KR100310809B1 - 지수법칙유체로행동하는에멀전에대한지수법칙점도매개변수의결정용인-라인(In-line)장치및방법 - Google Patents

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Abstract

고 내부상 에멀션(HIPE)을 사용하여 저중량 흡수제 포움을 생성하는데, 상기생성 방법은 HIPE 성질에 대한 인-라인 진단으로서 모세관 점도 측정의 사용을 포함한다. 인-라인 진단으로 점도 기울기 및 크기의 측정값을 얻는다. 상기 측정값들은 에멀션 성질을 모니터링하는 및몇 이점을 제공하는데, 샘플링할 필요없이 하드웨어와 무관한 전체 흐름의 매개변수의 안정한 고분석 측정을 포함한다.

Description

[발명의 명칭]
지수 법칙 유체로 행동하는 에멀젼에 대한 지수 법칙 점도 매개 변수의 결정용 인-라인(In-line)장치 및 방법
[도면의 간단한 설명]
제 1 도는 RPM 작동 윈도우의 예시이다.
제 2 도는 혼합 조건에 따른 에멀션 성질의 다양성에 대한 예시이다.
제 3 도는 RPM 범위에 따른 점도 데이타의 예시이다·
제 4a-4c 도는 쿠에트 점도계내 항복 응력, 전단, 및 미끄럼의 예시를 보
여준다.
제 5 도는 2-스핀들 쿠에트 검사에 대한 미처리 데이타의 그래프이다.
제 6 도는 참 전단을 위해 보정된 2-스핀들 데이타의 그래프이다.
제 7 도는 지수 법칙 유체용 인-라인 공정 점도계에 대한 모형이다.
제 8 도는 실험에 사용되는 "인-라인" 모세관 점도계에 대한 모식도이다.
제 9 도는 제 8 도의 검사 장치를 사용하여 얻은 모세관 점도계 측정값으로부터 얻은 데이타의 그래프이다.
제 10 도는 이성분 모세관 흐름을 보여주는 모식도이다.
제 11 도는 미끄럼 층이 있을 때 및 없을 때 계산된 모세관 압력 저하 대
유속을 보여주는 그래프이다.
제 12 도는 모세관내 이슬 표시를 보여주는 데이타의 도표이다.
제 13 도는 모세관 압력 저하와 헤드 압력간의 상호연관성을 보여주는 데
이타의 도표이다.
[발명의 상세한 설명]
[기술 분야]
본 발명은 고 내부상 에멀션(HIPE)으로부터 저중량(저밀도) 흡수제 포움을 생성하는 것에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 HIPE 성질에 대한 인-라인(in-line) 진단에 관한 것이다.
[배경기술]
비교적 높은 물 상 대 오일 상 비율을 갖는 유중수 에멀션은 고내부상 에멀션("HIPEs" 또는 "HIPE" 에멀션)으로 당 기술분야에 알려져 있다. HIPE 에멀션을 제조하는 연속적인 공정은 예를 들면, 미합중국 3,565,817 및 영국 특허출원 2194166A에 공개되어 있다.
선행 기술은 또한 HIPE 에멀션을 중합함으로써 형성된 다공성 중합체 포움 물질의 성질 및 특징이 중합 가능한 HIPE 에멀션을 구성하는 성분의 유형 및 에멀션을 형성하는데 사용되는 공정의 조건에 좌우됨을 인정한다. 예를 들면, 유럽 특허 출원 제 60138 호는 중합가능 단량체, 계면활성제 및 중합 촉매를 함유한 오일 상을 갖는 90 중량% 이상의 물로 구성된 고내부상 에멀션으로부터 흡수제 다공성 중합체(즉 포움)를 제조하는 공정을 공개한다. 미합중국 특허 제4,788,225 호는 특정 단량체 유형(스티렌, 알킬(메트)아크릴레이트, 교차결합제)을 선택하고 특정 공정 조건을 사용하여 다공성 중합체의 기포 크기를 조절함으로써 탄성을 갖는 다공성 중합체 물질을 제조하는 것을 공개한다. 유럽 특허 출원 EP-A-299,762는 중합가능한 HIPE 에멀션의 물 상 내 전해질을 사용하는 것이 다공성 중합체 포움 물질의 기포들 사이의 틈새 크기에 영향을 미칠 수 있음을 개시하고 있다.
HIPE 에멀션은, 특히 매우 높은 물 대 오일 비를 갖는 에멀션은 불안정한
경향이 있다. 에멀션내 단량체/교차결합제 함량, 에멀션화제 선택, 에멀션 성분 농도, 및 온도 및/또는 교반 조건에 변화가 생기면 상기 에멀션을 그의 개개의 물 상과 오일 상으로 분리시킬 수 있다. 안정한 에멀션을 얻는다 하더라도 에멀션 조성물 및 공정 조건의 변형은 중합체 포움 물질의 성질 및 특징에 영향을 미칠 수 있다. 상기 HIPE 에멀션 제조의 어려움은 연속적인 공정을 통한 중합 가능한 에멀션의 제조가 필요로 되는 때에는 한층 더 심각해진다.
최근 공정들에서는, HIPE를 공정 스트림으로부터 샘플링하고 점도는 벤치상단 쿠에트 점도계에서 측정한다.
그러므로 HIPE 성질을 인-라인으로, 즉 샘플링 할 필요 없이, 전체 유체가 측정될 수 있는 기술이 요청되고 있다.
본 출원인은 정확한 상업적 공정 기구를 사용하여, 샘플링없이 인-라인으로 전체 유체의 성질을 결정, 측정 또는 계산하는 공정을 고안했다.
상기 공정에서, 오일 상 및 물 상을 핀 제분기 혼합기내에 주입하여 높은물 상-대-오일 상 비를 갖는 에멀션을 생성한다. 에멀션을 여러가지 횡단면을 갖는 인-라인 튜브를 통해 밀어 넣는다. 튜브 구간을 지나는 동안에 압력 저하가 측정되고, 알려진 유속을 사용하여 에멀션의 특성을 결정할 수 있다.
에멀션은 지수 법척 유체이기 때문에, 점도는 2개의 유체 매개 변수(크기
및 기울기)를 제공할 수 있다. 상기 매개 변수들은 독립적으로 변하는 것으로 관찰되었으며 따라서 둘다 에멀션의 특징을 결정하는데 필요하다.
본 출원인은 하기와 같은 이유로 점도가 에멀션 성질에 대한 유용한 공정
지수임을 발견했다:
(1) 점도는 공정 및 배합 매개 변수 변화에 따른 에멀션의 변화에 매우
민감하다.
(2) 점도는 혼합기 하드웨어와 무관한 에멀션의 고유한 성질이므로 데이
타를 다른 혼합 시스템과 비교할 수 있다.
(3) 점도는 매우 민감하게 이슬(소량의 자유수)의 존재를 감지할 수 있다.
(4) 최종 생성물의 특성을 측정하는데 있어서는 그 이전에 24 시간 이상의 시간이 경과할 수 있는 반면, 점도는 즉각적인 피이드백을 제공한다.
혼합기 헤드 압력 또는 단일 모세관내 압력 저하가 또한 에멀션 성질에 대한 유용한 지수로 입증되었다. 그러나, 혼합 헤드내 에멀션의 일정하지 않은 축적으로 인해, 에멀션이 변하지 않음에도 헤드 압력이 변할 가능성이 있다.
따라서, 모세관이 하나이거나 또는 둘이거나 간에 혼합 헤드의 압력 측정 다운스트림이 에멀션 성질 지수로서 헤드 압력보다 바람직할 수 있다. 헤드 압력과
다운스트림 측정간의 발산 경향이 또한 우수한 지수인데 이는 혼합 헤드가 손상될 수 있기 때문이다.
점도와 같은 에멀션 성질을 측정하는 인-라인 진단은 온도, 공급속도, 및 제분기 RPM을 조절하고 장치 또는 배합 문제점을 진단하는데 유용할 수 있다.
[발명을 수행하는 최상의 형태]
배치식 공정에서, HIPE는 통상 순수한 연속상으로 시작하여 원하는 상 비율이 얻어질 때까지 분산된 상으로 서서히 교반하여 생성한다. 도면에 제시된 HIPE를 배합하는데 사용되는 표준 배합물에서, 연속 오일 상은 경화성 단량체(스티렌 20%, 디비닐벤젠 20%, 에틸 헥실 아크릴레이트 60%)의 혼합물 및 계면활성제(단량체 기준 12 중량% Span 20)로 구성된다. 개시제는 과황산염이다.
물 상은 높은 전해질 함량(대표적으로 염화 칼슘 10%)을 갖는다. 물/오일 중량비는 통상 25/1 내지 50/1의 범위 이내이다. 윈하는 물/오일 부피비는 40/1 정도이다. 에멀션을 경화시키고, 층으로 얇게 절단하고 압착하여 건조시킨다.
전형적으로 층은 그들이 적셔질 때까지 얇게 유지된다. 다른 적합한 HIPE를 위한 배합이 미합중국 5,189,070, 미합중국 5,200,433, 및 미합중국 5,210,104에 서술되어 있다.
제 7 도를 참고하면, 혼합 시스템은 Edge-Sweets Corporation에 의해 제조된 것과 같은, 폴리우레탄 생성을 위해 고안된 핀 제분기이다. 본원에 서술된 작업을 위해서 크기 #2의 헤드를 사용했다. 핀 제분기는 수직 원통형 강철배럴 내 원통형 강철 임펠러로 구성된다. 원통형 핀들은 임펠러 본체로부터 배럴 벽 바로 내부까지 뻗어 있다. 물 상 및 오일 상을 제분기의 상단에서 주입하고 에멀션을 바닥으로부터 제거한다. 배럴은 임팰러 아래에서 원추형으로 좁아진다. 작동 개시 중에 배압을 제공하도록 정적 혼합기가 배럴 원추 아래에 장착되나 에멀션화 공정에 기여하는 것으로 여겨지지는 않는다. 에멀션은 통상 약 45℃에서 혼합한다. 에멀션을 작은 폴리프로필렌 욕조에 붓고 상기를 "덩어리"로 경화시킨다.
배럴의 내경은 2.54 cm(1 inch)이다. 표준 임팰러의 길이는 9.53 cm(3.75 inch)이다. 임펠러 축의 직경은 1.25cm(0.50 inch)이다. 핀의 직경은 0.475 cm(0.50 inch)이다. 핀의 직경은 0.475 cm(0.187 inch)이고, 핀 길이는 0.635 cm(0.25 inch)이다. 표준 임펠러 상에는 총 40 개의 핀이 있다. 핀은 6개의 세로 열로 배열되는데 핀 7 개짜리 4 열 및 핀 6 개짜리 2 열로 배열된다. 표준 임펠러 핀들과 내부 배럴 표면 간의 틈새는 0.0508 cm(0.02")이다. 혼합기는 4000 RPM 정도의 고속으로 작동할 수 있다.
두 개의 액체 상을 기어 펌프를 사용하여 임펠러 바로 위까지 아래로 뻗어 있는 작은 직경의 튜브("오리피스")를 통해 핀 제분기내로 주입한다. 최대 전체 유속은 약 2 1b/분이다. 물상은 질량 흐름 계량기에 의해 계량한다. 오일 상은 열적 흐름 계량기에 의해 계량한다. 유속은 펌프상 RPM 수준을 셋팅하여 결정한다. 모든 데이타 값은 모니터링 및 제어 시스템에 의해 실 시간으로 자동 보고되고 유속은 자동 조정되어 원하는 에멀션 성질을 얻어진다.
[결로(結露)]
혼합기 내 과다한 체류시간으로 인해 에멀션화가 불완전하거나, 또는 과다한 전단에 의해 융합이 초래되면, 유리된 물이 정적 혼합기로부터 제거되는 에멀션의 "튜브" 외부에 "이슬"(작은 물방울)로서 관찰된다. 헬모츠(He1mholtz)의 최소 에너지 분산 법칙에 따르면, 낮은 속도의 흐름내 속도 개관은 유체내 전체 에너지 분산 속도를 최소화하는 것이어야 한다. 상기는 낮은 점도의 유체가 높은 전단 영역에 위치하는 것을 의미한다. 따라서, 과량의 물은 혼합기 또는 튜브의 벽을 따라 흐르기 쉽고, 유리된 물이 존재하지 않는 에멀션 흐름에 비해 압력 저하를 크게 줄인다. 상기 효과는 헤드 압력 감소로서 또는 튜브내 압력 저하로서 입증되고, 쿠에트 점도계 내 미끄럼 층을 발생시킬수 있다. 이슬은 포움내 큰 "결정"과 관련있으며, 바람직하지 못한 수행 성질을 초래한다.
[혼합 조건에 대한 에멀션 및 포움 특성의 의존성]
건조 두께, 흡수도(자유 팽창), 입상율(WR) 및 하중에 대한 유체 보유(RTCD)를 포함하는, 일련의 성질을 정의하여 경화된 포움의 행동 특징을 결정했다. 정의 및 검사 절차는 미합중국 5,189,070에 서술된 바와 같고, 상기의 문헌은 본원에 참고 문헌으로 포함되어 있다. 소적 크기는 경화되고, 건조된 포움의 주사 전자 현미경 사진을 사용하여 정성적으로 측정할 수 있다. 다른 성질은 소적 크기에 대단히 의존하며, 따라서 혼합 조건 및 배합에 의존한다. 유속이 너무 높거나 또는 혼합기 RPM이 너무 낮으면, 체류 시간은 부적당하다.
상기 경우, 측정된 특정 값의 큰 표준 편차가 관찰될 수 있고, 에멀션은 상기 서술한 바와 같이 "이슬"을 형성할 수 있다. 만일 RPM이 너무 높으면, 같은 결과로서, 융합이 초래될 수 있다. 주어진 유속 및 온도에서 이슬 없는 에멀션을 생성할 수 있는 RPM의 범위를 RPM "작동 윈도우"로 부른다. 작동 윈도우는 배합, 상비율, 유속, 혼합 헤드 설계, 및 혼합 온도의 함수이다. 유속, 온도 또는 물 상/오일 상 비율이 증가됨에 따라, 작동 윈도우는 이슬 없는 에멀션을 생성할 수 있는 단지 매우 좁은 범위의 RPM이 존재할 때까지 좁아진다. 상기는 예를 들면, 혼합기를 통과하는 유속에 대한 최대 한계값을 결정한다. 작동 윈도우 내에서, RPM의 증가는 소적 크기의 감소 및 에멀션 점도의 증가를 초래한다. 제 1 도는 물/오일 비율이 32/1 및 35/1인 경우 RPM 작동 윈도우의 특징에 대한 예시를 보여주는 것이다. 제 2 도는 두 개의 다른 유속에서 생성된 덩어리로부터 취해진 24 개의 샘플에 대한 작동 조건에 따른 특성 변화(자유 괭창)의 예시를 보여주고 있다. 각각의 수직선이 24 개의 데이타 값을 나타낸다. 2500 RPM에서, 높은 유속의 데이타는 명료함을 위해 낮은 유속 데이타의 우측에 대해 상쇄된다. 낮은 유속(0.3 1b/분)에서, 성질은 RPM에 대해 온화한 경향을 보이지만 표준 편차는 비교적 긴 체류 시간 때문에 RPM과 거의 무관함을 보인다. 그러나, 높은 유속(1.2 1b/분)에서, 표준편차는 훨씬 짧은 체류시간으로 인해 그리고 최고 RPM에서의 융합으로 인해 RPM에 매우 민감하다. 주사 전자현미경 사진은 다른 모든 인자들이 일정하게 유지되더라도, 보다 높은 전단으로인해 소적 크기가 RPM과 함께 감소하는 것을 제시한다. 소적 크기는 또한 다른 모든 인자들이 일정하게 유지되더라도, 보다 낮은 체류 시간으로 인해 유속과 함께 증가한다. 가장 바람직한 특성은 보다 높은 혼합기 RPM에서 얻어진다.
이는 최근 높은 혼합 강도에서 성취되는 보다 작은 기포 크기 때문인 것으로 나타난다.
[HIPE의 점탄성 모델]
이후의 서술 및 분석에서, 하기의 정의를 이용한다:
[이론적 HIPE 모델]
Princen 일동[Princen, H. H., Kiss, A.D., "포움 및 고도로 농축된 에멀션의 유동학 (Rheology of Foams and Highly Concentrated Emu1sion)", Journal of Colloid and Interface Science, Vol.128, No.1,1989년 3월 1일]은 HIPE 점탄성 특성의 이론적 모델을 조사했다. Princen은 2차원의 HIPE 단일분산 모델을 사용한다. 그의 모델과 실험 결과 모두를 기초로 하여, Princen은 HIPE가 하기와 같은, 항복 응력을 갖는 지수 법칙 유체임을 확인하고 있다:
대응하는 정적 전단 모듈러스는 Princen에 의하면 하기와 같이 주어진다.
Princen 모델은 연속상내 과량의 계면활성제를 가정한다. 상기는 약 1/2의 일정한 점도 기울기를 초래한다. 그러나, 많은 계면활성제 시스템에서, 훨씬 낮은 기울기가 관찰되었다(0.2 정도). 이는 아마도 계면활성제의 소모에 기인한 것으로 보이며, 이는 "우수한" 에멀션화제 시스템에 있어서 보다 뚜렷하게 관찰된다. 필름의 탄성 모듈러스는 하기에 의해 주어진다.
소적이 변형될 때, 그의 표면적은 증가한다. 계면활성제가 소모되었을 때,보다 큰 표면적이 생성되면 계면 장력은 급격히 상승하고, 높은 탄성 모듈러스를 초래한다. 그러므로 소적은 변형되기 어럽게 되고, 관찰되는 전단 약화를 감소시키며, 따라서 보다 낮은 측정 점도 기울기를 야기한다. 부가적으로, 실제 에멀션은 일반적으로 복잡 분산이며, 따라서 그의 행동은 상기 모델로부터 벗어날 것을 예측할 수 있다.
[에멀션의 점탄성 행동]
주재 에멀션의 실제 행동을 결정하기 위해 혼합기 유출물에서 샘플을 취하여, 회전 스핀들, 스핀들 #21, #14 및 #15 (고체축)을 갖는 쿠에트 점도계, Brookfield 모델 DV3내에서 점도를 측정했다. 대표적인 데이터 세트를 제 3 도에 나타내었다. 슬립 라인 및 현저한 항복 응력이 존재하는지 또는 없는지의 중요성을 결정하기 위해, 제 4 도에 제시된 바와 같이, 연필심 가루를 쿠에트의 고리에 가로질러 에멀션 상에 뿌렸다. 매우 낮은 점도계 RPM(O.1 RPM)에서도, 제 4B 도에 제시된 바와 같이 에멀션이 전단되는 것으로 관찰되었고, 측정된 검도는 제 3 도에 제시된 기울기와 같으며 일정했다. 제 4A 도의 양태가 관찰되지 않았기 때문에 항복 응력은 중요하지 않은 것으로 결론지었다. 충분히 높은 RPM에서(제 4 도), 에멀션은 미끄러지지만 전단되지 않았고, 물층이 에멀션 상단에 형성되었다. 이는 스핀들 표면에서의 융합이 일어나는 때문인 것으로, 아마도 에멀션의 예상되는 로드-상승 작용에 의해 구동되어, 스핀들을 타고 올라온 유리된 물층을 형성했기 때문이다. 스핀들은 오일에 젖어 있고, 물은 오일과 물 사이의 계면활성제 층을 갖는 오일 막상에 형성하는 것으로 믿어진다.
제 3 도의 "슬립 라인"은 약 65 파스칼의 전단 응력에 해당한다.
전단 응력이 너무 높지 않다면, 즉 제 3 도의 슬립 라인 아래에 있다면, 에멀션은 지수 법칙 유체로서 충분히 모델화될 수 있다. 지수 법칙 지수, n은 표준 배합물의 경우 약 0.3이고, 점도 및 전단 응력은 하기에 의해 주어진다.
상기에서 n은 대략 0.35이고 μ。는 소적 크기, 즉 혼합 조건 및 계면활성제 특성에 좌우된다.
지수 법칙 에멀션으로 쿠에트 점도계의 적합한 조작에 대한 검사 기준을 제공하기 위해, 두 개의 다른 크기(직경)의 스핀들을 사용하여 측정하고, 전단을 지수 법칙 행동에 맞게 보정했다. 지수 법칙 유체의 경우, 스핀들 표면에서의 전단은 하기 참고 문헌[Krieger,I.M., "쿠에트 점도계내 전단 속도 (Shear Rate in the Couette Viscometer)", Transactions of the Society of Rheology, Vol, 12, No.1,5-11 페이지,1968]에 의해 하기와 같이 주어지고, 전단 속도,
지수 법칙 n-1은
으로 주어진다. 다시 말해, log (점도) 대 log(RPM)의 좌표로부터 정확한 기울기를 얻는데 전단 보정은 필요치 않다. 그리하여, 정확한 전단은 전단 약화에 대해 보정하지 않은 미처리 데이타로부터 얻은 기울기를 사용함으로써 계산할 수 있다. 제 5 도는 두 개의 스핀들에 대한 미처리 데이타의 도표를 제시하고, 제 6 도는 방정식 6을 사용하여, 참값 전단 대 점도를 도표화한 보정된 데이타를 제시한다.
[모세관 내 HIPE 점도 측정]
[모세관에서 지수 법칙 유체 행동]
모세관 내에서, 즉 흐름이 층상인 곳에서, 지수 법칙 유체는 전단 응력 및 압력 저하에 대해서 하기 방정식을 따른다[Bird, R.B., Armstrong,, R.C.Hassager,O., "중합체 유체의 동력학(Dynamics of Polymeric Fluids)", Wiley, N. Y.]:
및 모세관내 단위 길이 당 압력 저하,
지수 법칙 지수 n 은 log (dP/dL) 대 log Qc 의 기울기 또는 log (dP/dL) 대
log (R)의 기울기의 -⅓로서 주어진다.
[측정모형]
본 발명의 방법에 따르면 제 7 도에 제시된 바와 같이 두 개의 다른 튜브직경을 사용함으로써 점도를 인-라인 공정으로 측정하는 것이 바람직하다. 오일 상(10) 및 물 상(12)을 기어 펌프(14,16)에 의해 그들의 공급기로부터 회수하고 열적 흐름 계량기(18)(오일 상 흐름을 측정하기 위해 Rheotherm TU-1/8일 수 있다) 및 질량 흐름 계량기(20)(물 상 흐름을 측정하기 위해 Micromotion DS-6, S-100일 수 있다)를 통해 핀 제분기 혼합기(30) 내로 주입한다.
Honeywell Model ST-300 과 같은 차등 압력 게이지(38)가 혼합기(30)로의 유입과 혼합기(30)의 배럴 원추제 아래 장착된 정적 혼합기(32)의 유출간의 압력 차이를 측정하여 개시 중의 배압을 제공한다. 압력 게이지(38)는 유체 라인(39)에 의해 연결되고 격막(S)에 의해 봉해져 있다. 점도계는 다른 직경을 갖는 튜브(40,42) 길이로 구성된다. 유체 라인(48, 50)에 의해 튜브(40, 42)의 부분에 연결된 Honeywell Model ST-300과 같은 차등 압력 전달기(44,46)가 튜브의 각 길이에 삽입되어 있고, 알려진 거리를 측정한다. 유체 라인(48,50)은 예를 들면 봉인(S)에 의해 에멀션으로부터 분리된 실리콘 오일로 채워져 있다. 모든 압력 측정값은 제어 시스템(70)에 입력된다. 압력 게이지를 위한 유체 라인은 가능한 한 짧게 하여 측정값 오차를 줄여야 한다.
에멀션을 측정 공정중에 일정한 온도에 유지하는 것이 매우 바람직하다.
상기 목적을 위해, 핀 제분기 혼합기(30)에 온도 제어 시스템이 장치되고 열 교환기(60)에 의해 둘러싸여 온도를 안정화한다. 튜브 구간(40,42)은 가열기 요소(62)로 감싸져 있어 선택된 온도를 유지하게 된다. 가열기 요소(62)는 절연체(제시 안됨)로 감싸져 있어 부가적으로 온도를 안정화할 수 있으며 상기 온도는 열적 쌍 TC에 의해 모니터링되고 제어 시스템(70)에 입력된다. 전체 흐름이 튜브 구간(40,42)을 모두 통과하기 때문에, 전체 에멀션 유속 Qc은 공급물상 흐름 계량기(18,20)로부터 알려진다. 튜브 구간(40,42)의 직경은 압력 저하가 물의 약 12.7-127 cm(약 5-50 inch)의 범위내, 바람직하게 약 127 cm(약 50inch)이고, 직경 비가 약 2:1 이 되도록 선택한다. 두 개의측정값으로 두 개의 미지수인 μo및 n을 갖는 두 개의 방정식(1O)을 얻어 상기 미지수의 해를 구할 수 있다. 공정은 바람직하게 Edge-Sweets Flexamatic 2BT 실험실 벤치-상단 계량 및 분해 공정 기계를 위한 Edge-Sweets 제어 판넬을 포함하는 것과 같은 제어 시스템(70)에 의해 자동으로 제어된다. 제어 시스템(70)은 μo및 n값을 위한 방정식(10)을 풀어 표시할 수 있는 컴퓨터를 포함한다.
그러나, 실험실 측정값을 구하려는 목적을 위해서, 제 8 도에 제시된 바와 같은 우회 라인을 갖는 검사 장치를 사용하여 유속을 직접 변화시킴으로써 많은 유속 값을 얻을 수 있다. 상기는 두 개의 니들 밸브 N1및 N2를 사용하여 수행하고 모세관 및 N1을 통과하는 유속은 2분의 시간의 기간에 걸쳐 디지틀 저울로 수집된 에멀션의 중량을 측정하여 얻는다. 공급 및 계량 장치는 명료함을 위해 생략했다. 결과 얻어진 측정값의 그래프가 제 9 도에 제시된다. 기울기는 쿠에트 측정값으로부터 예상된 것과 근사하다. 수준은 RPM, 유속 및 물/오일 비율에 따라 변하는 것으로 나타난다. 일련의 측정값을 높은 유속에서부터 낮은 유속까지 그리고 나서 다시 높은 유속까지 취하여 측정값의 반복선을 확인하였다. 물 0.0254 cm(0.01 inch)의 분석을 갖는 Honeywell 컴퓨터 제어 차등압력 전달기 모델 ST 3000을 사용했다. 실제 측정된 압력 저하는 물 139.7cm(55 inch) 정도로 높았다. 상기 실험실 절차에서, 압력 전달기 격막은 단순히 연결 튜브를 물로 채워 에멀션으로부터 분리했다. 흐름 튜브 내경은 0.648cm (0.256 inch)이었다. 제7도에서와 같은 제어된 공정 측정에서, rosemount,Inc에 의해 제조된 것과 같은 원거리 격막 봉인 S을 바람직하게 사용하여 공정으로부터 전달기를 분리시킨다. 상기 장치는 흐름 라인에 정민의 봉인된 격막을 제시하고 압력을 실리콘 오일로 채워진 유연한 튜브(48,50)를
통해 계량기에 전달한다.
[미끄럼 층의 효과]
과량의 물이 혼합기내 생성될 수 있다. 이는 제 10 도에서 보여주듯이 모세관내에 미끄럼 층 g를 형성시킨다. 대부분의 압력 저하는 미끄럼 층에서 발생하고, 압력 저하는 미끄럼이 없는 에멀션에 비해 매우 크게 감소된다. 만일 미끄럼 층 g가 존재한다면, 미끄럼 층 내에 주어진 반지름 위치 r에서의 속도는 하기의 참고문헌[Giedt, W.H., "엔지니어링 열 전달의 원리 (Principles of Engineering Heat Transfer)", Van Nostrand, N.Y.,1957]에 의해 하기와 같이 주어지고,
에멀션 내에서는(Bird 일동)
로서 주어진다. 물/에멀션 계면에서 상기 속도들을 구하여, 압력 저하를 미끄럼 층 두께의 함수로서 구할 수 있다. 제11도는 쿠에트 점도계로부터 얻은 에멀션 매개 변수를 사용하여 미끄럼 없는 에멀션의 경우 및 2 미크론 물 층이 존재하는 경우에 대한 계산된 압력 저하의 그래프를 제시한다. 작은 양의 미끄럼일지라도 보다 낮은 압력 저하 및 보다 가파른 기울기를 초래한다 (뉴튼 유체에 대한 기울기는 1이다). 제 12 도는 낮은 혼합기 RPM(2000 이하)에서 취해진 데이타를 제시한다. 유속이 0.8 1b/분으로 상승되었을 때, 미끄럼 층은, 도면내 5 개의 연속적인 압력 저하의 측정 값에 의해 알 수 있는 압력 저하 변동에 의해 제시되는 바와 같이 전개된다. 그리하여, 점도 또는 헤드 압력은 미끄럼의 존재에 대한 민감한 지수이며, 따라서 계면활성제의 변화를 나타낼 수 있다.
[모세관 압력 저화와 헤드 압력의 상호 연관성]
제13도는 1700-350O RPM 범위에 걸친 헤드 압력 대 모세관 압력을 보여 주고 있다. 헤드 압력은 압력 저하와 밀접히 관련되어 있고 수용가능한 공정 성질 지수로서 사용될 수 있다. 상기는 장비에 있어서 점도 보다 간단한 이점을 갖는다.
헤드 압력에 대한 점도의 이점은 (1) 점도는 두 개의 독립적인 매개 변수(수준 및 기울기)를 제공할 수 있고 (2) 점도는 물질에 대해 고유하고 특정 혼합 헤드에 무관하며, 따라서 전개 작업에 보다 유용할 수 있고 헤드 마모 및 에멀션 축적에 따른 변이에 영향을 받지 않는 것이다. 혼합 헤드 내 에멀션 축적이 변하여 헤드 압력 변화를 초래할 수 있지만 에멀션 특성의 변화는 초래하지 않는다는 것이 증명되었다. 혼합 헤드의 압력 저하 측정값 다운 스트림은 상기 유형의 변이에 영향을 받지 않는다.

Claims (12)

  1. 에멀션이 지수 법칙 유체로서 행동하는 에멀션 공정에서 지수 법칙점도 매개 변수를 결정하는 인-라인 장치로서: 오일 상 및 물 상을 수용하고 상기 상들을 에멀션으로 전환시키는 혼합기; 상기 오일 상을 상기 혼합기에 주입하는 수단; 상기 물 상을 상기 혼합기에 주입하는 수단; 상기 혼합기의 에멀션 생성물을 수용하는 두 개 이상의 다른 직경을 갖는 세그먼트로 구성된 모세관 수단; 상기 모세관 수단 내에서 상기 에멀션을 일정한 온도에 유지하는 수단; 상기 다른 직경 모세관 세그먼트 각각의 선택된 길이에서의 압력 저하를 측정하는 수단; 상기 에멀션 유속을 측정하는 수단; 및 상기 에멀션의 매개 변수를 계산하는 컴퓨터 수단으로 구성되는 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 계산된 매개 변수가 점도인 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 계산된 매개 변수가 지수 법칙 지수인 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합기에서의 압력 저하를 측정하는 수단을 더 포함하는 장치.
  5. 지수 법칙 유체로서 행동하는 에멀션에 대한 지수 법칙 점도 매개 변수를 결정하는 방법으로서, 하기 단계로 구성되는 방법: 오일 상을 혼합기에 주입하고; 물 상을 상기 혼합기에 주입하고; 상기 오일 상 및 상기 물 상을 상기 혼합기 내에서 합하여 에멀션을 생성하고; 상기 혼합기의 에멀션 생성물을 수용하는, 다른 직경의 세그먼트를 갖는 모세관을 제공하고; 상기 에멀션이 상기 모세관을 통해 흐를 때 그를 예정된 온도에 유지하고; 상기 다른 직경 세그먼트 각각의 선택된 길이에서의 압력 저하를 측정하고; 상기 모세관을 통과하는 상기 에멀션의 유속을 측정하고;및
    하기 방정식을 사용하여 상기 에멀션의 지수 법칙 점도 매개 변수 μo및 n을 계산한다.
    (식에서은 파스칼/m 단위로 모세관 단위 길이당 압력 저하이고, Qc는 m3/초 단위로 에멀션 부피 유속이고, n은 지수 법칙 지수이고, R은 m 단위로 모세관 반경이고, μo은 파스칼-초 단위로 1/초 전단에서 에멀션 점도이다).
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 혼합기에서의 압력 저하를 측정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 일정 기간의 시간에 걸쳐 상기 측정 및 계산을 주기적으로 반복하는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 일정 기간의 시간에 걸친 상기 혼합기 압력 시간을 도표화하고; 상기 일정 기간의 시간에 걸친 상기 계산된 점도 대 시간을 도표화하고; 및 상기 도표들을 비교하여 상기 혼합기의 조건을 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 일정 기간의 시간에 걸친 상기 혼합기 압력 대 시간을 도표화 하고; 상기 일정 기간의 시간에 걸친 상기 모세관 중 하나에서의 상기 압력 저하 대 시간을 도표화하고; 및 상기 도표들을 비교하여 상기 에멀션의 특징을 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 시간의 기간에 걸친 상기 혼합기 압력 대 시간을 도표화하고; 상기 시간의 기간에 걸친 상기 모세관 중 하나에서의 상기 압력 저하대
    시간을 도표화하고; 및 상기 도표들을 비교하여 상기 혼합기의 조건을 결정하는 단계를 더 포함 하는 방법.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 혼합기 압력 측정으로부터 이슬이 존재하는지 또는 존재하지 않는지를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 하기의 단계로 구성되는 다공성 교차-결합 중합체 물질의 제조방법: (a) 물 및 전해질을 포함하는 물 상을 제공하는 단계; (b) 하나 이상의 비닐 단량체를 포함하는 중합가능한 단량체들의 혼합물 및 교차결합제를 포함하는 오일 상을 제공하는 단계; (c) 물상, 오일상, 또는 상기 물 상 및 오일 상 둘 모두에 계면 활성제를
    제공하는 단계; (d) 에멀션 기준으로 90 중량% 이상의 물을 내부상으로 갖는 에멀션을 생성하기에 효과적인 조건하에서 상기 물 상 및 오일 상을 혼합기에서 섞어 혼합하는 단계; (e) 서로 다른 반경의 세그먼트들을 포함하는, 상기 혼합기의 에멀션 유출의 회수를 위한 모세관을 제공하는 단계; (f) 상기 모세관을 거쳐 흘러 모세관을 통해 유출되는 동안 미리 설정된 온도에서 상기 에멀션을 유지하는 단계; (g) 상기 서로 다른 반경의 세그먼트 각각의 선택된 길이를 지나는 압력 저하를 측정하는 단계; (h) 다공성 교차-결합된 중합체 물질의 생성을 위한 작동조건의 조절에 상기 압력 저하를 이용하는 단계; (i) 중합가능한 단량체의 경화를 위해 상기 오일 상, 물 상 또는 에멀션의 적어도 일부에 중합 촉매의 효과량을 첨가하는 단계; (j) 상기 중합가능한 단량체를 경화하기에 효과적인 조건하에서 상기 모세관 유출로부터 상기 에멀션을 중합하는 단계; (k) 상기 경화된 에멀션으로부터 적어도 일부의 물을 제거하는 단계.
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