聚砜塑料溶液在線黏度-溫度關(guān)系實例分析

丁曉炯

(笙威工程技術(shù)服務(wù)(上海)有限公司,上海 201399)

0 前言

聚砜為琥珀透明固體材料，硬度和沖擊強度高，無毒，耐熱性、耐寒性、耐老化性好，耐無機酸堿鹽的腐蝕，但不耐芳香烴和鹵化烴。聚砜具有自熄性，可在-100～175 ℃下長期使用。通過玻璃纖維增強改性可以使聚砜的耐磨性大幅度提高。

聚砜的應(yīng)用十分廣泛，在電子電氣領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域，航空領(lǐng)域，廚房用品市場，衛(wèi)生及醫(yī)療器械方面，日用品方面，耐磨性涂料方面均有使用；聚砜還可以用來制造各種化工加工設(shè)備(如泵外罩、塔外保護(hù)層等)、食品加工設(shè)備、污染控制設(shè)備、奶制品加工設(shè)備及工程、建筑、化工用管道等。

聚砜生產(chǎn)過程中，需要通過黏度測量來得知聚合反應(yīng)的進(jìn)程，得到不同聚合程度、不同分子量和穩(wěn)定一致的產(chǎn)品，而目前基本都是通過采樣送實驗室測試，在時效性、連續(xù)性和準(zhǔn)確性上不能滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求。有廠家嘗試用在線黏度測量來進(jìn)行實時和全過程的監(jiān)測和自動控制，在聚合過程中也已經(jīng)有不少的應(yīng)用[1]。

1 在線黏度測量技術(shù)

目前，在線黏度計的類型很多，根據(jù)測量原理不同，主要有以下幾種類型：壓差式、注(活)塞式、旋轉(zhuǎn)式、振動式等[2-3]。

1.1 壓差式

壓差式在線黏度計基于泊肅葉(Poiseuille)定律，儀器的主體是一段細(xì)管，細(xì)管與定量泵連接，由定量泵控制流體以恒定的流量進(jìn)入細(xì)管，有壓力監(jiān)測器測量細(xì)管兩端的壓力差，根據(jù)泊肅葉公式計算流體的黏度。這類在線黏度計目前一般使用在石化煉油行業(yè)，用來測量成品油的黏度，測量范圍一般都不高，不適合會固化物料的測量。

1.2 旋轉(zhuǎn)式

在線黏度測量中，旋轉(zhuǎn)法的應(yīng)用比其他方法普遍很多，在線旋轉(zhuǎn)黏度計的測量原理與實驗室黏度計相同，是利用轉(zhuǎn)子在流體中以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，直接測量流體的黏性力大小，計算出黏度。這類在線黏度計是從黏度的物理定義出發(fā)，測量范圍可以很寬，測量時的剪切率可以精確計算。但是這類儀器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)要求很高，不能用于高溫、高壓和會固化物料的測量。

1.3 注(活)塞式

注(活)塞式在線黏度計是利用一個在流體中水平或垂直運動的活塞，測量活塞在固定位置內(nèi)的運動時間來計算出流體的黏度。這類黏度計是斷續(xù)式的測量，并不是完全意義上的在線測量；同時由于是依靠活塞的運動，因此流體自身的流動將對測量產(chǎn)生一定的影響，也不適合會固化物料的測量。

1.4 振動式

振動式的在線黏度測量起步相對較晚，但發(fā)展較快。振動法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動，當(dāng)它剪切流體時，流體的黏度對傳感頭振動振幅有影響，測量維持恒定振幅所輸入的功率，計算得到黏度。這類在線黏度計的測量范圍也很寬，適合于不同的流體測量，測量時的剪切率比較高，一般為1 000 s-1。高剪切的測量條件要求儀器有很高的靈敏度，現(xiàn)在市場上最高靈敏度為SRV的0.001 cP，能適合剪切變稀的假塑性非牛頓流體，儀器沒有運動部件，無需維護(hù)，是目前使用較多的在線黏度測量方法。

各類在線黏度計的測量原理不同，適用的流體和工藝條件也各不相同，需要根據(jù)測量流體的流變學(xué)特性和現(xiàn)場工藝條件進(jìn)行選擇，不能隨意確定，以免造成不必要的損失[2-3]。

2 聚砜塑料溶液在線黏度-溫度關(guān)系實例分析

目前，在針對聚合反應(yīng)的在線黏度測量解決方案中，以振動法相對較多，但這種測量方法也有一些不同的品牌，其儀器設(shè)計和控制算法各不相同，各有自己的適用場合，考慮哪種更適用，不能只看工藝條件中的溫度、壓力、黏度范圍、安裝要求等，而應(yīng)該先從聚合物的流變學(xué)特性和具體工藝來考慮選擇[4-6]。

2.1 測量儀器的選擇

在線黏度計選型時，需要注意儀器的靈敏度和抗干擾性，并不是所有的振動式在線黏度計都能滿足在線測量要求的，選用SRV系列在線黏度計進(jìn)行測量，靈敏度為0.01 cP，能適合高溫和攪拌狀態(tài)下剪切變稀的假塑性非牛頓流體。

2.2 測量結(jié)果對比

黏度的測量方法有很多，實驗室和在線黏度測量的方法和儀器也很多，在進(jìn)行數(shù)據(jù)對比時一定要注意測量條件的一致性，包括測量方法和測量條件的一致性，其中，測量條件又包括了測量溫度、壓力、流速、儀器的測量條件(剪切率)等，只有這些條件完全一致，測得的結(jié)果才會一致。

在實際應(yīng)用中這些條件很難一致，在這種情況下，可以考慮找到一個相互換算或轉(zhuǎn)換的方法，但在實施過程中，由于這種關(guān)系的摸索需要一定數(shù)據(jù)的積累，而且不同的物料關(guān)系也不同，因此需要根據(jù)物料的特性，確定相應(yīng)的計算參數(shù)[4]。

2.3 反應(yīng)過程曲線

圖1是同一反應(yīng)釜中不同反應(yīng)的過程比較，在相同反應(yīng)時間上，黏度的增長或變化過程不同，雖然終點黏度接近，但最終產(chǎn)品的品質(zhì)還是會不同，因此建議將在線黏度信號接入DCS(分布式中控系統(tǒng))，在DCS中預(yù)先設(shè)置不同時間上黏度變化的最佳區(qū)間，這樣可以保證不同批次的產(chǎn)品品質(zhì)保持一致。

圖1 反應(yīng)過程的在線黏度曲線

2.4 實例分析

國內(nèi)某知名聚砜塑料生產(chǎn)廠家使用瑞士Rheonics公司的SRV在線黏度計，直接對聚砜溶液進(jìn)行在線黏度和溫度關(guān)系的測量，摘取了部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以說明在線黏度測量中的數(shù)據(jù)處理方法。

由SRV在線黏度計對兩種不同聚砜溶液的在線溫度和在線黏度是進(jìn)行測量，根據(jù)所測到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行各自的黏溫補償計算，得到相應(yīng)的黏溫關(guān)系，涉及的數(shù)據(jù)已作適當(dāng)加密處理(見表1、表2)。由表1、表2可見：產(chǎn)品1的平均黏度為378.32 Pa·s，相對標(biāo)準(zhǔn)平均偏差為3.70%；產(chǎn)品2的平均黏度為184.42 Pa·s，相對標(biāo)準(zhǔn)平均偏差為5.22%。

從表1、表2可以看出：

(1) 產(chǎn)品1和產(chǎn)品2的黏度有明顯差異。

(2) 隨著溫度的變化，產(chǎn)品1和產(chǎn)品2的黏度都呈現(xiàn)溫度上升、黏度下降的趨勢。

(3) 產(chǎn)品1和產(chǎn)品2的黏溫關(guān)系類似，在目前測量的溫度范圍內(nèi)，各自的黏溫關(guān)系都是非線性關(guān)系。

(4) 經(jīng)過黏溫補償計算出的結(jié)果也一致，在正常測量誤差的要求范圍內(nèi)。

圖2為產(chǎn)品1和產(chǎn)品2的黏度、溫度和80 ℃轉(zhuǎn)換黏度關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間的黏溫關(guān)系趨勢相似，通過計算可以推算出反應(yīng)溫度下的在線黏度，借助在線黏度測量技術(shù)在反應(yīng)溫度下進(jìn)行不同聚合程度的區(qū)分以及反應(yīng)終點判斷，探頭安裝建議見圖3。

根據(jù)以上對數(shù)據(jù)的分析，可以得到以下結(jié)論和建議：

表1產(chǎn)品1的在線溫度、在線黏度、80℃轉(zhuǎn)換黏度

在線溫度/℃在線黏度/(Pa·s)80 ℃轉(zhuǎn)換黏度/(Pa·s)27.93750.00355.2929.95736.00366.3733.29703.16377.3136.53659.91378.2442.29594.79378.2749.44553.82393.5253.60520.97392.0458.92487.57392.4062.71462.60389.1565.34448.04388.0669.96434.00394.5873.55412.93389.0179.20385.87383.1385.94359.85378.6290.26334.00363.8897.00309.95355.39100.00304.00356.19

表2產(chǎn)品2的在線溫度、在線黏度、80℃轉(zhuǎn)換黏度

在線溫度/℃在線黏度/(Pa·s)80 ℃轉(zhuǎn)換黏度/(Pa·s)28.67511.00165.2733.79458.97177.8543.85370.95191.4650.44320.35192.8858.76270.61192.7267.86230.61192.4273.73205.00187.4079.34192.77191.0284.99177.49189.7189.36163.36184.5094.25149.52179.0699.14133.26168.72

(1) 目前的SRV儀器完全符合要求，安裝簡單、無需后續(xù)維護(hù)。

圖2物料1、2的黏度、溫度和80℃轉(zhuǎn)換黏度關(guān)系曲線

圖3 反應(yīng)釜探頭安裝設(shè)計建議

(2) 儀器的穩(wěn)定性、靈敏度都可以反映出不同溫度下所測物料的真實黏度。

(3) 經(jīng)過換算的數(shù)據(jù)和實際結(jié)果比較一致。

(4) 根據(jù)物料的不同，需要根據(jù)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后可以得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，實測數(shù)據(jù)越多，計算結(jié)果越準(zhǔn)確。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著在線黏度測量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，在實際使用中也產(chǎn)生了一些問題，主要是由于對流體的流變特性、實驗室黏度測量方法、在線黏度測量方法和在線黏度計的特點了解不夠而造成的。在考慮在線黏度測量時，需要基本了解被測流體的流變特性，選擇合適的在線黏度測量方法，并選擇相應(yīng)的在線黏度計；同時需要根據(jù)實際情況，考慮是否需要進(jìn)行溫度補償[5-6]。

根據(jù)目前聚砜等工程塑料的生產(chǎn)工藝條件和聚合物的流變特性，推薦使用瑞士Rheonics公司的SRV在線黏度計、DVP在線黏度/密度計(一體式)來對聚合物原液進(jìn)行聚合物生產(chǎn)過程的控制。

在線黏度測量和DCS技術(shù)的結(jié)合是行業(yè)的發(fā)展趨勢，借助于DCS的數(shù)據(jù)處理功能，結(jié)合專家系統(tǒng)和一定的人工智能，可以將在線測量結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換并找到最佳的控制點和控制區(qū)間，最終實現(xiàn)批次的反應(yīng)過程和最終產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定，真正實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。