聚乙烯樹(shù)脂密度測(cè)試準(zhǔn)確度的影響因素分析

徐曉巍

( 東莞巨正源科技有限公司，廣東 東莞 5239882)

聚乙烯是一種產(chǎn)量最大、用途廣泛的熱塑性通用塑料。 在工藝生產(chǎn)中主要通過(guò)調(diào)節(jié)碳四和碳二的比率、反應(yīng)溫度、氫氣比率等各種操作參數(shù)來(lái)調(diào)控密度的大小，工藝操作工必須根據(jù)化驗(yàn)分析的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整各參數(shù)，從而才能準(zhǔn)確控制所生產(chǎn)的牌號(hào)產(chǎn)品的密度的大小，因此對(duì)密度測(cè)試的準(zhǔn)確度直接關(guān)系和影響到工藝操作的準(zhǔn)確性及產(chǎn)品的質(zhì)量。為此，本文不但從理論上解釋了樹(shù)脂的結(jié)晶度對(duì)密度的性能的影響以及影響聚合物結(jié)晶度的因素，并且通過(guò)試驗(yàn)分析在聚乙烯密度測(cè)試過(guò)程中影響測(cè)試準(zhǔn)確度的主要因素，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)加熱工具作了改進(jìn)，能準(zhǔn)確控制水煮樣條的時(shí)間并節(jié)約人力，具有安全性等優(yōu)點(diǎn)。

1 理論部分

1.1 結(jié)晶度對(duì)密度性能的影響

聚合物的結(jié)晶意味著分子鏈已經(jīng)排列規(guī)整并有緊密的構(gòu)型，此時(shí)結(jié)晶后的聚合物分子間作用力強(qiáng)，所以密度將隨結(jié)晶程度的增大而增大[1]。

1.2 影響聚合物結(jié)晶度的因素

（1）內(nèi)因

內(nèi)因主要是由于高分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，對(duì)稱性不同，則高分子間的作用力不同，結(jié)晶能力也不同。高分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，對(duì)稱性越高，取代基越小，分子鏈越柔順，也越易結(jié)晶；高分子鏈間作用力大，則有利于分子鏈斂集緊密，有利于結(jié)晶；高分子的相對(duì)分子質(zhì)量越低，越易結(jié)晶；高分子鏈的幾何形狀不同，其結(jié)晶能力也不同，其中線型的結(jié)晶能力大，支鏈型的次之，交鏈型的難于結(jié)晶。

（2）外因

外因主要是受熔融溫度、熔融時(shí)間、冷卻速度、壓力等因素的影響，其中冷卻速度和壓力對(duì)結(jié)晶度的影響都較大，因此對(duì)密度的影響也較大，見(jiàn)圖1（冷卻速度對(duì)結(jié)晶度的影響）和圖2（壓力對(duì)結(jié)晶度的影響）[2]。

圖1 冷卻速度對(duì)結(jié)晶的影響（材料PE）

圖2 壓力對(duì)結(jié)晶的影響（材料PE）

從圖1 可以看出，隨著冷卻速度的提高，聚合物結(jié)晶時(shí)間縮短，結(jié)晶溫度降低，結(jié)晶度減小，則聚合物的密度也隨著減小。從圖2 看出，壓力增大，聚合物的結(jié)晶溫度將會(huì)有所提高，結(jié)晶度將隨之增大，密度也相應(yīng)增大。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.2 儀器與試劑

恒溫水浴：溫度波動(dòng)不大于±0.1 ℃。

密度計(jì)：刻度范圍在0.900 0～0.980 0 g/cm3，分度為0.001 g/cm3。

標(biāo)準(zhǔn)玻璃浮子：5mm 直徑，經(jīng)過(guò)精密校正計(jì)量，覆蓋被測(cè)樹(shù)脂密度的范圍。

鋒利的小刀：切取樣條或樣片。

配管裝置：三角錐型瓶、磁力攪拌器等。

分析純異丙醇。

蒸餾水。

2.2 測(cè)試原理

密度梯度管法是目前國(guó)際上最簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的一種測(cè)定聚乙烯密度的方法，其原理是：將兩種（異丙醇和水）密度不同而又能相互混合的液體進(jìn)行適當(dāng)?shù)鼗旌希捎跀U(kuò)散作用使混合后的液體從上到下的密度逐漸增大，且連續(xù)分布形成梯度，而后根據(jù)懸浮原理將標(biāo)準(zhǔn)浮子放入梯度管中，待浮子達(dá)到平衡后，利用浮子在梯度柱中所在的高度繪制一條浮子密度— 浮子高度的工作曲線，然后試樣是根據(jù)樣品高度與密度成一定范圍的線性關(guān)系，在已經(jīng)繪制好的密度— 高度曲線上，根據(jù)樣品的位置即可讀出相應(yīng)的密度。

2.3 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與方法

采用GB/T 1033《塑料密度和相對(duì)密度試驗(yàn)方法》中D 法[3]

2.4 密度梯度管的配制及校準(zhǔn)

（1）用異丙醇和蒸餾水按照一定比例配置密度不同的兩種混合液體，即輕液和重液，這兩種混合液的密度要覆蓋所需測(cè)試的密度的范圍。

（2）按照方法規(guī)定裝配好各裝置，將輕重液引入密度梯度管中。

（3）將標(biāo)定的玻璃浮子放入配好的梯度管中。

（4）穩(wěn)定24 h 后，畫(huà)出浮子密度對(duì)高度的曲線，得到一條平滑的、單調(diào)的、拐點(diǎn)不多于一個(gè)的曲線，否則梯度管將被廢棄，需重新配置。

2.5 制樣方式

（1）水煮方式：采用測(cè)試熔體流動(dòng)速率時(shí)擠出的料條作為密度測(cè)試試樣，放置于400 mL 的沸水中煮沸30 min，待自然冷卻到室溫后測(cè)試。

（2）壓片方式：將裝有一定量的PE 樹(shù)脂的模板放置于一定溫度（密度小于等于0.940 g/cm3時(shí)溫度為150±5 ℃；密度大于等于0.941 g/cm3時(shí)溫度為175±5 ℃）下的壓片機(jī)上，先施低壓（22 kW）5 min，再施高壓（130 kW）3 min，然后以15±2 ℃/min 的冷卻速度均勻降溫到規(guī)定溫度，然后再讓其在室溫下冷卻到室溫, 切取一定大小和形狀的樣品進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 環(huán)境溫度對(duì)準(zhǔn)確度的影響

當(dāng)環(huán)境溫度在實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溫度23±2 ℃的范圍內(nèi)時(shí),所測(cè)結(jié)果基本與標(biāo)準(zhǔn)值相穩(wěn)合, 而當(dāng)溫度不在這個(gè)范圍內(nèi), 較低或較高時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)值相差較大, 超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)所允許的±0.000 3 g/cm3的誤差范圍, 影響了分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3.2 冷卻方式對(duì)準(zhǔn)確度的影響

冷卻速度由冷卻的方式?jīng)Q定，我們可以選擇的冷卻方式有：

（1）在冷水中快速冷卻。

（2）將樣條從加熱的燒杯中撈出置于空氣中冷卻。

（3）讓樣條在燒杯中自然冷卻到室溫。為了節(jié)約時(shí)間，試圖采用前兩種方式，但最終的測(cè)試結(jié)果都偏低，幾種冷卻方式的測(cè)試結(jié)果對(duì)照。

采用C 方式的結(jié)果比較接近標(biāo)準(zhǔn)值，誤差在允許的0.000 3 g/cm3范圍內(nèi)[3]，而對(duì)于A 和B 法，所測(cè)的結(jié)果的誤差都大于0.000 3 g/cm3，這是因?yàn)閷?duì)于前兩種方式，冷卻速度較快，結(jié)晶度變小，相應(yīng)其密度偏小，因此采取C 方式冷卻合理。

3.3 壓片的溫度、壓力、冷卻速率對(duì)準(zhǔn)確度的影響

隨著壓力的增大，密度也增大，這可由圖2 壓力與密度的關(guān)系圖得到解釋，當(dāng)壓力增大時(shí)，結(jié)晶的程度變大，故密度偏大，因此，我們?cè)趬浩瑫r(shí)要嚴(yán)格按照方法中規(guī)定的壓力進(jìn)行，不得隨意調(diào)整壓力。

3.4 樣條在水中煮的時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)準(zhǔn)確度的影響

對(duì)用水煮法處理樣條時(shí)當(dāng)樣條在水中煮的時(shí)間的長(zhǎng)短不同時(shí)，也會(huì)對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確度造成影響。

樣條在煮的時(shí)間越短，密度偏小；煮的時(shí)間越長(zhǎng)，密度偏大。只有當(dāng)樣條在水中煮的時(shí)間按標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的30 min，所測(cè)的結(jié)果才與標(biāo)樣值差別最小（最大±0.000 2）。這是因?yàn)闃訔l在水中煮的時(shí)間越長(zhǎng)，結(jié)晶的程度越大，因此密度也偏大。鑒于此，改用電磁爐取代傳統(tǒng)的電爐作為加熱工具來(lái)煮樣條，不但能準(zhǔn)確控制煮樣條的時(shí)間，而且安全耐用。

用電磁爐作為加熱工具與用電爐作為加熱工具的分析結(jié)果基本穩(wěn)合，兩者的差值完全在允許值±0.000

3 的范圍內(nèi)。

3.5 其他影響測(cè)試準(zhǔn)確度的因素（此處不再一一討論）

選擇從熔指儀擠出的料條時(shí)，應(yīng)選擇粗細(xì)均勻光滑無(wú)氣泡的，并且最好是正式測(cè)量發(fā)生位移而擠出的這一段料條。

選擇模片時(shí)應(yīng)選清潔無(wú)空隙且較規(guī)則的面。

要按規(guī)定剪切樣條和模片，剪切面必須光滑整齊無(wú)碎裂片，樣條應(yīng)切5～6 mm，不得超過(guò)1 mm ；模片切約6×6 mm 大小 。

嚴(yán)格控制水浴的溫度在23±0.1 ℃，否則，溫度變化將使密度曲線波動(dòng)，線形遭到破壞。

樣條在梯度液中的平衡時(shí)間，方法要求是放入樣條30 min 后讀數(shù)，如果時(shí)間太短，會(huì)使結(jié)果偏小；如果時(shí)間太長(zhǎng)，結(jié)果將偏大。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先用高分子物理學(xué)闡述了聚乙烯樹(shù)脂結(jié)晶度與其密度之間的關(guān)系，并通過(guò)試驗(yàn)從環(huán)境溫度，水煮時(shí)間，冷卻速度，壓片溫度等方面，分析影響聚乙烯樹(shù)脂密度測(cè)試準(zhǔn)確度的主要因素，進(jìn)一步證明了在環(huán)境溫度23±2 ℃，樣條水煮30 min 后樣條在燒杯中自然冷卻方式及用壓片法制樣過(guò)程中，壓力為A( 低壓25 kW, 高壓135 kW) ；B( 低壓30 kW，高壓140 kW) ；C( 低壓22 kW，高壓130 kW) 等條件下，是測(cè)試密度的最佳條件；另外本文改用電磁爐取代傳統(tǒng)的電爐作為加熱工具，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)說(shuō)明，用電磁爐代替明火電爐其方法可靠，既安全又節(jié)約人力和時(shí)間，改用電磁爐取代傳統(tǒng)的電爐作為加熱工具，具有創(chuàng)新性。因此值得同行在聚乙烯密度測(cè)試中學(xué)習(xí)借鑒和推廣。