關(guān)鍵詞： 在線粘度檢測(cè)；聚合反應(yīng)；反應(yīng)終點(diǎn)控制

聚酯聚合反應(yīng)的粘度與聚酯的分子量有非常密切的關(guān)系，可以通過控制聚合反應(yīng)過程中粘度的變化來控制聚合物的分子量。然而，聚合反應(yīng)過程中粘度是處于一直變化中的，且粘度受到溫度、壓力、攪拌等各種因素的影響。因此，需要選擇合適的粘度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，來達(dá)到最佳的產(chǎn)品質(zhì)量控制。早期，聚合物生產(chǎn)商家采用毛細(xì)管粘度計(jì)、旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)及布氏粘度計(jì)等實(shí)驗(yàn)室型粘度計(jì)控制和測(cè)量聚合物的粘度和分子大小，非常消耗人力和時(shí)間，不能適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)化進(jìn)程。

粘度是由流體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)之間的引力形成內(nèi)摩擦，從而在外部表現(xiàn)為抵抗流體流動(dòng)的能力，因此它間接地反映了流體分子結(jié)構(gòu)及其分布狀態(tài)。流體分為牛頓流體和非牛頓流體，其中最為理想的流動(dòng)形態(tài)是牛頓流體,如圖 1 所示。面積為 A、相對(duì)距離為 dx 的兩個(gè)液體平面以速度差，dv 相對(duì)移動(dòng)時(shí), 它們之間將產(chǎn)生抵抗內(nèi)部流動(dòng)的趨勢(shì)和阻力即剪應(yīng)力,牛頓流體的剪應(yīng)力 F = F / A 與剪變率 S = dv / dx 之間是線性關(guān)系: F / S , 即為牛頓流體的粘度， 在溫度、壓力等相同條件下，其粘度不受剪切應(yīng)力的影響，如圖 2 所示。但是化工行業(yè)的大部分流體為非牛頓體，且多為剪切變稀流體，如圖 3。非牛頓流體由結(jié)構(gòu)和分子量互不相同的分子組合而成，因此剪切速率的變化將影響其測(cè)定值，這就給粘度的測(cè)定帶來一定困難。

聚合反應(yīng)常通過加熱或者加催化劑的方法來進(jìn)行反應(yīng)，在聚合反應(yīng)接近終點(diǎn)的時(shí)候反應(yīng)速度迅速，需要進(jìn)行精確控制（聚合反應(yīng)見圖 4）。國(guó)內(nèi)很多聚酯生產(chǎn)廠家都遇到聚合反應(yīng)時(shí)間控制不好的問題，以前常采用參考攪拌機(jī)電流，或采樣到實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的辦法，攪拌電流大小需要有經(jīng)驗(yàn)的工人師傅，而且只能做為大致參考，并不能做到精細(xì)控制，實(shí)驗(yàn)室采樣檢測(cè)時(shí)間相對(duì)滯后，常常不能夠及時(shí)停止反應(yīng)終點(diǎn)，因而造成產(chǎn)品不合格批次的產(chǎn)生，給工廠造成了很多可以避免的損失。前幾年國(guó)內(nèi)行業(yè)龍頭企業(yè)采用了 Hydramotion 海默生XL振動(dòng)式在線粘度計(jì)連續(xù)的在線粘度監(jiān)測(cè)方法，淘汰了傳統(tǒng)的離線實(shí)驗(yàn)室粘度檢測(cè)方法后，現(xiàn)在可以正確判斷聚合反應(yīng)的正確粘度和溫度參數(shù)，有效的控制了不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生。其公司采用的在線粘度計(jì)安裝方式是反應(yīng)釜壁直接安裝，安裝在反應(yīng)釜接近釜底位置（見圖 5），操作人員通過電子顯示器觀察到反應(yīng)過程中粘度隨時(shí)間變化的曲線，及時(shí)控制反應(yīng)進(jìn)程（見圖 6）。

圖 5.某公司在線粘度計(jì)安裝的現(xiàn)場(chǎng)圖片

以前，大部分聚合物生產(chǎn)廠家都使用實(shí)驗(yàn)室粘度計(jì)來進(jìn)行物質(zhì)粘度的測(cè)量，也沒有比較 好的在線檢測(cè)方法來表征反應(yīng)釜內(nèi)聚合物分子量的粘度值。聚合反應(yīng)周期一般為 12‐24 小時(shí)， 通常反應(yīng)開始時(shí)每 2‐4h 取樣一次，臨近反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)取樣次數(shù)增加。各個(gè)取樣點(diǎn)的樣品被送到分析室化驗(yàn)，技術(shù)員用臺(tái)式旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)測(cè)量粘度，記錄測(cè)量結(jié)果，當(dāng)在允許誤差范圍內(nèi) 得到 3 個(gè)相差不大的粘度讀數(shù)時(shí)，停止反應(yīng)，清理反應(yīng)釜，準(zhǔn)備下一次間歇反應(yīng)。通常傳統(tǒng)方法從取樣到報(bào)告出來的滯后期為 2h，因此，實(shí)際的反應(yīng)終點(diǎn)至少延后 2h。另外，離線控制方法具有主觀性，取決于經(jīng)驗(yàn)和何時(shí)取樣的判斷，而且收集樣品時(shí)需要非常小心。

隨著科技的發(fā)展和工業(yè)化的進(jìn)程，實(shí)驗(yàn)室型檢測(cè)方法已經(jīng)不能夠滿足人們對(duì)產(chǎn)品越來越高的要求，需要在線粘度計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)粘度。操作人員可以觀察到真實(shí)的聚合反應(yīng)周期它甚至可在產(chǎn)品超過控制規(guī)格之前，發(fā)出停止反應(yīng)的警報(bào)，可以避免次品產(chǎn)生，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，提高了批次聚合反應(yīng)的工藝水平。經(jīng)過多家聚合物生產(chǎn)使用，在線粘度計(jì)可以提高 10％～20％的生產(chǎn)周期，降低 50%以上的產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)定時(shí)間，幾乎不會(huì)出現(xiàn)不合格產(chǎn)品，提高了整個(gè)生產(chǎn)效率。

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傳統(tǒng)檢測(cè)方法的主要缺點(diǎn)是從取樣至檢測(cè)粘度有時(shí)間滯后，在線測(cè)量粘度就消除了這一缺點(diǎn)，可時(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量粘度，基本消除了產(chǎn)生次品的可能。在線粘度計(jì)與離線粘度計(jì)的良好相關(guān)性見圖 7。采用在線粘度計(jì)，廠家可依據(jù)試樣粘度測(cè)量結(jié)果，檢驗(yàn)其他間歇式反應(yīng)的特點(diǎn)，例如各反應(yīng)釜間的重復(fù)性、質(zhì)量控制和工藝條件。實(shí)際上，在線粘度計(jì)測(cè)量的重復(fù)性相當(dāng)高，可運(yùn)行 5～6 個(gè)產(chǎn)品間歇反應(yīng)，可以預(yù)示每個(gè)反應(yīng)釜在某個(gè)時(shí)間的粘度讀數(shù)，從而可進(jìn)行相應(yīng)的工藝調(diào)整。

Hydramotion XL 振動(dòng)式在線粘度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確，沒有任何活動(dòng)件，不會(huì)結(jié)垢，清洗方便。工作時(shí)，探針在等頻功率下振動(dòng)，振幅根據(jù)流體粘度的不同而有所變化。處理器將捕捉到振幅改變，將信號(hào)處理成可以識(shí)別的粘度信號(hào)，顯示在顯示屏上，操作者可以連續(xù)的觀察反應(yīng)進(jìn)程狀況。