浅谈PBS类熔体黏度测量中黏度仪的选型

陈丽娟，宋凯卓

(1． 重庆川维石化工程有限责任公司，重庆 401122；2． 中国纺织科学研究院，北京 100020)

目前，白色污染是全球面临的共同问题，在造成环境污染的诸多因素中，塑料废弃物造成的公害已引起了社会的广泛关注。随着经济的发展，中国对于塑料造成的环境污染问题愈发重视，国家环保局和地方政府已将治理“白色污染”列为重点工作之一。中国是塑料制品生产和消费大国，包装用塑料的大部分以废旧薄膜、塑料袋和泡沫塑料餐具的形式，被丢弃在环境中。这些废旧塑料包装物散落在市区、风景旅游区、水体、道路两侧，不仅影响景观，造成“视觉污染”，而且因其难以降解对生态环境造成潜在危害。

不同黏度的PBS类生物可降解塑料产品，既能代替普通塑料的部分性能，又不会造成白色污染，近两年被大力推广，其生产方法已经日趋成熟，产能不断扩大。

1 PBS类生物可降解塑料的生产工艺简介

PBS类生物可降解塑料采用脂肪族一元酸或多元酸和1，4-丁二醇为原料，并添加专用的添加剂，在一定条件下通过酯化反应和缩聚反应制取。

在PBS类缩聚生产工艺中，随着反应的进行，聚合物分子链不断增长，黏度不断升高，通过熔体黏度计在线测量预缩聚、终缩聚反应工序的熔体黏度，得到缩聚反应流体流变行为的数据，监测和优化产品工艺过程的控制，以保证安全生产及最优的产品质量。

2 黏度测定方法及影响因素

常用的黏度测定方法有动力黏度、特性黏度、运动黏度、条件黏度四种。

2.1 动力黏度

动力黏度也称黏性系数、内摩擦系数，定义为： 面积各为1 m2并相距1 m的两层流体，以1 m/s的速度作相对运动时所产生的内摩擦力，单位为N·s/m2，即Pa·s。黏度是流体的一种属性，不同流体的黏度数值不同。黏性力的数学表达式如式(1)所示：

(1)

由式(1)可知ηm的计算如式(2)所示：

(2)

式中：τ——剪切应力；D——剪切速率。

所以，动力黏度也定义为稳态流中的剪切应力和剪切速率之比值。

2.2 特性黏度

特性黏度是指当高分子溶液浓度趋于零时的比浓黏度。即表示单个分子对溶液黏度的贡献，是反映高分子特性的黏度，其值不随浓度而变。常以η表示，常用的单位是dL/g。由于特性黏度与高分子的相对分子质量存在着定量的关系，所以常用[η]的数值来求取相对分子质量，或作为相对分子质量的量度。其值常用毛细管黏度计测得。

动力黏度和特性黏度的换算公式如式(3)所示：

(3)

式中：T——热力学温度，K；η—— 特性黏度，dL·g-1。

2.3 运动黏度

运动黏度是动力黏度与同温度下的密度之比值，又称为比密黏度，常以ν表示，如式(4)所示：

(4)

式中：ν——运动黏度，m2/s；ρ——介质密度，kg/m3。

2.4 条件黏度

条件黏度是指用特定的黏度计在特定条件下测得的流动时间或流动时间之比，实际上并不是黏度量。

2.5 影响因素

黏度受温度因素影响非常大，在常温常压下，当温度变化1 ℃，液体的黏度变化从百分之几到十几，所以在测量液体黏度时，一定要严格按照规定的恒温进行测定。黏度与温度并不成线性关系，液体的黏度和气体的黏度与温度变化的规律完全相反，气体的黏度随温度升高而增大，但是液体的黏度随温度升高反而减小。

基于温度对黏度测量影响的重要程度，在实际的在线黏度测量过程中，要采取温度补偿措施，以减小温度对黏度精确测量带来的误差。

3 在线黏度仪选型

目前市场上适合用于PBS类生产过程熔体黏度检测的分析仪，基本上只有毛细管和振动式两种。本文主要从测量原理、组成、应用等几方面对比毛细管和振动式两种黏度仪。

3.1 毛细管黏度仪

以德国H&B4000CRVM在线毛细管黏度仪为例进行介绍。

3.1.1工作原理

在一个高精度的熔体齿轮泵保持稳定转速下，将恒定体积的熔体介质通过专用黏度计毛细管形成压差，通过特定运算公式计算出该熔体剪切力和准确动力黏度，并经过校正因素和经验数据转化为特性黏度。

毛细管式黏度仪依据哈根-泊肃叶定律，当液体流经毛细管时，流体的动力黏度和毛细管两端之间的压力降，可用式(5)表示[1]：

(5)

式中：r——毛细管内径，m；L——毛细管长度，m；qV——被测流体的体积流量，m3/s；Δp——毛细管两端的压差，Pa。

3.1.2组 成

在线毛细管式黏度仪由黏度计管座，传感器(电机、联轴器、齿轮泵、变频器、毛细管、黏度计外壳、黏度计腔室、温度传感器、压力传感器)，变送控制单元(电气控制柜、触摸控制屏、控制软件)等组成。

3.1.3技术参数

在线毛细管式黏度仪主要参数如下：

黏度范围： 0～500 Pa·s，0～1 000 Pa·s，0～1 500 Pa·s，0～2 000 Pa·s，0～2 500 Pa·s；

耐压等级： 42 MPa；

工作温度： 0～250 ℃，0～400 ℃；

聚合物流量： 0～1.5 L/h；

精度： 读数的±0.75%；

毛细管规格：φ4 mm，φ5 mm，φ6 mm等。

3.1.4安装与拆除

黏度仪可在反应釜和管道上安装，管道上安装时须带基座。传感测量部件与引流管法兰连接，流体介质经精确微小计量泵定量导入，经过传感器毛细管后再回送到反应釜或管道。

1)电机安装需用水平仪校正电机的水平度，保证水平安装。

2)黏度仪安装首先确定管座安装位置，黏度仪固定在机架上，再将黏度仪的物料法兰与管座法兰安装，将伴热法兰与热媒法兰连接。

3)通过联轴器连接电机和泵，确认齿轮泵无阻塞卡死现象，上电测试后，安装防护罩，保护泵轴。

4)安装温度、压力传感器。

5)清理黏度仪腔室。先停电机，关闭进出料阀门，拆除保温装置；打开后端密封法兰释放压力，腔室泄压后静置8 h等物料降解后打开法兰排空；拆除毛细管，通过重力排空管道内聚合物，清理腔室。

6)拆除与更换毛细管。拆除黏度仪毛细管需降低至室温后才可拆除；更换时先清理毛细管上存留的流体介质，再用高温润滑剂涂抹毛细管螺纹，防止高温下卡死。

7)拆除与更换齿轮泵。先移除万向轴保护罩，拆除万向轴，再拆除齿轮泵；安装回万向轴以后必须手动盘泵，确保可以正常使用。

3.2 振动式黏度仪

以Viscotronics的扭转振动式黏度仪为例进行介绍。

3.2.1测量原理

扭转振动式黏度仪采用管道式在线安装，直接测量动力黏度。由式(2)可知，当公式中分子项变化相同时，分母项越大，ηm变化越小，即灵敏度越差。

扭转振动黏度仪采用固定的剪切速率，只需测量不同的剪切应力、计算测量不同试样的动力黏度，测量变量少，测量更准确。

3.2.2组 成

扭转振动式黏度仪由驱动轴、护套、传感器以及变送单元组成。传感器焊接在驱动轴上，护套焊接在传感器上，在一个相对的静态平面上，形成共振体。这种完全焊接的结构密封了所有的内部组件，为传感器提供了较高的完整性及高的抗干扰性。

在电磁线圈驱动下，使驱动轴带动传感器振球在传感器的自然共振处来回扭转，在传感器表面产生微米尺寸的移动，持续的扭转运动会产生横波，试样黏度的不同，振幅的变化不同，形成振幅曲线图。利用全共振衰减周期快速傅里叶变换积分运算，计算出黏度值。

3.2.3特 点

该扭转振动式黏度仪的特点如下：

1)结构。采用实心金属棒驱动轴设计，提高了传感器的强度和测量灵敏度；采用抗振动设计，测量不受外界振动的影响，提高了测量的可靠性；采用耐高温设计，最高可达到450 ℃，无须外加风冷装置，不受风冷温度波动的影响，提高了测量的稳定性。

2)运算方法。采用快速傅里叶变换积分运算，测量更稳定，减少干扰。根据校准点的范围和数量，可使用多条校准曲线进行最佳拟合，每次传感器以最大可能的振幅驱动以获得最大灵敏度，仅利用谐振频率峰值进行测量，可获得较大的信噪比。

3)高灵敏度。具有低剪切率、高灵敏度特性。

4)测量量程宽。可测范围为0～5 kPa·s。

5)输出选项。标准的动力黏度输出，可选特性黏度显示/输出。

3.2.4应 用

1)温度补偿。黏度指标测量中温度补偿尤为重要，但温度补偿范围不宜过大，不宜超过±5 ℃的补偿，否则会打乱原有补偿体系。由于黏度的高低受剪切率影响很大，剪切率越高，测量的黏度越小，区间更窄，灵敏度很低，测量出死值概率较大，更无法做到精准的温度补偿。

2)表征特性参数的辨识度。动力黏度和特性黏度直接反应聚合度，由动力黏度的计算公式可知，当公式中分子变化相同时，分母越大，η变化越小，即灵敏度越差。

3)管道上原位安装，维护工作量小，检维修方便。

4)投资较毛细管式黏度仪低。

3.3 两种黏度仪的比选

扭转振动式和毛细管式黏度仪对比见表1所列。

某项目操作工况条件： 介质为增黏熔体，操作温度为256 ℃，动力黏度为1～1.5 kPa·s，黏度测量准确度要求为±1%。综合以上毛细管式和扭转振动式黏度仪的对比，两种黏度仪都适合用于增黏熔体的黏度测量，但从安装、维护、投资运维等整体考虑，选用扭转振动式黏度仪测量PBS类熔体黏度是更好的选择方案。

4 黏度仪的使用注意事项

4.1 黏度仪投用时间

装置刚开车时，釜内的物料还未经过均匀搅拌，含有粉尘颗粒等，会影响到黏度仪传感器的测量精度。根据工程经验，一般在开车运行72 h以后再投用黏度仪，更能保证黏度仪的测量精度和使用性能，在开车前期只能先通过搅拌电流、压力等参数来粗略判定黏度值。

4.2 安装位置

黏度仪通常安装在反应釜釜上或管道上。在反应釜上安装时，因釜内的物料在搅拌状态下大部分处于全混状态，测量的黏度值是平均值，而实际需要的是即时测量点的黏度，在反应釜出料管线内的物料已处于均匀稳定状态，测量静态下的熔体黏度，表征出来的黏度值才更准确，所以批次生产时黏度仪通常安装在釜底，连续生产时黏度仪通常安装在管道上，必要时可参考黏度计生产厂家的工程应用经验。

5 结束语

黏度仪作为聚合物反应程度控制的重要仪表，在PBS类树脂生产中广泛使用，既提升了生产的稳定性，又提高了产品的质量均匀性。扭转振荡式黏度仪具有安装简单、价格合理、操作方便、测量范围广的优势，随着在PBS类树脂等聚合物领域中应用数据的不断完善，必将得到更多的应用。