转矩流变仪在合成树脂产品开发中的应用

2013-07-31尤成宏王晓敏张世斌

当代化工 2013年6期

尤成宏, 王晓敏 , 张昕, 张世斌 , 黄松

（1. 中国石油抚顺石化公司，辽宁抚顺 113008; 2. 抚顺石化公司乙烯化工厂，辽宁抚顺 113004; 3. 北京化工大学，北京 100089;4. 抚顺石化公司石油二厂，辽宁抚顺 113004; 5. 抚顺石化公司研究院，辽宁抚顺 113004）

转矩流变仪是测量合成树脂产品在塑化过程中由剪切作用引起的阻力，即与粘度相关的扭矩（转矩）来表征合成树脂产品的流动特性，它被广泛地用于配方研究、开发新型的复合材料和产品的质量控制及检验，是高分子材料可加工性评测的重要设备。

随着石油化工和高分子材料工业的崛起，转矩流变仪已非常广泛地应用于这一领域，因此在合成树脂新产品开发中有着不可替代的作用[1]。

1 转矩流变仪的系统组成

转矩流变仪系统通常由主驱动单元、附加的分析传感器、计算机系统、密炼机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、各种口模和其它辅助设备组成。

1.1 计算机软件系统

配备的计算机系统，可自动检测及控制实验测试过程[2]。转矩流变仪实时监控软件，是控制和检测转矩流变仪状态的基本软件，保障系统硬件设备和传感器连接可视化，测量数据在线导出到表格文件。测量数据分析软件，针对应用的软件模块（密炼测量及高级挤出实验），工作流结构及时快速的对数据进行处理评价，测量曲线和表格同时显示。根据试验测量目的选择实验测量模式，使试验操作人员按照程序进行实验条件的设置及根据实验导向进行操作。

1.2 数据传输系统

转矩流变仪将模块化的设计应用于聚合物加工处理，数据传输系统包括针对密炼机、挤出机及各种附加设备的探头自动校准程序等，这些软件可使测量周期的设定及执行过程易于操作和理解。智能化 CAN 总线自动识别连接的外部设备和特征数据转换，适应所有CAN 标准的部件（热电偶、压力传感器）无需软件转换。转矩流变仪配套的温度和压力传感器集成了CAN 总线变换器，在操作软件中预先设定后，当这些外部设备被接入系统中，软件会进行自动识别。

1.3 驱动系统

模块化的密炼机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机根据实验需要连接到主驱动单元，简单快捷进行系统连接和组合不同的部件[3]。新型的对接装置使用简单安全，采用单一的中枢连结插头座，去掉了外部连接电缆，实现了信号通讯和供电电源线的内部连接。

1.4 密炼机混炼系统

密炼机是转矩流变仪系统的最基本单元，是聚合物材料测试中用途最广泛的辅机。密炼机腔体由1 个“∞”字形混合室和 2 个以不同的转速反向旋转的转子组成。密炼是在密闭条件下加压的塑炼过程，转子其速比通常为3︰2。被测物料从加料口压入密炼腔，在混炼过程中，由于转子之间及转子边缘与密炼腔壁之间的间距很小，转子旋转对物料施加了强大的剪切力，从而获得很好的塑炼效果（表1）。

表1 密炼机转子的主要应用Table 1 The main application of mixer rotor

1.5 单螺杆挤出机系统

单螺杆挤出机由固体输送、熔融和熔体输送等3段组成，通常可配备不同口模进行挤出塑化和成型。

1.6 双螺杆挤出机系统

双螺杆挤出机由加料、输送、压缩、熔融、混合和排气等6段组成，加料和输送段影响挤出机的产量，而压缩、熔融、混合和排气段却直接影响树脂产品的塑化质量。

1.7 计量加料器

紧凑的设计易于操作，宽的喂料范围，用于可控混合加料。

2 转矩流变仪在合成树脂新产品研发中应用

2.1 密炼机混炼试验

混合器密炼机是聚合物材料测试中用途最广泛的辅机，它是转矩流变仪系统重要的组成部分。大多数塑料产品是聚合物与许多添加剂混合，如色母粒、润滑剂、稳定剂、抗氧化剂、阻燃剂、交联剂、增强剂、增塑剂等。根据树脂与添加剂的配方体系不同，产品的生产加工性能会不同，在研制开发新型和高性能的聚合物材料必须进行相关质量控制，使之达到所需物理和机械上的要求，这些均离不开密炼机混合实验。

2.1.1 密炼机混炼试验评价抗氧剂在聚丙烯产品中的作用

密炼机混炼试验是评价聚丙烯产品在外部试验条件改变情况下产品稳定性的理想方法，利用密炼机混炼试验可直观地反映抗氧剂在生产加工中所起的效果，本方法可推广应用于不同抗氧剂使用效果的评价，是评定树脂中抗氧剂使用效果的有效手段。典型曲线如图1。

图1 不同抗氧剂添加量对聚丙烯加工性的影响Fig.1 Effects of adding different antioxidants in polypropylene processing

聚丙烯是易氧化降解树脂，其实质表现为断链、交联、分子链结构的改变、侧基的改变以及它们的综合效应。评价树脂产品的稳定性实验，大部分应用差示扫描量热法，它是在无外部实验条件改变情况下进行实验，所以不能客观反映产品在加工过程中受到条件改变剪切降解的情况。针对以上情况，使用转矩流变仪密炼机混合试验可以进行聚丙烯热稳定性评价，其试验方法是在改变密炼机转速、温度、加样量条件下，通过转矩时间曲线，评价树脂产品的热稳定性。同时，通过观察实验时间改变树脂颜色变化可以直观评价树脂氧化降解反应的情况[4]，以此体现不同抗氧剂的添加量对产品性能的影响。

图2 不同生产时间树脂产品密炼机加工曲线Fig.2 The different production time of the resin product mixer processing curve

2.1.2 密炼机在合成树脂产品配方设计中的应用

在小试配方中，通过扭矩时间曲线可以得到不同实验条件下能量消耗曲线(图2)，以此反映密炼过程中能耗的最佳化配方；利用密炼机程控转速的调整，区分不同配方的产品。

2.1.3 一次加样，进行多个不同设定条件下的测量（图3）

图3 不同温度树脂产品密炼机加工曲线Fig.3 Different temperature resin product mixer processing curve

采用多步骤测量模式，一次加样可进行多个不同温度设定条件下的测量，可得到温度对被测样品的影响曲线，即产品加工温度灵敏度，温度灵敏度影响树脂产品的加工性能，通过此曲线得到最适宜的加工温度。

2.1.4 密炼机在橡胶产品开发中的应用

橡胶与各种添加剂的混炼，主要是在密炼机上进行的，通过转矩时间曲线，可反映出具有相同的门尼粘度但是具有不同的流动和硫化特性[5]，不同的配方混合后平衡扭矩即粘度明显不同；混炼胶质量的控制，通过检测混炼过程的参数变化，可极大地改善产品质量[6]。

2.2 挤出机在产品开发中应用

转矩流变仪挤出系统由单螺杆、双螺杆挤出机及各种辅助设备组成，利用挤出机系统，可以在设计研发新产品时评估生产加工能力，在中试生产中确定最佳生产加工条件[7]。挤出机的主要功能有固体物料的输送和压实、熔融、熔体的输送及计量、熔体混炼均化，挤出制品的质量和生产效率是同产品配方、挤出机试验条件密不可分的，在研发过程中，应合理调整挤出机试验操作参数。

2.2.1 单螺杆挤出机应用

单螺杆挤出机一般应用于输送材料、塑化、压缩、均质化、混合、排气、化学反应、增加压力，测量加工变量包含扭矩、熔体温度、熔体压力、物料流量。对于剪切敏感而对温度不敏感的高分子材料，选用单螺杆挤出机，主要用来混合挤出，在线测量熔融、流变特性。

2.2.2 双螺杆挤出机应用

双螺杆挤出机一般应用于对聚烯烃的混炼、混合及色母粒生产，它独有的排气、可控制的剪切、灵活的螺杆设计，使实验加工处理更加简便易于操作。可以进行塑化、混炼、同质均匀、烹饪、凝胶、单体物低聚物溶剂的排气、聚合物溶液的浓缩、各种添加剂组合的复配调整。双螺杆挤出机螺杆分段，采用滑块单元，可以改变组合配置，同向旋转相互啮合可以实现物料的压缩混合。

从图4 看出，通过对转矩时间曲线的解读，可以获取有用的信息，如熔融时间、稳定时间、不同配方剪切稳定性等，以满足停留时间、能耗、原材料和最终产品的性能要求。