專利名稱：超臨界流體－聚合物體系流變性能測定儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及聚合物體系流變性能測試裝置。
背景技術：
幾乎所有的聚合物成型技術都是依靠外力作用下聚合物的流動和變形，來實現從聚合物原料或坯件到制品的轉變的。掌握聚合物的流變性能，對分析和處理加工過程中的工藝和工程問題，對正確擬定聚合物加工工藝條件具有重要的指導意義。
超臨界流體(Supercritical Fluids，簡稱SCF)是指處于臨界壓力(PC)和臨界溫度(TC)以上的流體，它既不同于氣體，也不同于液體，兼有氣體和液體的特點密度與液體相近，因而具有很強的溶劑強度；同時粘度與氣體相近，因此，流動性比液體好得多，傳質系數也比液體大得多。此外，SCF的密度、溶劑強度和粘度等性能可以通過壓力和溫度的變化方便地進行調節。因而，近年來，超臨界流體技術在國內外受到普遍重視。
目前研究較多的超臨界流體有CO2、N2、水、丙烷、甲醇、乙烯、乙烷等。
CO2的臨界溫度為31.06℃，臨界壓力為7.39MPa，相比較而言臨界條件容易達到，而且CO2的化學性質不活潑，無毒、無味、價廉易得、可循環使用、綠色環保，是最常用的超臨界流體。CO2分子的體積較小，在超臨界(SC)條件下的粘度和表面張力很小，擴散系數很大，因此，很容易滲透進聚合物中，對聚合物有很強的增塑作用，可顯著降低聚合物熔體的粘度，降低結晶性聚合物的熔點和玻璃態聚合物的玻璃化轉變溫度(Tg)。例如低密度聚乙烯中加入0.5wt％的SC-CO2，其表觀粘度至少可降低25％；在SC-CO2中，P＝2.5MPa時聚甲基丙烯酸甲酯的Tg從110℃降至60℃；P＝20.3MPa時，聚苯乙烯的Tg從100℃降至35℃。
目前，通過引入超臨界流體來降低聚合物體系粘度已在萃取分離、石油化工、分析技術、化學反應、材料科學等許多方面得到應用，因此，超臨界流體-聚合物體系流變性能的測量具有重要意義。但目前測量聚合物流變性能所用的各種流變儀均無法直接引入超臨界流體體系，因而也就無法用于測定聚合物-超臨界流體體系的流變性。
發明內容
本發明在細管流變儀原理的基礎上設計了一種超臨界流體-聚合物體系流變性能測定儀。該測定儀可用于測定聚合物-超臨界流體體系的流變性，測定超臨界流體和其它牛頓流體、非牛頓流體體系的流變性能。
本發明的超臨界流體-聚合物體系流變性能測定儀包括聚合物-超臨界流體混合裝置、流變性能測定裝置兩部分。
在本發明的超臨界流體-聚合物體系流變性能測定儀中，所述聚合物-超臨界流體混合裝置例如可包括超臨界流體發生裝置、助劑輸送裝置、液態聚合物輸送裝置、混合裝置四部分。
所述超臨界流體發生裝置包括依次相連接的存貯器、任選的第一過濾器、冷凝器、任選的第一流量計、第一計量輸送器，所述第一計量輸送器的出口與混合裝置中的混合器的一個進口相連接。
所述第一計量輸送器可以為螺桿泵、齒輪泵或柱塞泵。
所述助劑輸送系統包括依次相連接的助劑存貯罐、任選的第二過濾器、任選的第二流量計、第二計量輸送器，所述第二計量輸送器的出口和混合裝置中的混合器的一個進口相連接。
所述第二計量輸送器可選自螺桿泵、齒輪泵或柱塞泵，優選為柱塞泵。
所述的助劑存貯罐中的助劑是為使樹脂配料能順利成型加工及獲得所需應用性能而添加到樹脂基體中的化學品，又稱為“添加劑”。主要包括提高穩定性的助劑(如抗氧劑、光穩定劑、熱穩定劑、防霉劑和金屬鈍化劑等)；改善力學性能的助劑(如交聯劑和助交聯劑、固化劑、抗沖擊劑、增容劑與偶聯劑等)；改善加工性能的助劑(如潤滑劑和脫模劑、加工助劑和防粘合劑等)；柔軟化與輕質化的助劑(如增塑劑、發泡劑等)；改變表面性能的助劑(如抗靜電劑、防霉劑及表面改性劑等)；改變色光的助劑(如著色劑、熒光增白劑、消光劑和珠光劑等)；難燃化和抑煙助劑(如阻燃劑、抑煙劑等)和其它助劑(如填充劑、成核劑、驅避劑、分散劑、增香劑及光降解劑和生物降解劑等)。所述助劑可以是低粘度的液態助劑，也可以是稀釋劑稀釋的高粘度液態助劑，或經溶劑等溶解的固態助劑溶液。
所述液體聚合物輸送裝置包括依次相連接的聚合物存貯罐、任選的第三過濾器、第三計量輸送器、任選的流量控制閥。所述流量控制閥的出口與混合裝置中的高壓釜的一個入口相連接。
所述第三計量輸送器可以為高壓齒輪泵、柱塞泵或螺桿泵，優選高壓齒輪泵。
所述混合裝置包括依次相連接的混合器、恒溫穩壓罐、任選的流量控制閥和高壓釜。所述高壓釜的出口與三通閥相連接。
所述恒溫穩壓罐為夾套式結構，夾套內可以通入加熱介質。所述加熱介質可選自過熱水、蒸汽、熱油等。所述恒溫穩壓罐亦可為單層結構，通過罐的外壁加熱。加熱方式可以選用電加熱、紅外線加熱或微波加熱等。所述恒溫穩壓罐也可選用其它具有高壓加熱功能的設備。
所述高壓釜為具有攪拌器、任選的固體物料筐和壓力顯示表的高溫高壓反應釜，為夾套式結構，夾套內可以通入加熱介質。加熱介質可以選自過熱水、蒸汽、熱油等。所述高壓釜亦可為單層結構，通過釜體的外壁加熱。加熱方式可以選用電加熱、紅外線加熱或微波加熱等。所述高壓釜也可選自其它具有高壓加熱功能的設備。
所述固體物料筐用于無法流動物料的加入。
在本發明的超臨界流體-聚合物體系流變性能測定儀中，所述流變性能測量裝置包括依次相連接的三通閥，輸送泵(優選為高壓輸送泵)，任選的第二接收器，壓力表，直徑不同的三根測量管道，包括第一管道、第二管道和第三管道，第三流量計、第四流量計、第五流量計，節流閥，第一接收器。所述流變性能測量裝置中的三通閥，高壓輸送泵，第一接收器，壓力表，三根測量管道，三個流量計，節流閥，第二接收器都置于恒溫箱中。
所述的三根測量管道各自都帶有一個差壓變送器，用于測定管道兩端的壓差。
所述的節流閥用以調節測量體系的流量，以確保流體在測量管內的流動狀態滿足粘性層流、恒定流動、均勻流動、沿管壁無滑動等。
所述的恒溫箱用以保證測試系統在一定溫度下工作。
所述的第二接收器為普通容器，用以接收從測量管路中流出的聚合物。
該測定儀的具體描述將在以下結合附圖1及其說明并通過具體實施方式
進行詳細說明。
圖1是本發明所述的超臨界流體-聚合物體系流變性能測定儀示意圖。
圖1中各附圖標記所表示含義如下所示1存貯器；2第一過濾器；3冷凝器；4第一流量計；5第一計量輸送器；6混合器；7恒溫穩壓罐；8流量控制閥；9助劑存貯罐；10第二過濾器；11第二流量計；12第二計量輸送器；13聚合物存貯罐；14第三過濾器；15第三計量輸送器；16流量控制閥；17高壓釜；
18攪拌器；19固體物料筐；20三通閥；21輸送泵；22第一接收器；23壓力表；24第一管道(1m)；25第二管道(1m)；26第三管道(1m)；27、28、29第三、第四和第五流量計；30節流閥；31第二接收器；32恒溫箱具體實施方式
以下將結合圖1來詳細說明本發明所述的超臨界流體-聚合物體系流變性能測定儀。
所述聚合物-超臨界流體混合裝置例如可包括超臨界流體發生裝置、助劑輸送裝置、液態聚合物輸送裝置、混合裝置四部分。
在本發明的一個實施方案中，所述超臨界流體發生裝置由存貯器1、任選的第一過濾器2、冷凝器3、任選的第一流量計4、第一計量輸送器5所組成。所述存貯器1的出口與第一過濾器2的進口相連接。所述第一過濾器2的出口與冷凝器3的進口相連接。所述冷凝器3可以例如是一個列管式熱交換器，流體在管內流動，冷卻劑在管外流動，以冷卻管中的流體。所述冷凝器3的出口與第一流量計4的進口相連接。所述第一流量計4的出口與第一計量輸送器5的進口相連接。所述第一計量輸送器5可選自螺桿泵、齒輪泵或柱塞泵。螺桿泵具有樹脂計量無脈動的優點，但計量精度不高；高壓齒輪泵具有樹脂計量無脈動、計量準確的優點，但價格昂貴；柱塞泵具有計量精度高的優點，但用于樹脂計量時有脈動，因此可根據實際情況選擇合適的計量輸送器。所述第一計量輸送器5的出口與混合裝置中的混合器6的一個進口相連接。
在本發明的一個實施方案中，所述助劑輸送裝置由助劑存貯罐9、任選的第二過濾器10、任選的第二流量計11、第二計量輸送器12所組成。所述助劑存貯罐9為具有一個加料口和一個出料口的普通存貯器，其出料口與第二過濾器10的進口相連接。所述第二過濾器10的出口與第二流量計11的進口相連接。所述第二流量計11具有一個進口和一個出口，所述第二流量計11的出口與第二計量輸送器12相連接。所述第二計量輸送器12可選自螺桿泵、齒輪泵或柱塞泵。柱塞泵具有計量精度高的優點，故所述第二計量輸送器12最好選用柱塞泵。所述第二計量輸送器12的出口與混合裝置的混合器6的一個進口相連接。
在本發明的一個實施方案中，所述液體聚合物輸送裝置由聚合物存貯罐13、任選的第三過濾器14、第三計量輸送器15、任選的流量控制閥16所組成。所述液體聚合物存貯罐13為普通存貯器，其出口與第三過濾器14相連接。所述第三過濾器14的出口與第三計量輸送器15的進口相連接。所述第三計量輸送器15可選自高壓齒輪泵、柱塞泵或螺桿泵。高壓齒輪泵具有無脈動，計量準確等優點，故所述第三計量輸送器15最好選用高壓齒輪泵。所述第三計量輸送器15的出口與流量控制閥16的進口相連接。所述流量控制閥16的出口與混合裝置中的高壓釜17的一個入口相連接。
在本發明的一個實施方案中，所述混合裝置由混合器6、恒溫穩壓罐7、任選的流量控制閥8和高壓釜17所組成。所述混合器6具有兩個進口和一個出口。所述混合器6的一個進口和超臨界流體發生裝置中的第一計量輸送器5相連接，另一個進口和助劑輸送裝置中的第二計量輸送器12相連接。所述混合器6的出口和恒溫穩壓罐7的進口相連接。所述恒溫穩壓罐7為夾套式結構，夾套內可以通入加熱介質。所述加熱介質可選自過熱水、蒸汽、熱油等。所述恒溫穩壓罐7亦可為單層結構，通過罐的外壁加熱。加熱方式可以選用電加熱、紅外線加熱或微波加熱等。所述恒溫穩壓罐7也可選用其它具有高壓加熱功能的設備。所述恒溫穩壓罐7的出口與流量控制閥8相連接。所述流量控制閥8的出口與高壓釜17的一個入口相連接。所述高壓釜17為具有攪拌器18、任選的固體物料筐19和壓力顯示表的高溫高壓反應釜，為夾套式結構，夾套內可以通入加熱介質。加熱介質可以選自過熱水、蒸汽、熱油等。所述高壓釜17亦可為單層結構，通過釜的外壁加熱。加熱方式可以選用電加熱、紅外線加熱或微波加熱等。所述高壓釜17也可選自其它具有高壓加熱功能的設備。所述高壓釜17具有兩個入口和一個出口。所述高壓釜17的入口一個與流量控制閥8相連接，另一個與流量控制閥16相連接。所述高壓釜17的出口與三通閥20相連接。所述固體物料筐19用于無法流動物料的加入。
在本發明的一個實施方案中，所述流變性能測量裝置包括三通閥20，輸送泵(優選為高壓輸送泵)21，任選的第二接收器22，壓力表23，直徑不同的三根測量管道，包括第一管道24、第二管道25和第三管道26，第三流量計27、第四流量計28、第五流量計29，節流閥30，第一接收器31。所述三通閥20有一個入口和兩個出口。所述三通閥20的入口與混合裝置中的高壓釜17相連接。所述三通閥20的兩個出口一個與高壓輸送泵21相連接，另一個與第一接收器22相連接。所述高壓輸送泵21有一個入口和一個出口。所述高壓輸送泵21的入口和三通閥20相連接，出口與壓力表23相連接。所述壓力表23具有一個入口和一個出口，所述壓力表23的入口與高壓輸送泵21相連接，出口和測量管道24、25、26相連接。所述的三根測量管道24、25、26各自都帶有一個差壓變送器，用于測定管道兩端的壓差。所述測量管道24、25、26的出口分別與流量計27、28、29相連接。所述流量計27、28、29的出口都與節流閥30相連接。所述節流閥30的出口與第二接收器31相連接。所述流變性能測量裝置中的三通閥20，高壓輸送泵21，第一接收器22，壓力表23，測量管道24、25、26，三個流量計27、28、29，節流閥30，第二接收器31都置于恒溫箱32中。
在本發明的一個實施方案中，超臨界流體-聚合物體系流變性能測定儀的一個例示性的工作過程為當聚合物為液態時，例如E-51環氧樹脂，啟動聚合物-超臨界流體混合裝置中的液態聚合物輸送裝置，通過裝置中的第三計量輸送器15，使液態聚合物存貯罐13中的液態聚合物經第三過濾器14、第三計量輸送器15、流量控制閥16進入高壓釜17中。當聚合物為固態時，例如聚乙烯，打開高壓釜17，通過固體物料筐19將固體聚合物放入，關閉高壓釜。啟動高壓釜17的加熱裝置使聚合物熔融并達到設定的溫度。完成聚合物加入步驟后，啟動超臨界流體，例如SC-CO2，發生裝置中的第一計量輸送器5，使流體，如CO2，由存貯器1流經第一過濾器2、冷凝器3、第一流量計4、第一計量輸送器5進入到混合器6中。與此同時，使定量的助劑由助劑存貯罐9在計量輸送器12的作用下經第二過濾器10、第二流量計11、第二計量輸送器12流入到混合器6中，與同步注入到混合器6中的超臨界流體，如SC-CO2，混合。混合后的助劑-超臨界流體經恒溫穩壓罐7和流量控制閥8以一定的流量、壓力和溫度流入到高壓釜17中。啟動高壓釜17中的攪拌器18使超臨界流體-助劑混合物與聚合物充分混合，形成超臨界流體-聚合物體系。調節恒溫箱32的溫度到設定溫度，啟動流變性能測量裝置中的輸送泵21，使超臨界流體-聚合物體系經三通閥20、高壓輸送泵21、壓力表23、第一、第二或第三測量管道24或25或26、第一、第二或第三流量計27或28或29、節流閥30，最后流入到第二接收器31。調節節流閥30以調節體系的流量，使其流速控制在一定的范圍內，分別記錄三個差壓變送器、三個流量計、壓力表的讀數，以及測試時間、溫度值，將流量計的讀數轉換為流速，并利用細管流變儀的粘度計算公式(η＝(ΔpD/4L)/(8υ/D))分別計算三根測量管路中超臨界流體-聚合物體系的粘度，取平均值，即可得到該溫度、壓力下超臨界流體-聚合物體系的粘度。調節反應釜17和恒溫箱32的溫度使其處于另一溫度值下；調節輸送泵21的輸送壓力，使壓力表達到另一壓力值。再次測量，即可得到另一溫度、壓力條件下超臨界流體-聚合物體系的粘度。調節第一計量輸送器5或第二計量輸送器12的輸送量，即可用于測量不同超臨界流體含量體系或不同助劑含量體系的某一超臨界流體-聚合物體系的粘度。
權利要求
1.一種超臨界流體-聚合物體系流變性能測定儀，包括聚合物-超臨界流體混合裝置、流變性能測定裝置兩部分，其特征在于，所述流變性能測定裝置包括三通閥(20)、輸送泵(21)、壓力表(23)、各自都帶有一個差壓變送器的直徑不同的三根測量管道，包括第一測量管道(24)、第二測量管道(25)和第三測量管道(26)、第三流量計(27)、第四流量計(28)、第五流量計(29)，節流閥30和第二接收器(31)。
2.根據權利要求1所述的流變性能測定儀，其特征在于所述三通閥(20)有一個入口和兩個出口，其入口與聚合物-超臨界流體混合裝置相連接；所述三通閥(20)的兩個出口中的一個與高壓輸送泵(21)相連接，另一個與第一接收器(22)相連接；所述高壓輸送泵的出口與壓力表(23)的入口相連接；所述壓力表(23)的出口分別與第一測量管道(24)、第二測量管道(25)和第三測量管道(26)相連接；所述第一測量管道(24)、第二測量管道(25)和第三測量管道(26)的出口分別與第三流量計(27)、第四流量計(28)和第五流量計(29)相連接；所述第三流量計(27)、第四流量計(28)和第五流量計(29)的出口都與節流閥(30)相連接；所述節流閥(30)的出口與第二接收器(31)相連接。
3.根據權利要求1所述的流變性能測定儀，其特征在于所述第一管道(24)、第二管道(25)和第三管道(26)分別為直徑在10mm以內的細管。
4.根據權利要求1所述的流變性能測定儀，其特征在于所述聚合物-超臨界流體混合裝置包括超臨界流體發生裝置、助劑輸送裝置、液態聚合物輸送裝置和混合裝置。
5.根據權利要求4所述的流變性能測定儀，其特征在于所述超臨界流體發生裝置包括存貯器(1)、第一過濾器(2)、冷凝器(3)、第一流量計(4)和第一計量輸送器(5)。
6.根據權利要求4所述的流變性能測定儀，其特征在于所述超臨界流體可選自超臨界-CO2、超臨界-N2、超臨界-水、超臨界-丙烷、超臨界-甲醇、超臨界-乙烯、超臨界-乙烷等所有可處于超臨界狀態的流體。本發明優選超臨界-CO2。
7.根據權利要求5所述的流變性能測定儀，其特征在于所述存貯器(如CO2存貯器)(1)的出口與第一過濾器(2)的進口相連接；所述第一過濾器(2)的出口與冷凝器(3)的進口相連接；所述冷凝器(3)的出口與第一流量計(4)的進口相連接；所述第一流量計(4)的出口與第一計量輸送器(5)的進口相連接；所述第一計量輸送器(5)的出口與混合裝置中的混合器(6)的一個進口相連接。
8.根據權利要求4所述的流變性能測定儀，其特征在于所述助劑輸送裝置包括助劑存貯罐(9)、第二過濾器(10)、第二流量計(11)和第二計量輸送器(12)。
9.根據權利要求8所述的流變性能測定儀，其特征在于所述助劑存貯罐(9)的出料口與第二過濾器10的進口相連接；所述第二過濾器(10)的出口與第二流量計(11)的進口相連接；所述第二流量計(11)的出口與第二計量輸送器(12)的進口相連接；所述第二計量輸送器(12)的出口與混合裝置中的混合器(6)的一個進口相連接。
10.根據權利要求4所述的流變性能測定儀，其特征在于所述液體聚合物輸送裝置包括聚合物存貯罐(13)、第三過濾器(14)、第三計量輸送器(15)和流量控制閥(16)。
11.根據權利要求10所述的流變性能測定儀，其特征在于所述液體聚合物存貯罐(13)的出口與第三過濾器(14)的進口相連接；所述第三過濾器(14)的出口與第三計量輸送器(15)的進口相連接；所述第三計量輸送器(15)的出口與流量控制閥(16)的進口相連接；所述流量控制閥(16)的出口與高壓釜(17)的一個入口相連接。
12.根據權利要求4所述的流變性能測定儀，其特征在于所述混合裝置包括混合器(6)、恒溫穩壓罐(7)、流量控制閥(8)和高壓釜(17)。
13.根據權利要求12所述的流變性能測定儀，其特征在于所述高壓釜(17)為具有高壓加熱功能的設備，包括攪拌器(18)和壓力顯示表。
14.根據權利要求12所述的流變性能測定儀，其特征在于所述混合器(6)的一個進口與超臨界流體發生裝置中的第一計量輸送器(5)相連接，另一個進口與助劑輸送裝置中的第二計量輸送器(12)相連接；所述混合器(6)的出口和恒溫穩壓罐(7)的進口相連接；所述恒溫穩壓罐(7)的出口與流量控制閥(8)的進口相連接；所述流量控制閥(8)的出口與高壓釜(17)的一個入口相連接；所述高壓釜(17)具有兩個入口和一個出口，其入口一個與流量控制閥(8)相連接，另一個與液體聚合物輸送裝置中的流量控制閥(16)相連接；所述高壓釜(17)的出口與流變性能測定裝置中的三通閥(20)相連接。
15.根據權利要求12所述的流變性能測定儀，其特征在于恒溫穩壓罐(7)為夾套式結構，夾套內通入加熱介質，所述加熱介質可選自過熱水、蒸汽、熱油等；或者所述恒溫穩壓罐(7)為單層結構，通過罐的外壁加熱，加熱方式可選自電加熱、紅外線加熱或微波加熱等；或者所述恒溫穩壓罐(7)也可選用其它具有高壓加熱功能的設備。
16.一種超臨界流體-聚合物體系粘度的測定方法，包括分別記錄根據權利要求1-15中任意一項權利要求所限定的流變性能測定儀的第一測量管道(24)、第二測量管道(25)和第三測量管道(26)及所述三根管道分別帶有的三個差壓變送器、第三流量計(27)、第四流量計(28)和第五流量計(29)的讀數，以及測試時間、溫度值、壓力值，將流量計的讀數轉換為流速，并利用細管流變儀的粘度計算公式η＝(ΔpD/4L)/(8v/D)分別計算三根測量管路中超臨界流體-聚合物體系的粘度，取平均值。
全文摘要
本發明提供一種超臨界流體－聚合物體系流變性能測定儀。所述超臨界流體－聚合物體系流變性能測定儀由聚合物－超臨界流體混合裝置和流變性能測定裝置兩部分組成。其特征在于在細管流變儀的基礎上引入了超臨界流體裝置，使其可用于聚合物－超臨界流體體系流變性能的測定，以及超臨界流體和其它牛頓流體、非牛頓流體體系流變性能的測定。
文檔編號G01N11/06GK1959372SQ200610160538
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月28日 優先權日2006年11月28日
發明者劉亞青, 張彥飛, 杜瑞奎, 陳華 申請人:中北大學