丁曉炯

[笙威工程技術服務（上海）有限公司，上海 201399]

1 合成樹脂和黏度

合成樹脂是一類人工合成的高分子質量聚合物，兼具或者超過天然樹脂固有特性的一種樹脂。ASTM D883-65T 將合成樹脂定義為分子質量未加限定但往往是高分子質量的固體、半固體或假（準）固體的有機物，受應力時有流動傾向，常具有軟化或熔融特性并在破裂時呈貝殼狀。在實際應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性熱固聚合物材料。世界3 大合成材料包括合成樹脂、合成橡膠和合成纖維。合成樹脂是產(chǎn)量和消費量最大的合成材料。合成樹脂為高分子化合物，由低分子原料——單體（如乙烯、丙烯、氯乙烯等）通過聚合反應而生成的大分子。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。

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

在合成樹脂行業(yè)中，涉及到黏度測量和控制的情況有很多：聚合反應過程中的黏度測量，以跟蹤和控制反應進程；稀釋過程中的黏度測量和調整、最終成品的黏度測量，以得到符合要求的樹脂產(chǎn)品；各種樹脂聚合物液體和不同濃度、比例的液體等。隨著市場競爭的不斷加劇和用戶生產(chǎn)自動化水平的日益提高，對樹脂性能穩(wěn)定性的要求也越來越高，尤其是在石化規(guī)范標準采用以后，以往依靠人工現(xiàn)場取樣進行黏度測試的方法，不僅難以達到對樹脂性能的精確控制，也無法滿足新的安全標準要求。因此，樹脂行業(yè)逐步重視、應用在線黏度測量技術，國內已經(jīng)有不少企業(yè)嘗試和熟練地使用了該項技術。從發(fā)展的角度來看，未來合成樹脂行業(yè)應用在線黏度檢測技術勢在必行，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、在線測量實時條件（溫度、攪拌、流動等）的變化、實驗室測量結果對比條件的不同，導致有些企業(yè)認為在線黏度測量技術不成熟、不好用，這主要是由于不了解物料流變特性，不理解黏度測量技術以及未掌握測量條件變化對黏度測量值的影響。這些問題都可以從流變理論和儀器測量原理的角度來分析和解決[4-5]。

2 在線黏度和實驗室黏度測量

2.1 在線黏度測量

目前，在線黏度計的類型有很多，根據(jù)測量原理不同主要有壓差式、注（活）塞式、旋轉式、振動式等。振動式在線黏度測量起步較晚，但發(fā)展較快，傳感頭為圓柱體，振幅恒定，當剪切流體時，傳感頭振幅受流體黏度的影響，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寬，適用于不同的流體，測量時的剪切率較高，一般約為1 000 s-1。高剪切率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0.01 mPa·s，適合剪切變稀的假塑性非牛頓流體，再根據(jù)流體的流變學特性模型進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。儀器沒有運動部件，無需維護，是目前使用較多的在線黏度計。需要根據(jù)流體的流變學特性和現(xiàn)場工藝條件選擇在線黏度計，不能隨意確定，以免造成不必要的損失[1-2]。

2.2 實驗室黏度測量

實驗室黏度測量也有很多不同的方法，按大類可分成流體法和運動法。流體法有毛細管法、流出杯法（涂4 杯等）、斜坡法等；運動法有落球法、旋轉法、振動法等[3-4]。

所有的黏度測量方法都有一定的局限性和適用范圍[5-6]。而目前在合成樹脂行業(yè)，實驗室測量用得最多的是旋轉法，包括旋轉黏度計和旋轉流變儀。具體有布氏旋轉黏度計、NDJ79 旋轉黏度計、錐板高溫黏度計等，用于聚合反應終點判斷、中間產(chǎn)品過程監(jiān)測和最終成品質量檢驗。

3 在線、實驗室黏度測量數(shù)據(jù)轉換實例

使用SRV 3/4″ NPT 螺紋型在線黏度計，根據(jù)稀釋釜的尺寸和投料情況，準備加長套管、法蘭和內外絲連接頭，從釜頂插入釜中，如圖1 所示。由于沒有DCS，使用了虛擬機（VM）顯示控制器接收在線黏度、在線溫度信號，進行現(xiàn)場實時顯示和數(shù)據(jù)存儲，同時通過參數(shù)設置和內置自動計算，顯示指定溫度下的在線黏度和實驗室黏度。內部存儲為1 s 1 個數(shù)據(jù)，用U 盤將數(shù)據(jù)導出后再進行數(shù)據(jù)計算和繪圖。

圖1 SRV 在線黏度計和現(xiàn)場安裝

完成安裝后開始進行投料、變溫、恒溫、稀釋等不同的生產(chǎn)條件變化和正常生產(chǎn)，在線黏度計進行連續(xù)自動測量、計算和記錄。進行在線黏度測量的同時，操作工人進行樣品采樣并記錄采樣時的在線黏度和溫度值，樣品送至實驗室，采用旋轉在線黏度計進行測量。

根據(jù)設計的實驗對在線黏度、溫度進行繪圖，觀察儀器的工作狀態(tài)和結果。根據(jù)在線黏度、溫度、實驗室黏度進行數(shù)據(jù)轉換、參數(shù)尋找和計算驗證[6-7]。由于涉及工藝保密，這里不對樹脂、工藝參數(shù)及其他測試條件作詳細描述。

3.1 使用過程和過程曲線

（1）將已經(jīng)裝好探頭的加長套管插入稀釋釜，固定后通電攪拌并開始測試，釜內已有樹脂保溫一段時間，注入新樹脂后攪拌一段時間，降溫，最后排料（圖2a）；（2）向空釜注入樹脂，按正常稀釋過程進行，觀察投料到恒溫的過程（圖2b）；（3）向空釜注入樹脂，按正常稀釋過程進行，溶劑分3 次注入，最后排料（圖2c）；（4）向空釜注入樹脂，按正常稀釋過程進行，溶劑分兩次注入（圖2d）。

圖2 在線黏度、溫度過程曲線

3.2 測試結果及計算

如表1 所示，VT′是根據(jù)實測在線黏度和溫度得到的樹脂黏溫關系，通過計算到VT′60 ℃的在線黏度，再由VT′60 ℃在線黏度和實驗室黏度得到兩者的轉換計算參數(shù)。從表1 可以看出，優(yōu)化前過程1 和3的計算結果偏差相對較小，過程2都是負偏差，過程3都是正偏差；同時過程1 中有一個數(shù)據(jù)明顯和其他值不同，因此將該值舍棄。按過程1 和3 是一類，過程2、4 單獨一類重新設置參數(shù)，進行優(yōu)化后計算得最大相對偏差小于9.00%。

表1 不同過程的在線溫度、在線黏度、實驗室黏度及其偏差

4 注意事項與方案選擇

SRV 在線黏度計安裝在稀釋釜上，可以連續(xù)、實時地進行溫度和黏度測量，黏度的變化能反應出溫度變化、加入樹脂、加入溶劑的過程。加裝在線黏度計后，由黏度的變化過程曲線可以反映出釜內的真實狀態(tài)。

通過黏溫轉換和實驗室轉換，可以得到和實驗室黏度很接近的轉換結果，但是由于物料不同，流變特性會相應變化，需要根據(jù)不同配方、樹脂進行相應的參數(shù)設置，不能用一組數(shù)據(jù)計算所有的產(chǎn)品。從目前的計算來看，如果只用一組參數(shù)，平均相對偏差為9.79%，而如果根據(jù)所用樹脂的情況進行相應設置和計算，平均相對偏差為1.17%。這一工作需要現(xiàn)場人員采樣獲取在線黏度、在線溫度、實驗室黏度，建議每一批的數(shù)據(jù)量至少3 個，最好5 個以上，這樣得到的轉換參數(shù)更準確。

如果有DCS，可以先設置好轉換計算參數(shù)庫文件，在實際生產(chǎn)時調入對應的參數(shù)，這樣就可以直接顯示實驗室黏度。如果沒有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)調整到對應值。這些參數(shù)是稀釋過程的重要工藝參數(shù)，建議由專人保管、設置、加密處理。

目前實驗室測量工作量大、耗時長，中間過程和操作需要嚴格培訓和按標準執(zhí)行，尤其是恒溫條件的控制需要加強；同時加強實驗室黏度計使用和測量條件的統(tǒng)一和標準化，這樣才能得到準確的測量值，避免出現(xiàn)“為測而測”的現(xiàn)象。在線黏度測量技術需要對數(shù)據(jù)進行完整的記錄、分析、計算，需要有一定的流變學、統(tǒng)計學等相關專業(yè)知識，建議進行人員培訓和實際操作培訓，這樣才能掌握工程工藝的技術訣竅，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。

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

安裝方案1：在設計新釜時考慮好安裝的位置，一般建議在釜側壁或底部安裝，可以考慮采用預留法蘭。參考的安裝尺寸見圖3。安裝方案2：在老釜上安裝需要尋找現(xiàn)有的預留法蘭、DN50 以上的預留管道，根據(jù)位置進行套管加長，將探頭安裝在套管頂端，另一端焊接固定法蘭，見圖3。如果沒有足夠大的預留管道或者插入后會碰到攪拌器，就不能安裝，需要重新開口或尋找其他位置。在線黏度計的使用見圖4。

圖3 SRV 在線黏度計安裝設計

圖4 在線黏度計的使用

在線黏度測量和DCS 技術的結合是樹脂行業(yè)的發(fā)展趨勢，借助DCS 的數(shù)據(jù)處理功能，結合專家系統(tǒng)和一定的人工智能，可以將在線測量結果進行轉換并找到最佳的控制點和控制區(qū)間（圖4 中框線區(qū)域），最終實現(xiàn)批次的反應過程控制和最終產(chǎn)品的質量穩(wěn)定，真正實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

5 結論

隨著在線黏度測量技術的應用和發(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。在考慮在線黏度測量時，需要對被測流體的流變特性有一個基本了解，這樣才可以選擇合適的在線黏度測量方法，選擇相應的在線黏度計；在做數(shù)據(jù)對比時，需要進行溫度補償，并考慮實驗室黏度的測量方法。