一种在线黏度检测装置及实现方法

詹永振，陈 桃，王 欢，朱贵澎

（江苏奥神新材料股份有限公司，江苏 连云港 222069）

聚酰亚胺是近年发展起来的高性能新型材料，包括树脂、薄膜和纤维材料，应用越来越广泛。聚酰胺酸原液的聚合工艺技术已经非常成熟，但是对于高强高模聚酰亚胺纤维用聚酰胺酸原液，聚合过程中的表观黏度非常高，正常搅拌条件下的黏度高达20 000泊，极端条件下能够达到100 000泊，很容易出现跟随搅拌轴旋转的现象，甚至在局部暴聚并产生凝胶，导致聚合不成功而放料。

一种聚酰胺酸原液主要由单体原料4，4’-二氨基二苯醚（ODA）和均苯四甲酸二酐（PMDA）聚合而成，二单体的配方摩尔比接近1∶1[1]。对于常用的聚酰亚胺树脂、薄膜和短纤维，控制ODA和PMDA的摩尔比例就可以了，但是对于高强高模型的聚酰亚胺纤维，除了ODA与PMDA单体外，还需要添加其他第三单体，在控制添加比例的同时，更需要控制好聚合过程的黏度，避免暴聚现象出现。

黏度计有旋转式、毛细管式、振动式、落球式以及杯式等，这些黏度计有各自的特点和不足，分别适应不同的对象和目的，作为相互补充的方法而存在[2]。从高黏度聚合反应的实验需求考虑，中试生产线上采用旋转式黏度计，在聚合釜循环管路上增加支管路，并且安装在线黏度检测系统，通过检测黏度变化，实现高黏度聚酰胺酸原液的稳定聚合。

1 制备高强高模聚酰亚胺纤维用的聚酰胺酸原液在线黏度检测系统组成

制备高强高模聚酰亚胺纤维用的聚酰胺酸原液在线黏度检测系统由原液填装单元、原液温度调节单元、原液黏度检测单元和原液液面控制单元4个单元组成[3]。如图1所示，1、2组成原液填装单元，3为原液温度调节单元，4、5为原液黏度检测单元，6、7为原液液面控制单元，8为原液聚合釜。

图1 聚酰胺酸原液在线黏度检测系统示意

聚合过程中，该系统的控制流程如下。

（1）输送泵输送聚合原液在聚合釜体外循环，在提高聚合均一性的同时，也为支管路在线黏度检测系统中的原液提供物料输送的动力。

（2）流向执行机构由两只调节阀组成，一般情况下，支管路上的调节阀处保持一个较小的开度，保证进入检测腔体中的流体不会对旋转黏度计的转子产生冲击，影响检测的精度；主管路上的调节阀尽可能开到最大，聚合釜中的原液充分体外循环，能够改善搅拌和混合程度，提高聚合体的均一性。当需要检测黏度时，支管路上的调节阀开度逐渐减小并关闭。当一次黏度检测完成后，该调节阀重新开启至合适的开度，原液继续进入检测腔体中，更新其中的原液。

（3）加热装置是一种具有混合和加热功能的静态混合器[3]，可以对通过其中的原液进行加热，原液进入检测腔体中时保持一个恒定的温度。由于聚酰胺酸原液聚合过程是放热反应，为了控制分子质量的大小，聚合釜中的温度一般设定在5～25 ℃。在这一温度区域内，当聚合接近结束时，原液的黏度变得非常高，一般都在20 000泊以上，为了方便黏度的检测，原液通过该加热装置后可以控制在一个较高的温度，比如50 ℃，在线黏度计始终在这一温度下检测原液的黏度，再换算成标准黏度。

（4）黏度检测腔体由内外腔体组成，内腔体满足旋转黏度计对容器内径的要求，原液从内腔体溢出，流入外腔体，保证内腔体的液面始终处于一个高度，如果不考虑原液的表面张力，则液面与内腔体的上端口平齐。

（5）在线黏度检测仪采用旋转黏度计，根据不同的聚合体原液黏度范围，选择安装不同直径的转子。在检测黏度的同时，检测内腔体中原液的温度。依据聚酰胺酸原液的黏度、温度关系拟合曲线，换算成标准黏度。实际生产中，因为有加热装置调节内腔体中原液的温度，使之保持在一个恒定的温度值，也可以直接采用这一温度条件下的检测黏度来评价聚合反应的程度。

（6）液面高度监测仪是一组光栅，有发射端和接收端，可以准确检测原液顶部的位置。液面高度监测仪有两套，分别监测内腔体和外腔体的液面高度。当内腔体液面高出某一位置时，液面高度监测仪报警并且触发中断，关闭支路管调节阀门；当液面高度低于这一位置时，继续执行黏度检测流程。当外腔体液面高出某一位置时，液面高度监测仪触发排放泵转速调节控制器，提高泵的转速，迅速排出外腔体中的原液。

（7）排放泵的功能是及时排出从内腔体溢流出来的原液，保证内腔体溢流出来的原液不会影响内腔体液面的高度，从而不会影响黏度检测的结果。

在线实时检测聚合过程中原液的黏度，根据黏度变化情况调节原料的添加量和聚合反应的速率，控制聚合体分子链增长和聚合的均一性，实现稳定聚合。

2 在线黏度检测系统设置，有效地解决了黏度检测过程中的一些难题

2.1 不在主管路上安装在线黏度检测装置的原因

主管路的目的是加快聚合釜中原液的体外循环，改善聚合环境，使得原液能够充分搅拌、提高聚合体分子质量的均一性，管路中的流速需要尽可能大。在线黏度检测中，原液的流速过快不仅会造成旋转式黏度计的损坏，更是会影响黏度检测的精度。在支管路上安装黏度检测仪，并且保持原液的流向与转子的轴向平行，可以最大限度地减小液体对转子的冲击，提高黏度检测的精度。甚至当流速小到一定程度时，就不需要关闭支管路上的调节阀门，实现真正意义上的在线黏度检测。

2.2 增加加热装置的原因

把支管路上原液加热到某一温度，再进行黏度检测，可以省去不同温度下的黏度换算时间，直观反映聚合过程中原液的黏度变化。如果在总管路上安装加热装置，势必会增加加热装置总的能量消耗，也会提高聚合釜中原液的温度，聚合过程中的热量传递出去更加困难，不利于聚合反应的进行。图2是一种工况下聚酰胺酸原液的黏度与温度曲线，反应结束时原液的黏度不随时间的变化而升高，聚合釜中的原液温度也保持一种平衡。这种变化曲线反映的是加热装置未工作时的状况，聚合釜中原液的反应温度最高可以上升到大约50 ℃。表1是某一工况下原液温度与表观黏度检测值，换算成标准黏度值就会非常高，在线检测将会变得非常困难，这也是要将加热装置控制的温度设定在50 ℃的原因。

表1 一种工况下，原液表观检测黏度、标准黏度与温度的关系

图2 一种工况下聚酰胺酸原液的黏度与温度曲线

2.3 安装液面高度监测仪的原因

首先，保证内腔体中的原液不会超出设定的高度，从转子轴向上溢流到外腔体以外，导致原液渗漏；其次，保证每次检测黏度时内腔体的液面始终在一个高度上，不会影响黏度检测的精度。

另外，液面高度监测仪选用一种光栅装置来检测高度还有一个好处。实验发现，对于聚酰胺酸原液，不同黏度的原液在内腔体中向上流动至腔体上口时，会形成不同高度的弧顶，类似由于表面张力形成的凸起。可以通过监测原液流出时在内腔体顶部形成的弧顶高度，建立原液黏度与弧顶高度的相互关系，在积累足够多的检测数据后，即可通过监测原液弧顶高度，计算出原液的黏度。这样一来，在生产线稳定、工艺配方保持不变的情况下，可以直接监测弧顶高度计算原液黏度，不再需要旋转黏度计了，没有运动部件处于流动的原液中，整套在线黏度检测系统更加完善。图3是一种工况下聚酰胺酸原液的弧顶高度监测仪，监测弧顶的高度，计算原液的黏度。

图3 一种工况下聚酰胺酸原液的弧顶高度监测仪

3 结语

设计了一套在线黏度检测系统，提供了一种可以实时检测高黏度聚合反应的系统装置和实现方法。实时检测高黏度聚合反应原液的黏度，控制聚合系统原料的添加量和反应的速率，调节聚合体的分子链增长快慢和聚合的均一性，解决了高黏度聚合体反应过程中不能有效在线检测原液黏度的困难。