熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動速率測量結(jié)果的不確定度評定

尹文華，劉曉丹，馮志新

( 廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665)

熔體質(zhì)量流動速率(MFR)為熱塑性塑料的重要技術(shù)指標(biāo)，可以了解分子量及其分布，交聯(lián)程度，加工性能等。對于生產(chǎn)企業(yè)，可指導(dǎo)生產(chǎn)、加工和成型過程中原料及制品的質(zhì)量控制、工藝選擇、分子參數(shù)的研究等。因此準(zhǔn)確測量熱塑性樹脂的MFR 十分重要。GB/T 3682 －2000［1］中將熔體流動速率分為熔體質(zhì)量流動速率和熔體體積流動速率，常用的是熔體質(zhì)量流動速率。筆者以聚苯乙烯樹脂為例，依據(jù)JJF 1059.1 －2012［2］對熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動速率測量的不確定度進(jìn)行評估，確定影響測量的主要因素，可以減少人為誤差，以提高M(jìn)FR 的檢測水平。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 測量方法

熔體質(zhì)量流動速率是指熱塑性塑料在一定溫度和負(fù)荷下，熔體每10min 通過標(biāo)準(zhǔn)口模的質(zhì)量。按照GB/T 3682 －2000 方法A 進(jìn)行測定，結(jié)果最少由三條切斷樣條計(jì)算給出。

1.2 主要儀器與材料

熔體流動速率儀，XNR －400D，承德市金建檢測儀器有限公司;電子天平，BS224S，塞多利斯科學(xué)儀器，分辨力:0.1mg，允差:±0.5mg。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

溫度:200℃;負(fù)荷:5.00kg;口模內(nèi)徑:2.095mm;切樣時(shí)間:5s。

1.4 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)GB/T 3682 －2000，由式(1)計(jì)算出熔體質(zhì)量流動速率(MFR)。

式中:MFR—熔體質(zhì)量流動速率，g·(10min)－1;m—切取樣條質(zhì)量的算術(shù)平均值，g;t—切樣時(shí)間間隔，s。

由于式(1)只涉及到m 和t 這兩個(gè)影響熔體質(zhì)量流動速率的因素，為便于對熔體質(zhì)量流動速率測量不確定度的各個(gè)因素進(jìn)行評定，對公式(1)進(jìn)行了推導(dǎo)，由文獻(xiàn)［3］可知:

式中:D—活塞頭直徑，本實(shí)驗(yàn)為9.5mm;L—活塞下降距離，mm;ρm—熔體密度，g/cm3;K—口模系數(shù)，g·mm2;F—負(fù)荷，g;d—標(biāo)準(zhǔn)口模內(nèi)徑，本儀器為2.095mm。

由式(1)～(3)推導(dǎo)得:

式中:C—由負(fù)荷、口模和溫度決定的量，在本試驗(yàn)條件下C 值為0.0272。

2 測量不確定度的來源

熔體質(zhì)量流動速率MFR 測量結(jié)果不確定度來源主要包括:(1)測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA1，采用A 類方法評定;(2)溫度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB1，采用B 類方法評定;(3)負(fù)荷引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB2，采用B 類方法評定;(4)口模內(nèi)徑引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB3，采用B 類方法評定;(5)切樣時(shí)間引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB4，采用B 類方法評定;(6)樣條稱量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB5，采用B類方法評定。

3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

在同一試驗(yàn)條件下，熔體質(zhì)量流動速率MFR 檢測進(jìn)行共30 次，得到測量列如表1 所示。

表1 熔體質(zhì)量流動速率檢測原始數(shù)據(jù)Table 1 The original data of MFR

續(xù)表1

表1 中單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差使用貝塞爾公式計(jì)算:

3.1 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA

依GB/T 3682 －2000 規(guī)定，測量結(jié)果最少由三條切斷樣條的質(zhì)量給出，在平常實(shí)際操作過程中，通常取五條參與MFR 的結(jié)果計(jì)算。本例中，我們選取第一組5個(gè)數(shù)據(jù)由式(1)計(jì)算出熔體質(zhì)量流動速率MFR 的算術(shù)平均值:

因?yàn)闇y量結(jié)果是由5 次切樣的平均值給出，所以MFR 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

3.2 溫度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB1

JJG 878－2005［4］規(guī)定溫度的相對誤差在±0.5℃以內(nèi)，在同一實(shí)驗(yàn)條件(同一負(fù)荷、同一口模、同一切樣時(shí)間、同一天平秤量)選取199.5℃、200℃和200.5℃這3個(gè)溫度點(diǎn)分別對樣品的熔體質(zhì)量流動速率進(jìn)行測定，測定結(jié)果列于表2。199.5℃和200.5℃測定結(jié)果的平均值與200℃測定結(jié)果的平均值的最大偏差為0.091g·(10min)－1。按均勻分布處理，取則最大不確定度0.0525g·(10min)－1。

表2 溫度波動引起的不確定度Table 2 The measurement uncertainty of temperature fluctuation

3.3 負(fù)荷引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB2

JJG 878 －2005 規(guī)定負(fù)荷的相對誤差在±0.5%以內(nèi)，取最大誤差值為負(fù)荷的不確定度，由負(fù)荷引起的不確定度按式(5)計(jì)算:

3.4 口模內(nèi)徑引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB3

JJG 878 － 2005 規(guī)定口模內(nèi)徑的相對誤差在±0.005mm 以內(nèi)，取最大誤差值為口模內(nèi)徑的不確定度，不確定度按式(6)計(jì)算:

3.5 切樣時(shí)間引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB4

切樣時(shí)間一般是通過秒表或計(jì)時(shí)器控制，該熔體流動速率儀自帶計(jì)時(shí)和自動切樣功能，經(jīng)上級計(jì)量部門檢定合格。JJG 878 －2005 規(guī)定記錄切樣時(shí)間的相對誤差在±0.3%以內(nèi)，以最大誤差作為切樣時(shí)間的不確定度，按式(7)計(jì)算:

3.6 樣條稱量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB5

樣條的質(zhì)量通過電子天平進(jìn)行稱量，JJG 878 －2005 規(guī)定稱量天平的分度值為0.5mg，由天平稱量引起不確定度按式(8)計(jì)算:

4 合成不確定度評定

表3 給出了不確定度匯總。

表3 熔體質(zhì)量流動速率測量不確定度匯總表Table 3 The summarize of MFR measurement uncertainties

5 擴(kuò)展不確定度評定

取包含因子k =2，熔體質(zhì)量流動速率MFR 測量的相對擴(kuò)展不確定度:

6 不確定度報(bào)告

熔體質(zhì)量流動速率MFR 測量結(jié)果為7.162g·(10min)-1，其擴(kuò)展不確定度為:

7 結(jié)語

由以上分析可知，熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動速率測量不確定度主要來源于測量重復(fù)性、樣條稱量、溫度、負(fù)荷及切樣時(shí)間等。其中，測量重復(fù)性對測量結(jié)果的影響最大，其次是樣條稱量及溫度。因此，依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，仔細(xì)操作是對一個(gè)測試人員的基本要求。

［1］GB/T3682 -2000 熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動速率和熔體體積流動速率的測定［S］.

［2］JJF 1059.1 -2012 測量不確定度評定與表示［S］.

［3］太玉興，王力風(fēng)，周克堯，等. 微機(jī)控制全自動熔體流動速率測試［J］. 工程塑料應(yīng)用，1991(2):28 -32.

［4］JJG 878 -2005 熔體流動速率儀檢定規(guī)程［S］.