合成樹(shù)脂在線黏度測(cè)量應(yīng)用實(shí)例

丁曉炯

[笙威工程技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司，上海 201399]

1 合成樹(shù)脂和黏度

合成樹(shù)脂是一類人工合成的高分子質(zhì)量聚合物，兼具或者超過(guò)天然樹(shù)脂固有特性的一種樹(shù)脂。ASTM D883-65T 將合成樹(shù)脂定義為分子質(zhì)量未加限定但往往是高分子質(zhì)量的固體、半固體或假（準(zhǔn)）固體的有機(jī)物，受應(yīng)力時(shí)有流動(dòng)傾向，常具有軟化或熔融特性并在破裂時(shí)呈貝殼狀。在實(shí)際應(yīng)用中常與聚合物甚至塑料同義使用，特別是指由單體聚合反應(yīng)生成的未加任何助劑或僅加極少量助劑的基本材料，也有用于代表未固化的流動(dòng)性熱固聚合物材料。世界3 大合成材料包括合成樹(shù)脂、合成橡膠和合成纖維。合成樹(shù)脂是產(chǎn)量和消費(fèi)量最大的合成材料。合成樹(shù)脂為高分子化合物，由低分子原料——單體（如乙烯、丙烯、氯乙烯等）通過(guò)聚合反應(yīng)而生成的大分子。工業(yè)上常用的聚合方法有本體聚合、懸浮聚合、乳液聚合、溶液聚合、淤漿聚合、氣相聚合等。

黏度是很多化學(xué)反應(yīng)尤其是聚合反應(yīng)過(guò)程中十分重要的指標(biāo)，不同聚合物隨著分子質(zhì)量的變化黏度呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律，大致都是隨著分子質(zhì)量的增大而相應(yīng)增加，這也是監(jiān)控反應(yīng)過(guò)程的測(cè)量手段和表征方法。因此，在許多生產(chǎn)過(guò)程中都需要對(duì)黏度進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)測(cè)量與控制[1-3]。

在合成樹(shù)脂行業(yè)中，涉及到黏度測(cè)量和控制的情況有很多：聚合反應(yīng)過(guò)程中的黏度測(cè)量，以跟蹤和控制反應(yīng)進(jìn)程；稀釋過(guò)程中的黏度測(cè)量和調(diào)整、最終成品的黏度測(cè)量，以得到符合要求的樹(shù)脂產(chǎn)品；各種樹(shù)脂聚合物液體和不同濃度、比例的液體等。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇和用戶生產(chǎn)自動(dòng)化水平的日益提高，對(duì)樹(shù)脂性能穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高，尤其是在石化規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)采用以后，以往依靠人工現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行黏度測(cè)試的方法，不僅難以達(dá)到對(duì)樹(shù)脂性能的精確控制，也無(wú)法滿足新的安全標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，樹(shù)脂行業(yè)逐步重視、應(yīng)用在線黏度測(cè)量技術(shù)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有不少企業(yè)嘗試和熟練地使用了該項(xiàng)技術(shù)。從發(fā)展的角度來(lái)看，未來(lái)合成樹(shù)脂行業(yè)應(yīng)用在線黏度檢測(cè)技術(shù)勢(shì)在必行，就如同今天的分布式控制系統(tǒng)（DCS）一樣。但是由于物料本身的流變特性、在線測(cè)量實(shí)時(shí)條件（溫度、攪拌、流動(dòng)等）的變化、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果對(duì)比條件的不同，導(dǎo)致有些企業(yè)認(rèn)為在線黏度測(cè)量技術(shù)不成熟、不好用，這主要是由于不了解物料流變特性，不理解黏度測(cè)量技術(shù)以及未掌握測(cè)量條件變化對(duì)黏度測(cè)量值的影響。這些問(wèn)題都可以從流變理論和儀器測(cè)量原理的角度來(lái)分析和解決[4-5]。

2 在線黏度和實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量

2.1 在線黏度測(cè)量

目前，在線黏度計(jì)的類型有很多，根據(jù)測(cè)量原理不同主要有壓差式、注（活）塞式、旋轉(zhuǎn)式、振動(dòng)式等。振動(dòng)式在線黏度測(cè)量起步較晚，但發(fā)展較快，傳感頭為圓柱體，振幅恒定，當(dāng)剪切流體時(shí)，傳感頭振幅受流體黏度的影響，測(cè)量維持恒定振幅所輸入的功率，計(jì)算得到黏度。這類在線黏度計(jì)的測(cè)量范圍寬，適用于不同的流體，測(cè)量時(shí)的剪切率較高，一般約為1 000 s-1。高剪切率測(cè)量條件要求儀器有很高的靈敏度，現(xiàn)在市場(chǎng)上最高靈敏度為SRV 的0.01 mPa·s，適合剪切變稀的假塑性非牛頓流體，再根據(jù)流體的流變學(xué)特性模型進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。儀器沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)需維護(hù)，是目前使用較多的在線黏度計(jì)。需要根據(jù)流體的流變學(xué)特性和現(xiàn)場(chǎng)工藝條件選擇在線黏度計(jì)，不能隨意確定，以免造成不必要的損失[1-2]。

2.2 實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量也有很多不同的方法，按大類可分成流體法和運(yùn)動(dòng)法。流體法有毛細(xì)管法、流出杯法（涂4 杯等）、斜坡法等；運(yùn)動(dòng)法有落球法、旋轉(zhuǎn)法、振動(dòng)法等[3-4]。

所有的黏度測(cè)量方法都有一定的局限性和適用范圍[5-6]。而目前在合成樹(shù)脂行業(yè)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量用得最多的是旋轉(zhuǎn)法，包括旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和旋轉(zhuǎn)流變儀。具體有布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、NDJ79 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、錐板高溫黏度計(jì)等，用于聚合反應(yīng)終點(diǎn)判斷、中間產(chǎn)品過(guò)程監(jiān)測(cè)和最終成品質(zhì)量檢驗(yàn)。

3 在線、實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)例

使用SRV 3/4″ NPT 螺紋型在線黏度計(jì)，根據(jù)稀釋釜的尺寸和投料情況，準(zhǔn)備加長(zhǎng)套管、法蘭和內(nèi)外絲連接頭，從釜頂插入釜中，如圖1 所示。由于沒(méi)有DCS，使用了虛擬機(jī)（VM）顯示控制器接收在線黏度、在線溫度信號(hào)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)參數(shù)設(shè)置和內(nèi)置自動(dòng)計(jì)算，顯示指定溫度下的在線黏度和實(shí)驗(yàn)室黏度。內(nèi)部存儲(chǔ)為1 s 1 個(gè)數(shù)據(jù)，用U 盤將數(shù)據(jù)導(dǎo)出后再進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和繪圖。

圖1 SRV 在線黏度計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)安裝

完成安裝后開(kāi)始進(jìn)行投料、變溫、恒溫、稀釋等不同的生產(chǎn)條件變化和正常生產(chǎn)，在線黏度計(jì)進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)測(cè)量、計(jì)算和記錄。進(jìn)行在線黏度測(cè)量的同時(shí)，操作工人進(jìn)行樣品采樣并記錄采樣時(shí)的在線黏度和溫度值，樣品送至實(shí)驗(yàn)室，采用旋轉(zhuǎn)在線黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)在線黏度、溫度進(jìn)行繪圖，觀察儀器的工作狀態(tài)和結(jié)果。根據(jù)在線黏度、溫度、實(shí)驗(yàn)室黏度進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、參數(shù)尋找和計(jì)算驗(yàn)證[6-7]。由于涉及工藝保密，這里不對(duì)樹(shù)脂、工藝參數(shù)及其他測(cè)試條件作詳細(xì)描述。

3.1 使用過(guò)程和過(guò)程曲線

（1）將已經(jīng)裝好探頭的加長(zhǎng)套管插入稀釋釜，固定后通電攪拌并開(kāi)始測(cè)試，釜內(nèi)已有樹(shù)脂保溫一段時(shí)間，注入新樹(shù)脂后攪拌一段時(shí)間，降溫，最后排料（圖2a）；（2）向空釜注入樹(shù)脂，按正常稀釋過(guò)程進(jìn)行，觀察投料到恒溫的過(guò)程（圖2b）；（3）向空釜注入樹(shù)脂，按正常稀釋過(guò)程進(jìn)行，溶劑分3 次注入，最后排料（圖2c）；（4）向空釜注入樹(shù)脂，按正常稀釋過(guò)程進(jìn)行，溶劑分兩次注入（圖2d）。

圖2 在線黏度、溫度過(guò)程曲線

3.2 測(cè)試結(jié)果及計(jì)算

如表1 所示，VT′是根據(jù)實(shí)測(cè)在線黏度和溫度得到的樹(shù)脂黏溫關(guān)系，通過(guò)計(jì)算到VT′60 ℃的在線黏度，再由VT′60 ℃在線黏度和實(shí)驗(yàn)室黏度得到兩者的轉(zhuǎn)換計(jì)算參數(shù)。從表1 可以看出，優(yōu)化前過(guò)程1 和3的計(jì)算結(jié)果偏差相對(duì)較小，過(guò)程2都是負(fù)偏差，過(guò)程3都是正偏差；同時(shí)過(guò)程1 中有一個(gè)數(shù)據(jù)明顯和其他值不同，因此將該值舍棄。按過(guò)程1 和3 是一類，過(guò)程2、4 單獨(dú)一類重新設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化后計(jì)算得最大相對(duì)偏差小于9.00%。

表1 不同過(guò)程的在線溫度、在線黏度、實(shí)驗(yàn)室黏度及其偏差

4 注意事項(xiàng)與方案選擇

SRV 在線黏度計(jì)安裝在稀釋釜上，可以連續(xù)、實(shí)時(shí)地進(jìn)行溫度和黏度測(cè)量，黏度的變化能反應(yīng)出溫度變化、加入樹(shù)脂、加入溶劑的過(guò)程。加裝在線黏度計(jì)后，由黏度的變化過(guò)程曲線可以反映出釜內(nèi)的真實(shí)狀態(tài)。

通過(guò)黏溫轉(zhuǎn)換和實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換，可以得到和實(shí)驗(yàn)室黏度很接近的轉(zhuǎn)換結(jié)果，但是由于物料不同，流變特性會(huì)相應(yīng)變化，需要根據(jù)不同配方、樹(shù)脂進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，不能用一組數(shù)據(jù)計(jì)算所有的產(chǎn)品。從目前的計(jì)算來(lái)看，如果只用一組參數(shù)，平均相對(duì)偏差為9.79%，而如果根據(jù)所用樹(shù)脂的情況進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置和計(jì)算，平均相對(duì)偏差為1.17%。這一工作需要現(xiàn)場(chǎng)人員采樣獲取在線黏度、在線溫度、實(shí)驗(yàn)室黏度，建議每一批的數(shù)據(jù)量至少3 個(gè)，最好5 個(gè)以上，這樣得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)更準(zhǔn)確。

如果有DCS，可以先設(shè)置好轉(zhuǎn)換計(jì)算參數(shù)庫(kù)文件，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)調(diào)入對(duì)應(yīng)的參數(shù)，這樣就可以直接顯示實(shí)驗(yàn)室黏度。如果沒(méi)有DCS，就需要加裝VM 黏度顯示控制器，在生產(chǎn)前由專人將參數(shù)調(diào)整到對(duì)應(yīng)值。這些參數(shù)是稀釋過(guò)程的重要工藝參數(shù)，建議由專人保管、設(shè)置、加密處理。

目前實(shí)驗(yàn)室測(cè)量工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)，中間過(guò)程和操作需要嚴(yán)格培訓(xùn)和按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，尤其是恒溫條件的控制需要加強(qiáng)；同時(shí)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室黏度計(jì)使用和測(cè)量條件的統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化，這樣才能得到準(zhǔn)確的測(cè)量值，避免出現(xiàn)“為測(cè)而測(cè)”的現(xiàn)象。在線黏度測(cè)量技術(shù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的記錄、分析、計(jì)算，需要有一定的流變學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等相關(guān)專業(yè)知識(shí)，建議進(jìn)行人員培訓(xùn)和實(shí)際操作培訓(xùn)，這樣才能掌握工程工藝的技術(shù)訣竅，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。

在聚合釜上需要選用高溫型SRV（最高溫度為300 ℃），數(shù)據(jù)處理方式和稀釋過(guò)程類似。

安裝方案1：在設(shè)計(jì)新釜時(shí)考慮好安裝的位置，一般建議在釜側(cè)壁或底部安裝，可以考慮采用預(yù)留法蘭。參考的安裝尺寸見(jiàn)圖3。安裝方案2：在老釜上安裝需要尋找現(xiàn)有的預(yù)留法蘭、DN50 以上的預(yù)留管道，根據(jù)位置進(jìn)行套管加長(zhǎng)，將探頭安裝在套管頂端，另一端焊接固定法蘭，見(jiàn)圖3。如果沒(méi)有足夠大的預(yù)留管道或者插入后會(huì)碰到攪拌器，就不能安裝，需要重新開(kāi)口或?qū)ふ移渌恢?。在線黏度計(jì)的使用見(jiàn)圖4。

圖3 SRV 在線黏度計(jì)安裝設(shè)計(jì)

圖4 在線黏度計(jì)的使用

在線黏度測(cè)量和DCS 技術(shù)的結(jié)合是樹(shù)脂行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，借助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(cè)量結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換并找到最佳的控制點(diǎn)和控制區(qū)間（圖4 中框線區(qū)域），最終實(shí)現(xiàn)批次的反應(yīng)過(guò)程控制和最終產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

5 結(jié)論

隨著在線黏度測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，在實(shí)際使用中也產(chǎn)生了一些問(wèn)題，主要是由于對(duì)流體的流變特性、實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量方法、在線黏度測(cè)量方法和在線黏度計(jì)的特點(diǎn)了解不夠。在考慮在線黏度測(cè)量時(shí)，需要對(duì)被測(cè)流體的流變特性有一個(gè)基本了解，這樣才可以選擇合適的在線黏度測(cè)量方法，選擇相應(yīng)的在線黏度計(jì)；在做數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并考慮實(shí)驗(yàn)室黏度的測(cè)量方法。