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洗洁精&洗衣液样品的在线测量方案

在确定一种样品的在线粘度测量方案之前,我们首先需了解或者掌握该类样品的基本流 变特性(包括粘度随剪切率/温度的变化趋势),再根据样品特性来进一步评估何种类型的在 线粘度计最为适宜。就洗洁精和洗衣液此类样品而言,我们以国内行业巨头广州立白集团提 供的样品为例,使用流变仪为测量仪器,从实验室 测量数据的基础出发,最终来确定洗洁精和洗衣液样品的在线测量方案。

一.在线粘度计的机型选择

对于洗洁精和洗衣液此类样品,我们该选择何种类型的在线测量仪器?以目前在线粘度测量的主流机 型而言,旋转式还是振动式?

首先,旋转式在线粘度计的测量原理与实验室粘度计相同,根据转子和传感器的连接方式,可分为外 旋式和内旋式两种,主要是利用转子在流体中以恒定转速旋转,直接测量流体的粘性力大小,计算出粘度。 这类在线粘度计是从粘度的物理定义出发,测量范围可以很宽,测量时的剪切率也不高,除了测量牛顿流 体外,尤其适合于非牛顿流体的测量。

再次,振动式在线粘度计的传感探头为一圆柱体,以恒定的振幅振动,当它剪切流体时,流体的粘度 对传感探头振动振幅有影响,测量维持恒定振幅所输入的功率,计算得到粘度和密度的乘积。这类在线粘 度计的理论测量范围也很宽,适合于不同的流体测量,但测量时的剪切率不能精确计算,而且振动式粘度 计的剪切率一般约在1000 S-1,因此实际使用中,需要根据流体的流变学特性正确选用。如剪切变稀特性 不明显或者高剪切条件下粘度变化依然灵敏的样品,可考虑使用振动式在线粘度计。

在我们了解两种在线机型的测量原理和产品特性后,我们再回到实际需要测量的样品中来,从样品的 流变特性和现场工艺条件来进一步评估所适用的机型。

使用锥板型流变仪为测量仪器,应用剪切率扫描流变曲 线的经典实验方法,对两种样品进行流变测量(剪切扫描图附后)。具体测量方法:恒定温度下,剪切率 从4.2~800S-1,进行剪切扫描。从测量结果可以看出,恒温的剪切率扫描下,立白样品的粘度呈剪切变稀 特性(假塑性)。在低剪切率(5~200 S-1)的条件下,粘度变化敏感性高;在高剪切(大于200 S-1)条件 下测量,由于样品的剪切变稀流变特性,粘度变化敏感性降低,粘度随剪切率的变化则趋于平缓而不再灵 敏。

因此,高剪切(1000S-1)的振动式在线粘度计所测的粘度区间正好落在样品粘度变化不灵敏的区域, 不适合用于此类样品的在线检测。建议采用旁路测量旋转式在线系统,这样可以在较低剪切率下进 行测量,提高粘度的灵敏度,达到在线测量和控制的目的。

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 附图 1:立白洗洁精 – 剪切扫描图 (扫描温度分别为 30℃)

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 附图 2:立白洗衣液 – 剪切扫描图(扫描温度分别为 30℃)

二.在线数据与实验室数据之间的对应关系

粘度的测量方法很多,实验室和在线粘度测量的方法和仪器也很多,这样在进行数据对比时我们需要 注意测量条件的一致性。这个一致性包括了测量方法和测量条件,而测量条件又包括了测量温度、压力、 流速、仪器的测量条件(剪切率)等。只有这些条件完全一致,测得的结果才会一致。但是实际应用中这 些条件很难一致,在这种情况下,很多人会考虑是否可以找到一个相互换算或转换的方法,这种思路是正 确的,但在实施过程中,由于这种关系的摸索需要一定数据的积累,而且最后的结果往往不是线性的,因 此会对后续的直接使用造成一定的影响。 由于洗洁精和洗衣液的在线数据和实验室数据之间的比对需要积累相当多的原始数据方能获得一一对应的 换算关系,因此此处仅以历史样品的实验数据来做说明两者之间的对应关系(参阅下图3)。

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 附图3:实验室粘度和在线粘度数据对比图(时间-粘度)

如图3所示,这是用实验室粘度计和在线旋转粘度计对某一样品在同一时 间和粘度为坐标下的实时曲线。从中不难发现,我们可以不必去关心这两者之间的关系如何,只要通过实 验室数据(可以是中间产品,也可以是成品)的控制点和上下限,相应地通过时间,找到在线粘度的控制 点和上下限,这样就省去了很多复杂的计算,在最短时间内获得在线测量和控制的最佳点。