轉矩流變儀在合成樹脂產品開發(fā)中的應用

尤成宏, 王曉敏 , 張 昕, 張世斌 , 黃 松

（1. 中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113008; 2. 撫順石化公司乙烯化工廠，遼寧 撫順 113004; 3. 北京化工大學，北京 100089;4. 撫順石化公司石油二廠，遼寧 撫順 113004; 5. 撫順石化公司研究院，遼寧 撫順 113004）

轉矩流變儀是測量合成樹脂產品在塑化過程中由剪切作用引起的阻力，即與粘度相關的扭矩（轉矩）來表征合成樹脂產品的流動特性，它被廣泛地用于配方研究、開發(fā)新型的復合材料和產品的質量控制及檢驗，是高分子材料可加工性評測的重要設備。

隨著石油化工和高分子材料工業(yè)的崛起，轉矩流變儀已非常廣泛地應用于這一領域，因此在合成樹脂新產品開發(fā)中有著不可替代的作用[1]。

1 轉矩流變儀的系統(tǒng)組成

轉矩流變儀系統(tǒng)通常由主驅動單元、附加的分析傳感器、計算機系統(tǒng)、密煉機、單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機、各種口模和其它輔助設備組成。

1.1 計算機軟件系統(tǒng)

配備的計算機系統(tǒng)，可自動檢測及控制實驗測試過程[2]。轉矩流變儀實時監(jiān)控軟件，是控制和檢測轉矩流變儀狀態(tài)的基本軟件，保障系統(tǒng)硬件設備和傳感器連接可視化，測量數(shù)據(jù)在線導出到表格文件。測量數(shù)據(jù)分析軟件，針對應用的軟件模塊（密煉測量及高級擠出實驗），工作流結構及時快速的對數(shù)據(jù)進行處理評價，測量曲線和表格同時顯示。根據(jù)試驗測量目的選擇實驗測量模式，使試驗操作人員按照程序進行實驗條件的設置及根據(jù)實驗導向進行操作。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

轉矩流變儀將模塊化的設計應用于聚合物加工處理，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括針對密煉機、擠出機及各種附加設備的探頭自動校準程序等，這些軟件可使測量周期的設定及執(zhí)行過程易于操作和理解。智能化 CAN 總線自動識別連接的外部設備和特征數(shù)據(jù)轉換，適應所有CAN 標準的部件（熱電偶、壓力傳感器）無需軟件轉換。轉矩流變儀配套的溫度和壓力傳感器集成了CAN 總線變換器，在操作軟件中預先設定后，當這些外部設備被接入系統(tǒng)中，軟件會進行自動識別。

1.3 驅動系統(tǒng)

模塊化的密煉機、單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機根據(jù)實驗需要連接到主驅動單元，簡單快捷進行系統(tǒng)連接和組合不同的部件[3]。新型的對接裝置使用簡單安全，采用單一的中樞連結插頭座，去掉了外部連接電纜，實現(xiàn)了信號通訊和供電電源線的內部連接。

1.4 密煉機混煉系統(tǒng)

密煉機是轉矩流變儀系統(tǒng)的最基本單元，是聚合物材料測試中用途最廣泛的輔機。密煉機腔體由1 個“∞”字形混合室和 2 個以不同的轉速反向旋轉的轉子組成。密煉是在密閉條件下加壓的塑煉過程，轉子其速比通常為3︰2。被測物料從加料口壓入密煉腔，在混煉過程中，由于轉子之間及轉子邊緣與密煉腔壁之間的間距很小，轉子旋轉對物料施加了強大的剪切力，從而獲得很好的塑煉效果（表1）。

表1 密煉機轉子的主要應用Table 1 The main application of mixer rotor

1.5 單螺桿擠出機系統(tǒng)

單螺桿擠出機由固體輸送、熔融和熔體輸送等3段組成，通常可配備不同口模進行擠出塑化和成型。

1.6 雙螺桿擠出機系統(tǒng)

雙螺桿擠出機由加料、輸送、壓縮、熔融、混合和排氣等6段組成，加料和輸送段影響擠出機的產量，而壓縮、熔融、混合和排氣段卻直接影響樹脂產品的塑化質量。

1.7 計量加料器

緊湊的設計易于操作，寬的喂料范圍，用于可控混合加料。

2 轉矩流變儀在合成樹脂新產品研發(fā)中應用

2.1 密煉機混煉試驗

混合器密煉機是聚合物材料測試中用途最廣泛的輔機，它是轉矩流變儀系統(tǒng)重要的組成部分。大多數(shù)塑料產品是聚合物與許多添加劑混合，如色母粒、潤滑劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑、阻燃劑、交聯(lián)劑、增強劑、增塑劑等。根據(jù)樹脂與添加劑的配方體系不同，產品的生產加工性能會不同，在研制開發(fā)新型和高性能的聚合物材料必須進行相關質量控制，使之達到所需物理和機械上的要求，這些均離不開密煉機混合實驗。

2.1.1 密煉機混煉試驗評價抗氧劑在聚丙烯產品中的作用

密煉機混煉試驗是評價聚丙烯產品在外部試驗條件改變情況下產品穩(wěn)定性的理想方法，利用密煉機混煉試驗可直觀地反映抗氧劑在生產加工中所起的效果，本方法可推廣應用于不同抗氧劑使用效果的評價，是評定樹脂中抗氧劑使用效果的有效手段。典型曲線如圖1。

圖1 不同抗氧劑添加量對聚丙烯加工性的影響Fig.1 Effects of adding different antioxidants in polypropylene processing

聚丙烯是易氧化降解樹脂，其實質表現(xiàn)為斷鏈、交聯(lián)、分子鏈結構的改變、側基的改變以及它們的綜合效應。評價樹脂產品的穩(wěn)定性實驗，大部分應用差示掃描量熱法，它是在無外部實驗條件改變情況下進行實驗，所以不能客觀反映產品在加工過程中受到條件改變剪切降解的情況。針對以上情況，使用轉矩流變儀密煉機混合試驗可以進行聚丙烯熱穩(wěn)定性評價，其試驗方法是在改變密煉機轉速、溫度、加樣量條件下，通過轉矩時間曲線，評價樹脂產品的熱穩(wěn)定性。同時，通過觀察實驗時間改變樹脂顏色變化可以直觀評價樹脂氧化降解反應的情況[4]，以此體現(xiàn)不同抗氧劑的添加量對產品性能的影響。

圖2 不同生產時間樹脂產品密煉機加工曲線Fig.2 The different production time of the resin product mixer processing curve

2.1.2 密煉機在合成樹脂產品配方設計中的應用

在小試配方中，通過扭矩時間曲線可以得到不同實驗條件下能量消耗曲線(圖2)，以此反映密煉過程中能耗的最佳化配方；利用密煉機程控轉速的調整，區(qū)分不同配方的產品。

2.1.3 一次加樣，進行多個不同設定條件下的測量（圖3）

圖3 不同溫度樹脂產品密煉機加工曲線Fig.3 Different temperature resin product mixer processing curve

采用多步驟測量模式，一次加樣可進行多個不同溫度設定條件下的測量，可得到溫度對被測樣品的影響曲線，即產品加工溫度靈敏度，溫度靈敏度影響樹脂產品的加工性能，通過此曲線得到最適宜的加工溫度。

2.1.4 密煉機在橡膠產品開發(fā)中的應用

橡膠與各種添加劑的混煉，主要是在密煉機上進行的，通過轉矩時間曲線，可反映出具有相同的門尼粘度但是具有不同的流動和硫化特性[5]，不同的配方混合后平衡扭矩即粘度明顯不同；混煉膠質量的控制，通過檢測混煉過程的參數(shù)變化，可極大地改善產品質量[6]。

2.2 擠出機在產品開發(fā)中應用

轉矩流變儀擠出系統(tǒng)由單螺桿、雙螺桿擠出機及各種輔助設備組成，利用擠出機系統(tǒng)，可以在設計研發(fā)新產品時評估生產加工能力，在中試生產中確定最佳生產加工條件[7]。擠出機的主要功能有固體物料的輸送和壓實、熔融、熔體的輸送及計量、熔體混煉均化，擠出制品的質量和生產效率是同產品配方、擠出機試驗條件密不可分的，在研發(fā)過程中，應合理調整擠出機試驗操作參數(shù)。

2.2.1 單螺桿擠出機應用

單螺桿擠出機一般應用于輸送材料、塑化、壓縮、均質化、混合、排氣、化學反應、增加壓力，測量加工變量包含扭矩、熔體溫度、熔體壓力、物料流量。對于剪切敏感而對溫度不敏感的高分子材料，選用單螺桿擠出機，主要用來混合擠出，在線測量熔融、流變特性。

2.2.2 雙螺桿擠出機應用

雙螺桿擠出機一般應用于對聚烯烴的混煉、混合及色母粒生產，它獨有的排氣、可控制的剪切、靈活的螺桿設計，使實驗加工處理更加簡便易于操作。可以進行塑化、混煉、同質均勻、烹飪、凝膠、單體物低聚物溶劑的排氣、聚合物溶液的濃縮、各種添加劑組合的復配調整。雙螺桿擠出機螺桿分段，采用滑塊單元，可以改變組合配置，同向旋轉相互嚙合可以實現(xiàn)物料的壓縮混合。

從圖4 看出，通過對轉矩時間曲線的解讀，可以獲取有用的信息，如熔融時間、穩(wěn)定時間、不同配方剪切穩(wěn)定性等，以滿足停留時間、能耗、原材料和最終產品的性能要求。

圖4 樹脂產品雙螺桿擠出加工實驗Fig.4 Resin product of twin-screw extrusion experiment

2.3 口模和輔助設備的使用

小型擠出機連接各種口模和后牽引設備，構成中試或小試裝置，模擬實際生產過程。

(1)圓棒口模：用來擠出造粒、檢測口模膨脹、拉絲在線測量熔體強度等，可進行小批量生產。

(2)吹塑口模：用于在實驗室模擬生產加工吹膜工藝，可為膜撕裂實驗、摩擦系數(shù)實驗、開口性性能評價、透光率評價實驗、拉伸性能評價進行實驗配方設計。

(3)壓塑口模：用于材料進行片狀成型加工，樹脂經(jīng)塑化牽引成型，可為評價產品性能如化學穩(wěn)定性、耐熱性能、機械強度和電絕緣性性能檢測進行實驗配方設計。

(4)擠塑口模：用于管材料擠塑成型，分析管材料的生產加工條件變化與管材料成型匹配關系，可對長期靜壓強度、耐慢速裂紋增長耐環(huán)境應力開裂全切口蠕變試驗等表征管材料重要性能指標進行樣品制備。

（5）計量加料器：用于原料的精確定量給料，饑餓喂料使得螺桿能夠排氣，目的為了降低扭矩。

2.4 生產工藝參數(shù)控制

(1)生產溫度的確定。通過對不同生產溫度時實驗曲線的分析，可以在保證樹脂產品充分塑化前提下確定樹脂產品生產溫度，以此降低能耗。

(2)生產轉速的確定。適當提高生產轉速，可促進樹脂產品熔融塑化，并可增加產量。但是轉速過高，剪切速率過大，將使產品的熔融粘度迅速下降，給生產操作帶來困難。同時，過低粘度的物料由于逆流流量增加反而降低了擠出量。因此，通過對試驗曲線分析，確定適宜的生產轉速。

(3)生產時間的確定。完整的密煉扭矩曲線可以對應于單螺桿擠出加工過程，即從加樣到物料塑化穩(wěn)定后經(jīng)口模擠出成型，確定物料在螺筒內的滯留時間，獲得最佳擠出生產條件。

(4)密煉混合過程中能耗的最優(yōu)化。利用實驗室密煉機改進生產步驟，在試驗過程中改變添加劑及各種助劑順序，通過試驗曲線，可直觀觀察共混改性對加工性能的影響，為降低能耗、優(yōu)化加工工藝參數(shù)提供依據(jù)[8]。

3 結束語

轉矩流變儀在合成樹脂新產品研發(fā)中占據(jù)著不可替代的位置，是研究聚合物開發(fā)和高聚物流變學重要的生產加工評價設備。隨著合成樹脂產業(yè)的不斷發(fā)展，對相應新產品性能檢測提出了更高的要求，因此更好開發(fā)轉矩流變儀應用是必要的。

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