设计了一种能原位进行记录小球下落位置的装置，进而获得黏度数据，并测量得到了钠长石熔体的黏度数据。本实验中，利用滚球式高压黏度计仅在0.1～20 MPa压强范围内对[C4mim][PF6]、[C6mim][PF6]、[C8mim][PF6]和[C4mim][BF4]进行了黏性研究；利用振动式高压黏度计仅在0.1～126 MPa压强范围内对[C2mim][NTf2]、[C6mim][NTf2]、[C10mim][NTf2]、[C6mim][BF4]、[C6mim][PF6]和[C4mim][PF6]进行了黏性研究；利用落体式高压黏度计在0.1～300 MPa压强范围内对[C4mim][PF6]、[C6mim][PF6]、[C8mim][PF6]、[C4mim][BF4]、[C8mim][BF4]和[C4mim][NTf2]进行了黏性研究。对比以上研究工作所用到的黏度测量工具，我们不难发现以上所有黏度测量实验都是在传统的大腔体压力产生装置中进行的，因此获得的离子液体黏度数据难以突破300 MPa的压强限制。

随着高压实验技术不断的进步和发展，先进的高压实验技术和实验装置越来越多，所能达到的压强极限值也越来越高。以金刚石对顶砧为例，该压力产生装置所能达到的压强条件早已突破百万大气压值，然而先进的超高压产生装置却很少用于离子液体的黏性研究。实际上，超高压条件下液体的黏性研究已有文献报道。例如:Piermarini等(1978)将落球黏度测量方法引入金刚石对顶砧内，获得了甲乙醇混合物(体积比为4∶1)在0～7 GPa超高压范围内的黏度数据。King等(1992)在此基础上进行了改进，利用滚球黏度测量方法在金刚石对顶砧内完成了5种液体(包括三氯甲烷、水、八甲基三硅氧烷、正戊醇和双(2-乙基己基)癸二酸酯)的高压原位黏度测量。Cook等(1993)将离心力牵引小球滚动技术与配备外加热装置的金刚石对顶砧相结合，获得了丙三醇和酞酸二丁酯在高温高压条件下的黏度数据。然而截至目前，关于离子液体更高压强条件下的黏度数据几乎没有相关文献报道。通过对比金刚石对顶砧在高压条件下对离子液体结构和相变研究产生的显著推动作用，我们不难发现其在离子液体性质研究方面几乎没有发挥作用。因此我们认为利用金刚石对顶砧技术对离子液体进行高压黏性研究非常有必要，而且也有相应的实验技术作支撑。目前，在金刚石对顶砧基础上发展起来的高压黏度测量方法主要有3种:落球法(黏度测量范围10－1～107cP)、动态光散射法(黏度测量范围10－1～102cP)和离心力法(黏度测量范围105～109cP)。其中，落球法相对简单方便，而且黏度测量范围更加符合大多数液体的黏度测量要求。(注:1cP＝1mPa·s)