采用DSC快速測試聚乙烯密度的方法

金 毅

（中國石油大慶石化公司質量檢驗中心，黑龍江大慶，163714）

近年來聚乙烯產業快速發展，隨著聚乙烯產能的急劇釋放，市場上同質牌號增多，市場競爭局面日趨激烈，迫切需要提升聚乙烯產品質量，開發高端牌號產品，提高聚乙烯的競爭力。

密度是聚乙烯物理性質的重要指標，可用來衡量短支鏈水平，是評價聚乙烯產品性能與結構之間關系，指導生產及加工工藝的重要參數之一［1］。快速準確的測定聚乙烯密度對控制生產工藝和描述這種材料非常關鍵。

目前測試聚乙烯密度最常用的方法是密度梯度法。但是該方法所用的梯度液的配置相對繁瑣，并且測試觀測耗時長，不利于生產工藝的快速控制和調整［2］。

利用密度梯度儀和差示掃描量熱儀測試一系列聚乙烯的密度和結晶度，通過數據分析和擬合處理，建立快速測試聚乙烯密度的方法，該方法快速、準確，可為聚烯烴科研和工業生產提供準確可靠分析數據。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚乙烯：1～6，9、10、11、18，大慶石化公司；7，上海石化公司；8、12～17，進口。

1.2 主要儀器與設備

差示掃描量熱儀（DSC）：Q2000，美國TA公司。密度梯度儀：6001，CEAST公司。

1.3 測試與表征

GB/T 1033.2-2010塑料非泡沫塑料密度的測定第2部分：密度梯度柱法；

GB/T 19466.3-2004塑料差示掃描量熱法（DSC）第3部分：熔融和結晶溫度及熱焓的測定。

2 實驗過程

2.1 用DSC法測試結晶度

測試條件：氮氣（分析級），流速：50 mL/min（1±10%），試樣量：5～10 mg。測試方法：以10℃/min的速率開始記錄升溫，將試樣皿加熱到高于熔融外推終止溫度約30℃，保持溫度5 min；以10℃/min的速率進行降溫并記錄，直到比預期的結晶外推終止溫度低約50℃，保持溫度5 min；以10℃/min的速率進行第2次升溫并記錄，加熱到比熔融外推終止溫度高約30℃將儀器冷卻到室溫。從曲線中讀出聚合物的熔融峰溫和熔融焓，用熔融焓根據公式（1）計算結晶度：

式中Xc—結晶度(單位用百分表示)，ΔHm—聚乙烯樣品的熔融熱，ΔH0m—100%結晶聚乙烯的熔融熱焓，其中H0=293 J/g［3～4］。

2.2 用密度梯度柱測密度

恒溫浴的溫度設定在23℃±0.1℃，選定3個已經預處理過的試樣，用異丙醇浸濕后，輕放入以恒溫的梯度柱內。

穩定30 min，位置趨于平衡，測量試樣幾何中心的高度，將試樣的高度對應到已經繪制好的梯度液密度浮子曲線上，高度與曲線的交叉點，對應的密度就是試樣的密度，結果取3個試樣的算術平均值。

3 實驗結果

3.1 DSC測試分析結果

用差示掃描量熱儀測聚乙烯的熔融焓，再計算出聚乙烯樣品的結晶度，計算結果見表1。

表1 聚乙烯試樣的密度與結晶度測試結果

從表1可以看出，不同密度的聚乙烯產品，隨著密度的增加，熔點、熔融熱都隨之增加。

聚合物的聚集態中同時存在著結晶部分和非晶部分，并且2區域并無明顯界限，結晶區也并非完全結晶，晶區內往往包含了少量的非晶態。采用密度法測試聚乙烯的密度時，恰是忽略了晶態顆粒中的非晶部分［5］。

采用DSC所測的結晶度Xc與密度ρ有著良好的線性關系，回歸系數：R2=0.999 96線性方程：

3.2 應用研究

選取了不同共單體類型、不同催化劑體系以及不同生產公司的聚乙烯樣品，用DSC法測試其結晶度，并通過公式（2）計算相應的密度，與密度梯度法測試的密度進行比對，實驗結果見表2。

表2 聚乙烯試樣的測試密度與結晶度計算出密度的結果

由表2可見，密度差值（ρ-ρ1）的絕對值最大為0.000 6，在密度測試的誤差范圍內，因此，采用DSC法分析得到的結晶度Xc，根據結晶度與密度的擬合曲線（圖1）可以得出相對準確的密度值。

4 結束語

（1）由DSC所得的結晶度Xc與密度梯度儀所得的聚乙烯樣品的密度有著良好的線性關系，擬合方程（2），回歸系數為0.999 6。

（2）建立了聚乙烯結晶度和密度的對應關系，可快速分析未知的樣品的密度和結晶度。僅通過DSC試驗就可以快速得到聚乙烯產品的密度和結晶度，能更好的更快速的服務生產。