氨綸聚合——表觀粘度與特性粘度

2020-12-06 氨綸乾貨

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聚氨酯彈性纖維的生產包括三道大的工序:聚合、紡絲、精製,其中精製工序主要是用來回收溶劑循環利用,聚合工序則是為紡絲提供合格的原液,原液合格與否,生產過程的一個重要指標就是原液粘度。

在氨綸生產中對於聚氨酯原液粘度的控制十分重要,粘度不合格的原液不能投產紡絲。

聚氨酯原液粘度可以通過調節原液儲罐的保溫夾套水的溫度及調節攪拌器的攪拌轉速來控制。

一、表觀粘度:

氨綸廠化驗室一般通過旋轉粘度儀來測定原液的粘度,此粘度為動力粘度(Dynamic viscosity)。

動力粘度表示液體在一定剪切應力下流動時內摩擦力的量度,其值為所加於流動液體的剪切應力和剪切速率之比,在國際單位制中以Pa·s(帕斯卡·秒)表示,工業生產中常用泊(poise)或釐泊(centipoise)這兩個非法定計量單位。

對於聚氨酯原液這種非牛頓流體來說,我們一般籠統的稱作表觀粘度(剪切粘度),對於非牛頓流體來說,剪切應力與剪切速率的比值隨著剪切應力的變化而變化,所得的粘度稱為在相應剪切應力下的表觀粘度(Apparent viscosity)。

它只是對聚氨酯原液的流動性好壞做一個相對的比較,真正的粘度應當是不可逆的粘性流動的一部分,而表觀粘度還包括了可逆的高彈性變形那一部分,一般小於真正粘度。

生產中我們依據這個粘度數值對工藝進行調整,使其波動在可控範圍之內,波動範圍越小,反應出原液品質越穩定,屬於聚合工藝人員需要日常關注的一個重點數據。應該考慮在此數據基礎上怎麼優化粘度調整方法,表觀粘度的啟示更多的是此點。

此外,也可以簡單的認為表觀粘度和聚合物分子量成正比關係,即高聚物分子量越大,流動性越差,則反映出來的表觀粘度就越高。

但是,表觀粘度除了能比較直觀的反應出聚合物品質波動趨勢外,並不能精確的反應聚合物分子量的大小,對工藝人員來說還不夠。

二、特性粘度:

生產中需要聚氨酯原液達到特定的分子量才能紡絲,因此需要知道擴鏈反應後的聚合物分子量大小及其波動範圍。

測定聚合物分子量的方法有很多種,常見的有凝膠滲透色譜法(GPC)、粘度法等,工業生產中一般使用粘度法測分子量,此粘度即為特性粘度[η]。

特性黏度(Intrinsic viscosity)是高分子溶液粘度的最常用的表示方法,定義為當高分子溶液濃度趨於零時的比濃粘度,即表示單個分子對溶液粘度的貢獻,是反映高分子特性的粘度,其值不隨濃度而變,常以[η]表示,單位分升/克(dl/g)。

特性粘度的值取決於高聚物的相對分子質量和結構、溶液溫度、溶劑特性,當溫度和溶劑不變時,對於同一種高聚物而言,特性粘度就與相對分子量有關。

所以常用[η]來求取相對分子質量或者作為分子量的量度,實驗室一般用烏氏粘度計或者毛細管粘度計來測定。

烏氏粘度計如圖:

測出高分子稀釋溶液的特性粘度[η],根據Mark-Houwink方程:

即可計算出高分子的分子量,其中,常數K和α值與實驗溶劑及實驗溫度有關。

特性粘度是一個相當重要的數據,它能比較直接的反應出擴鏈反應的進行程度,可以知道聚合原液是否達到了使用要求,工業生產中,隨著生產的穩定進行,特性粘度可以不用作為一個常規樣,因為穩定生產情況下的表觀粘度對於工藝的判斷及調整就足夠了,並且,特性粘度的測量相對表觀粘度也太複雜。

無論是表觀粘度還是特性粘度,對於工藝人員來說,都是需要關注並了解的,前者描述宏觀,後者反應微觀,如果非要說哪個更重要的話,我認為是後者,套用一個可能不太恰當的比喻:表觀粘度屬於上層應用,特性粘度則是基礎架構。

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