淺談PBS類熔體黏度測(cè)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(guó)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(wèn)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(huì)的廣泛關(guān)注。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)對(duì)于塑料造成的環(huán)境污染問(wèn)題愈發(fā)重視，國(guó)家環(huán)保局和地方政府已將治理“白色污染”列為重點(diǎn)工作之一。中國(guó)是塑料制品生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，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(jué)污染”，而且因其難以降解對(duì)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(huì)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(kuò)大。

1 PBS類生物可降解塑料的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)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(guò)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(jìn)行，聚合物分子鏈不斷增長(zhǎng)，黏度不斷升高，通過(guò)熔體黏度計(jì)在線測(cè)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(cè)和優(yōu)化產(chǎn)品工藝過(guò)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(cè)定方法及影響因素

常用的黏度測(cè)定方法有動(dòng)力黏度、特性黏度、運(yùn)動(dòng)黏度、條件黏度四種。

2.1 動(dòng)力黏度

動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dá)式如式(1)所示：

(1)

由式(1)可知ηm的計(jì)算如式(2)所示：

(2)

式中：τ——剪切應(yīng)力；D——剪切速率。

所以，動(dòng)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(shí)的比濃黏度。即表示單個(gè)分子對(duì)溶液黏度的貢獻(xiàn)，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(duì)分子質(zhì)量存在著定量的關(guān)系，所以常用[η]的數(shù)值來(lái)求取相對(duì)分子質(zhì)量，或作為相對(duì)分子質(zhì)量的量度。其值常用毛細(xì)管黏度計(jì)測(cè)得。

動(dòng)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(yùn)動(dòng)黏度

運(yùn)動(dòng)黏度是動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)在特定條件下測(cè)得的流動(dòng)時(shí)間或流動(dòng)時(shí)間之比，實(shí)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(cè)量液體黏度時(shí)，一定要嚴(yán)格按照規(guī)定的恒溫進(jìn)行測(cè)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(duì)黏度測(cè)量影響的重要程度，在實(shí)際的在線黏度測(cè)量過(guò)程中，要采取溫度補(bǔ)償措施，以減小溫度對(duì)黏度精確測(cè)量帶來(lái)的誤差。

3 在線黏度儀選型

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

3.1 毛細(xì)管黏度儀

以德國(guó)H&B4000CRVM在線毛細(xì)管黏度儀為例進(jìn)行介紹。

3.1.1工作原理

在一個(gè)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(guò)專用黏度計(jì)毛細(xì)管形成壓差，通過(guò)特定運(yùn)算公式計(jì)算出該熔體剪切力和準(zhǔn)確動(dòng)力黏度，并經(jīng)過(guò)校正因素和經(jīng)驗(yàn)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(shí)，流體的動(dòng)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(zhǎng)度，m；qV——被測(cè)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(jì)管座，傳感器(電機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪泵、變頻器、毛細(xì)管、黏度計(jì)外殼、黏度計(jì)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(jí)： 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(shí)須帶基座。傳感測(cè)量部件與引流管法蘭連接，流體介質(zhì)經(jīng)精確微小計(jì)量泵定量導(dǎo)入，經(jīng)過(guò)傳感器毛細(xì)管后再回送到反應(yīng)釜或管道。

1)電機(jī)安裝需用水平儀校正電機(jī)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(jī)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(guò)聯(lián)軸器連接電機(jī)和泵，確認(rèn)齒輪泵無(wú)阻塞卡死現(xiàn)象，上電測(cè)試后，安裝防護(hù)罩，保護(hù)泵軸。

4)安裝溫度、壓力傳感器。

5)清理黏度儀腔室。先停電機(jī)，關(guān)閉進(jìn)出料閥門，拆除保溫裝置；打開(kāi)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(kāi)法蘭排空；拆除毛細(xì)管，通過(guò)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(shí)先清理毛細(xì)管上存留的流體介質(zhì)，再用高溫潤(rùn)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(wàn)向軸保護(hù)罩，拆除萬(wàn)向軸，再拆除齒輪泵；安裝回萬(wàn)向軸以后必須手動(dòng)盤泵，確?？梢哉Ｊ褂?。

3.2 振動(dòng)式黏度儀

以Viscotronics的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)式黏度儀為例進(jìn)行介紹。

3.2.1測(cè)量原理

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

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

3.2.2組 成

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)式黏度儀由驅(qū)動(dòng)軸、護(hù)套、傳感器以及變送單元組成。傳感器焊接在驅(qū)動(dòng)軸上，護(hù)套焊接在傳感器上，在一個(gè)相對(duì)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(dòng)下，使驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)傳感器振球在傳感器的自然共振處來(lái)回扭轉(zhuǎn)，在傳感器表面產(chǎn)生微米尺寸的移動(dòng)，持續(xù)的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)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(yùn)算，計(jì)算出黏度值。

3.2.3特 點(diǎn)

該扭轉(zhuǎn)振動(dòng)式黏度儀的特點(diǎn)如下：

1)結(jié)構(gòu)。采用實(shí)心金屬棒驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)，提高了傳感器的強(qiáng)度和測(cè)量靈敏度；采用抗振動(dòng)設(shè)計(jì)，測(cè)量不受外界振動(dòng)的影響，提高了測(cè)量的可靠性；采用耐高溫設(shè)計(jì)，最高可達(dá)到450 ℃，無(wú)須外加風(fēng)冷裝置，不受風(fēng)冷溫度波動(dòng)的影響，提高了測(cè)量的穩(wěn)定性。

2)運(yùn)算方法。采用快速傅里葉變換積分運(yùn)算，測(cè)量更穩(wěn)定，減少干擾。根據(jù)校準(zhǔn)點(diǎn)的范圍和數(shù)量，可使用多條校準(zhǔn)曲線進(jìn)行最佳擬合，每次傳感器以最大可能的振幅驅(qū)動(dòng)以獲得最大靈敏度，僅利用諧振頻率峰值進(jìn)行測(cè)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(cè)量量程寬?？蓽y(cè)范圍為0～5 kPa·s。

5)輸出選項(xiàng)。標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)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(bǔ)償。黏度指標(biāo)測(cè)量中溫度補(bǔ)償尤為重要，但溫度補(bǔ)償范圍不宜過(guò)大，不宜超過(guò)±5 ℃的補(bǔ)償，否則會(huì)打亂原有補(bǔ)償體系。由于黏度的高低受剪切率影響很大，剪切率越高，測(cè)量的黏度越小，區(qū)間更窄，靈敏度很低，測(cè)量出死值概率較大，更無(wú)法做到精準(zhǔn)的溫度補(bǔ)償。

2)表征特性參數(shù)的辨識(shí)度。動(dòng)力黏度和特性黏度直接反應(yīng)聚合度，由動(dòng)力黏度的計(jì)算公式可知，當(dāng)公式中分子變化相同時(shí)，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(hù)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(dòng)式和毛細(xì)管式黏度儀對(duì)比見(jiàn)表1所列。

某項(xiàng)目操作工況條件： 介質(zhì)為增黏熔體，操作溫度為256 ℃，動(dòng)力黏度為1～1.5 kPa·s，黏度測(cè)量準(zhǔn)確度要求為±1%。綜合以上毛細(xì)管式和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)式黏度儀的對(duì)比，兩種黏度儀都適合用于增黏熔體的黏度測(cè)量，但從安裝、維護(hù)、投資運(yùn)維等整體考慮，選用扭轉(zhuǎn)振動(dòng)式黏度儀測(cè)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(xiàng)

4.1 黏度儀投用時(shí)間

裝置剛開(kāi)車時(shí)，釜內(nèi)的物料還未經(jīng)過(guò)均勻攪拌，含有粉塵顆粒等，會(huì)影響到黏度儀傳感器的測(cè)量精度。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般在開(kāi)車運(yùn)行72 h以后再投用黏度儀，更能保證黏度儀的測(cè)量精度和使用性能，在開(kāi)車前期只能先通過(guò)攪拌電流、壓力等參數(shù)來(lái)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(shí)，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(cè)量的黏度值是平均值，而實(shí)際需要的是即時(shí)測(cè)量點(diǎn)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(cè)量靜態(tài)下的熔體黏度，表征出來(lái)的黏度值才更準(zhǔn)確，所以批次生產(chǎn)時(shí)黏度儀通常安裝在釜底，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)黏度儀通常安裝在管道上，必要時(shí)可參考黏度計(jì)生產(chǎn)廠家的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

黏度儀作為聚合物反應(yīng)程度控制的重要儀表，在PBS類樹(shù)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(jiǎn)單、價(jià)格合理、操作方便、測(cè)量范圍廣的優(yōu)勢(shì)，隨著在PBS類樹(shù)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。