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(qiáng)度高，無毒，耐熱性、耐寒性、耐老化性好，耐無機(jī)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(zhǎng)期使用。通過玻璃纖維增強(qiáng)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(chǎng)，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(cè)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試，在時(shí)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(cè)量來進(jìn)行實(shí)時(shí)和全過程的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)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(cè)量技術(shù)

目前，在線黏度計(jì)的類型很多，根據(jù)測(cè)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(dòng)式等[2-3]。

1.1 壓差式

壓差式在線黏度計(jì)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(cè)器測(cè)量細(xì)管兩端的壓力差，根據(jù)泊肅葉公式計(jì)算流體的黏度。這類在線黏度計(jì)目前一般使用在石化煉油行業(yè)，用來測(cè)量成品油的黏度，測(cè)量范圍一般都不高，不適合會(huì)固化物料的測(cè)量。

1.2 旋轉(zhuǎn)式

在線黏度測(cè)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(jì)的測(cè)量原理與實(shí)驗(yàn)室黏度計(jì)相同，是利用轉(zhuǎn)子在流體中以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，直接測(cè)量流體的黏性力大小，計(jì)算出黏度。這類在線黏度計(jì)是從黏度的物理定義出發(fā)，測(cè)量范圍可以很寬，測(cè)量時(shí)的剪切率可以精確計(jì)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(huì)固化物料的測(cè)量。

1.3 注(活)塞式

注(活)塞式在線黏度計(jì)是利用一個(gè)在流體中水平或垂直運(yùn)動(dòng)的活塞，測(cè)量活塞在固定位置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間來計(jì)算出流體的黏度。這類黏度計(jì)是斷續(xù)式的測(cè)量，并不是完全意義上的在線測(cè)量；同時(shí)由于是依靠活塞的運(yùn)動(dòng)，因此流體自身的流動(dòng)將對(duì)測(cè)量產(chǎn)生一定的影響，也不適合會(huì)固化物料的測(cè)量。

1.4 振動(dòng)式

振動(dòng)式的在線黏度測(cè)量起步相對(duì)較晚，但發(fā)展較快。振動(dòng)法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動(dòng)，當(dāng)它剪切流體時(shí)，流體的黏度對(duì)傳感頭振動(dòng)振幅有影響，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)量范圍也很寬，適合于不同的流體測(cè)量，測(cè)量時(shí)的剪切率比較高，一般為1 000 s-1。高剪切的測(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0.001 cP，能適合剪切變稀的假塑性非牛頓流體，儀器沒有運(yùn)動(dòng)部件，無需維護(hù)，是目前使用較多的在線黏度測(cè)量方法。

各類在線黏度計(jì)的測(cè)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(cè)量流體的流變學(xué)特性和現(xiàn)場(chǎng)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(shí)例分析

目前，在針對(duì)聚合反應(yīng)的在線黏度測(cè)量解決方案中，以振動(dòng)法相對(duì)較多，但這種測(cè)量方法也有一些不同的品牌，其儀器設(shè)計(jì)和控制算法各不相同，各有自己的適用場(chǎng)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(cè)量?jī)x器的選擇

在線黏度計(jì)選型時(shí)，需要注意儀器的靈敏度和抗干擾性，并不是所有的振動(dòng)式在線黏度計(jì)都能滿足在線測(cè)量要求的，選用SRV系列在線黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)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(cè)量結(jié)果對(duì)比

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

在實(shí)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(gè)相互換算或轉(zhuǎn)換的方法，但在實(shí)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(jì)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(shí)間上，黏度的增長(zhǎng)或變化過程不同，雖然終點(diǎn)黏度接近，但最終產(chǎn)品的品質(zhì)還是會(huì)不同，因此建議將在線黏度信號(hào)接入DCS(分布式中控系統(tǒng))，在DCS中預(yù)先設(shè)置不同時(shí)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(shí)例分析

國(guó)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(jì)，直接對(duì)聚砜溶液進(jìn)行在線黏度和溫度關(guān)系的測(cè)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(cè)量中的數(shù)據(jù)處理方法。

由SRV在線黏度計(jì)對(duì)兩種不同聚砜溶液的在線溫度和在線黏度是進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)所測(cè)到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行各自的黏溫補(bǔ)償計(jì)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(duì)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(duì)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(shì)。

(3) 產(chǎn)品1和產(chǎn)品2的黏溫關(guān)系類似，在目前測(cè)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(bǔ)償計(jì)算出的結(jié)果也一致，在正常測(cè)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(shì)相似，通過計(jì)算可以推算出反應(yīng)溫度下的在線黏度，借助在線黏度測(cè)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(diǎn)判斷，探頭安裝建議見圖3。

根據(jù)以上對(duì)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(jiǎn)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(jì)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(cè)物料的真實(shí)黏度。

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

(4) 根據(jù)物料的不同，需要根據(jù)實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)越多，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確。

3 結(jié)語

綜上所述，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)了解不夠而造成的。在考慮在線黏度測(cè)量時(shí)，需要基本了解被測(cè)流體的流變特性，選擇合適的在線黏度測(cè)量方法，并選擇相應(yīng)的在線黏度計(jì)；同時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況，考慮是否需要進(jìn)行溫度補(bǔ)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(jì)、DVP在線黏度/密度計(jì)(一體式)來對(duì)聚合物原液進(jìn)行聚合物生產(chǎn)過程的控制。

在線黏度測(cè)量和DCS技術(shù)的結(jié)合是行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，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(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，最終實(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。