淺談PBS類熔體黏度測量中黏度儀的選型

陳麗娟，宋凱卓

(1． 重慶川維石化工程有限責(zé)任公司，重慶 401122；2． 中國紡織科學(xué)研究院，北京 100020)

目前，白色污染是全球面臨的共同問題，在造成環(huán)境污染的諸多因素中，塑料廢棄物造成的公害已引起了社會的廣泛關(guān)注。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，中國對于塑料造成的環(huán)境污染問題愈發(fā)重視，國家環(huán)保局和地方政府已將治理“白色污染”列為重點工作之一。中國是塑料制品生產(chǎn)和消費大國，包裝用塑料的大部分以廢舊薄膜、塑料袋和泡沫塑料餐具的形式，被丟棄在環(huán)境中。這些廢舊塑料包裝物散落在市區(qū)、風(fēng)景旅游區(qū)、水體、道路兩側(cè)，不僅影響景觀，造成“視覺污染”，而且因其難以降解對生態(tài)環(huán)境造成潛在危害。

不同黏度的PBS類生物可降解塑料產(chǎn)品，既能代替普通塑料的部分性能，又不會造成白色污染，近兩年被大力推廣，其生產(chǎn)方法已經(jīng)日趨成熟，產(chǎn)能不斷擴大。

1 PBS類生物可降解塑料的生產(chǎn)工藝簡介

PBS類生物可降解塑料采用脂肪族一元酸或多元酸和1，4-丁二醇為原料，并添加專用的添加劑，在一定條件下通過酯化反應(yīng)和縮聚反應(yīng)制取。

在PBS類縮聚生產(chǎn)工藝中，隨著反應(yīng)的進行，聚合物分子鏈不斷增長，黏度不斷升高，通過熔體黏度計在線測量預(yù)縮聚、終縮聚反應(yīng)工序的熔體黏度，得到縮聚反應(yīng)流體流變行為的數(shù)據(jù)，監(jiān)測和優(yōu)化產(chǎn)品工藝過程的控制，以保證安全生產(chǎn)及最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量。

2 黏度測定方法及影響因素

常用的黏度測定方法有動力黏度、特性黏度、運動黏度、條件黏度四種。

2.1 動力黏度

動力黏度也稱黏性系數(shù)、內(nèi)摩擦系數(shù)，定義為： 面積各為1 m2并相距1 m的兩層流體，以1 m/s的速度作相對運動時所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，單位為N·s/m2，即Pa·s。黏度是流體的一種屬性，不同流體的黏度數(shù)值不同。黏性力的數(shù)學(xué)表達式如式(1)所示：

(1)

由式(1)可知ηm的計算如式(2)所示：

(2)

式中：τ——剪切應(yīng)力；D——剪切速率。

所以，動力黏度也定義為穩(wěn)態(tài)流中的剪切應(yīng)力和剪切速率之比值。

2.2 特性黏度

特性黏度是指當(dāng)高分子溶液濃度趨于零時的比濃黏度。即表示單個分子對溶液黏度的貢獻，是反映高分子特性的黏度，其值不隨濃度而變。常以η表示，常用的單位是dL/g。由于特性黏度與高分子的相對分子質(zhì)量存在著定量的關(guān)系，所以常用[η]的數(shù)值來求取相對分子質(zhì)量，或作為相對分子質(zhì)量的量度。其值常用毛細(xì)管黏度計測得。

動力黏度和特性黏度的換算公式如式(3)所示：

(3)

式中：T——熱力學(xué)溫度，K；η—— 特性黏度，dL·g-1。

2.3 運動黏度

運動黏度是動力黏度與同溫度下的密度之比值，又稱為比密黏度，常以ν表示，如式(4)所示：

(4)

式中：ν——運動黏度，m2/s；ρ——介質(zhì)密度，kg/m3。

2.4 條件黏度

條件黏度是指用特定的黏度計在特定條件下測得的流動時間或流動時間之比，實際上并不是黏度量。

2.5 影響因素

黏度受溫度因素影響非常大，在常溫常壓下，當(dāng)溫度變化1 ℃，液體的黏度變化從百分之幾到十幾，所以在測量液體黏度時，一定要嚴(yán)格按照規(guī)定的恒溫進行測定。黏度與溫度并不成線性關(guān)系，液體的黏度和氣體的黏度與溫度變化的規(guī)律完全相反，氣體的黏度隨溫度升高而增大，但是液體的黏度隨溫度升高反而減小。

基于溫度對黏度測量影響的重要程度，在實際的在線黏度測量過程中，要采取溫度補償措施，以減小溫度對黏度精確測量帶來的誤差。

3 在線黏度儀選型

目前市場上適合用于PBS類生產(chǎn)過程熔體黏度檢測的分析儀，基本上只有毛細(xì)管和振動式兩種。本文主要從測量原理、組成、應(yīng)用等幾方面對比毛細(xì)管和振動式兩種黏度儀。

3.1 毛細(xì)管黏度儀

以德國H&B4000CRVM在線毛細(xì)管黏度儀為例進行介紹。

3.1.1工作原理

在一個高精度的熔體齒輪泵保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，將恒定體積的熔體介質(zhì)通過專用黏度計毛細(xì)管形成壓差，通過特定運算公式計算出該熔體剪切力和準(zhǔn)確動力黏度，并經(jīng)過校正因素和經(jīng)驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為特性黏度。

毛細(xì)管式黏度儀依據(jù)哈根-泊肅葉定律，當(dāng)液體流經(jīng)毛細(xì)管時，流體的動力黏度和毛細(xì)管兩端之間的壓力降，可用式(5)表示[1]：

(5)

式中：r——毛細(xì)管內(nèi)徑，m；L——毛細(xì)管長度，m；qV——被測流體的體積流量，m3/s；Δp——毛細(xì)管兩端的壓差，Pa。

3.1.2組 成

在線毛細(xì)管式黏度儀由黏度計管座，傳感器(電機、聯(lián)軸器、齒輪泵、變頻器、毛細(xì)管、黏度計外殼、黏度計腔室、溫度傳感器、壓力傳感器)，變送控制單元(電氣控制柜、觸摸控制屏、控制軟件)等組成。

3.1.3技術(shù)參數(shù)

在線毛細(xì)管式黏度儀主要參數(shù)如下：

黏度范圍： 0～500 Pa·s，0～1 000 Pa·s，0～1 500 Pa·s，0～2 000 Pa·s，0～2 500 Pa·s；

耐壓等級： 42 MPa；

工作溫度： 0～250 ℃，0～400 ℃；

聚合物流量： 0～1.5 L/h；

精度： 讀數(shù)的±0.75%；

毛細(xì)管規(guī)格：φ4 mm，φ5 mm，φ6 mm等。

3.1.4安裝與拆除

黏度儀可在反應(yīng)釜和管道上安裝，管道上安裝時須帶基座。傳感測量部件與引流管法蘭連接，流體介質(zhì)經(jīng)精確微小計量泵定量導(dǎo)入，經(jīng)過傳感器毛細(xì)管后再回送到反應(yīng)釜或管道。

1)電機安裝需用水平儀校正電機的水平度，保證水平安裝。

2)黏度儀安裝首先確定管座安裝位置，黏度儀固定在機架上，再將黏度儀的物料法蘭與管座法蘭安裝，將伴熱法蘭與熱媒法蘭連接。

3)通過聯(lián)軸器連接電機和泵，確認(rèn)齒輪泵無阻塞卡死現(xiàn)象，上電測試后，安裝防護罩，保護泵軸。

4)安裝溫度、壓力傳感器。

5)清理黏度儀腔室。先停電機，關(guān)閉進出料閥門，拆除保溫裝置；打開后端密封法蘭釋放壓力，腔室泄壓后靜置8 h等物料降解后打開法蘭排空；拆除毛細(xì)管，通過重力排空管道內(nèi)聚合物，清理腔室。

6)拆除與更換毛細(xì)管。拆除黏度儀毛細(xì)管需降低至室溫后才可拆除；更換時先清理毛細(xì)管上存留的流體介質(zhì)，再用高溫潤滑劑涂抹毛細(xì)管螺紋，防止高溫下卡死。

7)拆除與更換齒輪泵。先移除萬向軸保護罩，拆除萬向軸，再拆除齒輪泵；安裝回萬向軸以后必須手動盤泵，確保可以正常使用。

3.2 振動式黏度儀

以Viscotronics的扭轉(zhuǎn)振動式黏度儀為例進行介紹。

3.2.1測量原理

扭轉(zhuǎn)振動式黏度儀采用管道式在線安裝，直接測量動力黏度。由式(2)可知，當(dāng)公式中分子項變化相同時，分母項越大，ηm變化越小，即靈敏度越差。

扭轉(zhuǎn)振動黏度儀采用固定的剪切速率，只需測量不同的剪切應(yīng)力、計算測量不同試樣的動力黏度，測量變量少，測量更準(zhǔn)確。

3.2.2組 成

扭轉(zhuǎn)振動式黏度儀由驅(qū)動軸、護套、傳感器以及變送單元組成。傳感器焊接在驅(qū)動軸上，護套焊接在傳感器上，在一個相對的靜態(tài)平面上，形成共振體。這種完全焊接的結(jié)構(gòu)密封了所有的內(nèi)部組件，為傳感器提供了較高的完整性及高的抗干擾性。

在電磁線圈驅(qū)動下，使驅(qū)動軸帶動傳感器振球在傳感器的自然共振處來回扭轉(zhuǎn)，在傳感器表面產(chǎn)生微米尺寸的移動，持續(xù)的扭轉(zhuǎn)運動會產(chǎn)生橫波，試樣黏度的不同，振幅的變化不同，形成振幅曲線圖。利用全共振衰減周期快速傅里葉變換積分運算，計算出黏度值。

3.2.3特 點

該扭轉(zhuǎn)振動式黏度儀的特點如下：

1)結(jié)構(gòu)。采用實心金屬棒驅(qū)動軸設(shè)計，提高了傳感器的強度和測量靈敏度；采用抗振動設(shè)計，測量不受外界振動的影響，提高了測量的可靠性；采用耐高溫設(shè)計，最高可達到450 ℃，無須外加風(fēng)冷裝置，不受風(fēng)冷溫度波動的影響，提高了測量的穩(wěn)定性。

2)運算方法。采用快速傅里葉變換積分運算，測量更穩(wěn)定，減少干擾。根據(jù)校準(zhǔn)點的范圍和數(shù)量，可使用多條校準(zhǔn)曲線進行最佳擬合，每次傳感器以最大可能的振幅驅(qū)動以獲得最大靈敏度，僅利用諧振頻率峰值進行測量，可獲得較大的信噪比。

3)高靈敏度。具有低剪切率、高靈敏度特性。

4)測量量程寬。可測范圍為0～5 kPa·s。

5)輸出選項。標(biāo)準(zhǔn)的動力黏度輸出，可選特性黏度顯示/輸出。

3.2.4應(yīng) 用

1)溫度補償。黏度指標(biāo)測量中溫度補償尤為重要，但溫度補償范圍不宜過大，不宜超過±5 ℃的補償，否則會打亂原有補償體系。由于黏度的高低受剪切率影響很大，剪切率越高，測量的黏度越小，區(qū)間更窄，靈敏度很低，測量出死值概率較大，更無法做到精準(zhǔn)的溫度補償。

2)表征特性參數(shù)的辨識度。動力黏度和特性黏度直接反應(yīng)聚合度，由動力黏度的計算公式可知，當(dāng)公式中分子變化相同時，分母越大，η變化越小，即靈敏度越差。

3)管道上原位安裝，維護工作量小，檢維修方便。

4)投資較毛細(xì)管式黏度儀低。

3.3 兩種黏度儀的比選

扭轉(zhuǎn)振動式和毛細(xì)管式黏度儀對比見表1所列。

某項目操作工況條件： 介質(zhì)為增黏熔體，操作溫度為256 ℃，動力黏度為1～1.5 kPa·s，黏度測量準(zhǔn)確度要求為±1%。綜合以上毛細(xì)管式和扭轉(zhuǎn)振動式黏度儀的對比，兩種黏度儀都適合用于增黏熔體的黏度測量，但從安裝、維護、投資運維等整體考慮，選用扭轉(zhuǎn)振動式黏度儀測量PBS類熔體黏度是更好的選擇方案。

4 黏度儀的使用注意事項

4.1 黏度儀投用時間

裝置剛開車時，釜內(nèi)的物料還未經(jīng)過均勻攪拌，含有粉塵顆粒等，會影響到黏度儀傳感器的測量精度。根據(jù)工程經(jīng)驗，一般在開車運行72 h以后再投用黏度儀，更能保證黏度儀的測量精度和使用性能，在開車前期只能先通過攪拌電流、壓力等參數(shù)來粗略判定黏度值。

4.2 安裝位置

黏度儀通常安裝在反應(yīng)釜釜上或管道上。在反應(yīng)釜上安裝時，因釜內(nèi)的物料在攪拌狀態(tài)下大部分處于全混狀態(tài)，測量的黏度值是平均值，而實際需要的是即時測量點的黏度，在反應(yīng)釜出料管線內(nèi)的物料已處于均勻穩(wěn)定狀態(tài)，測量靜態(tài)下的熔體黏度，表征出來的黏度值才更準(zhǔn)確，所以批次生產(chǎn)時黏度儀通常安裝在釜底，連續(xù)生產(chǎn)時黏度儀通常安裝在管道上，必要時可參考黏度計生產(chǎn)廠家的工程應(yīng)用經(jīng)驗。

5 結(jié)束語

黏度儀作為聚合物反應(yīng)程度控制的重要儀表，在PBS類樹脂生產(chǎn)中廣泛使用，既提升了生產(chǎn)的穩(wěn)定性，又提高了產(chǎn)品的質(zhì)量均勻性。扭轉(zhuǎn)振蕩式黏度儀具有安裝簡單、價格合理、操作方便、測量范圍廣的優(yōu)勢，隨著在PBS類樹脂等聚合物領(lǐng)域中應(yīng)用數(shù)據(jù)的不斷完善，必將得到更多的應(yīng)用。