體積法熔流儀的檢定及影響因素分析

蔡玉劍，胡錦靈

(無錫市計量測試院，江蘇 無錫 214101)

熔體流動速率儀(以下簡稱熔流儀)是用于測量熱塑性材料在給定的溫度、壓力下每10 min通過標準口模質量(熔體流動速率)的儀器[1]。它通常由料筒、活塞、口模、負荷、溫控系統、切樣裝置等幾部分組成。熔體流動速率根據測試方法的不同，可以分為熔體質量流動速率(MFR)和熔體體積流動速率(MVR)兩種。

密度天平是一類特殊的電子天平，通常在電子天平上增加浮子、托盤和掛鉤等組件，在空氣和液體中稱量2次獲得浮子的浮力，并通過力傳感器將浮子浮力轉變為電信號，由二次儀表顯示出密度值[2]。密度天平根據其待測物質的密度不同，選擇吊掛法或浸漬法兩種測試方法，目前采用浸漬法原理的專用密度天平或電子天平上增加密度組件被廣泛用于樣品的密度測試，此方法有成本低、測試快速、不使用有害試劑和數據準確等優點[3]。

根據JJG 878-1994《熔體流動速率儀檢定規程》技術要求，選擇采用熔體質量流動速率(MFR)作為計量指標，但是對于僅采用熔體體積流動速率作為計量結果的儀器而言，依據該規范就存在一定的局限性。由中國計量科學研究院定值、發布的聚乙烯(PE)標準物質，只包含MFR標準值，而未給出MVR標準值。因此，筆者在現場計量過程中，采用熔體體積流動速率與高精度密度天平相結合的辦法，比較精準的測量出聚乙烯的熔體質量流動速率(MFR),并簡要分析影響測量結果的四個主要因素。該方法測試簡單便捷，準確度相對較高，對JJG 878-1994《熔體流動速率儀檢定規程》具有一定的補充作用。

1 實 驗

1.1 主要儀器與試劑

BMF-005熔體流動速率儀，德國ZwickRoell公司；XS64密度天平，瑞士METTLER TOLEDO公司；BS2100S電子天平，德國sartorius公司；1502A精密測溫儀，美國FLUKE公司。

聚乙烯熔體流動速率標準物質：GBW(E)130098，MFR =7.30 g/10 min，擴展不確定度U=0.35 g/10 min(k=2)，由中國計量科學研究院認證。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 計量條件

熔流儀放置在環境清潔實驗室，工作平臺穩定，周圍無強空氣對流，無振動和磁場干擾，室內溫度22 ℃，相對濕度為55%。

1.2.2 計量要求

1.2.2.1 外觀要求

熔流儀外觀信息完整，料筒內壁光滑，無明顯劃痕和沾污；活塞無變形，活塞頭的端面平整、光滑無劃痕；活塞、口模與料筒之間緊密配合，活動自如，無卡滯現象；切樣部件靈活、準確，樣條切口整齊。

1.2.2.2 其余要求

根據JJG 878-1994的計量要求，檢測結果均符合該規程技術要求，具體檢測結果如表1所示。

表1 計量要求及檢測結果Table 1 Measurement requirements and test results

1.3 實驗方法

根據中國計量科學研究院提供的標準物質證書，聚乙烯熔體流動速率標準物質的使用方法如表2所示。

表2 測試條件Table 2 Test conditions

2 測試結果

2.1 熔體體積流動速率(MVR)的測量

按照JJG 878-1994中第16條測量精密度和準確度的實施方法，待儀器穩定190 ℃，恒溫十五分鐘，將稱量好的2.7 g聚乙烯標準物質加入料筒，并用活塞壓緊，裝料過程在1 min內完成，預熱4 min后，待活塞下降至下刻線與料口筒齊平，開始測量，儀器自動讀取MVR數據，具體結果如表3所示。

表3 熔體體積流動速率(MVR)的測量結果Table 3 Test results of MVR

2.2 聚乙烯標物密度的測量

首先利用精密天平稱量聚乙烯在空氣中的質量和在已知密度的純水中的質量，質量差就是由浮力造成的，其次通過兩者的質量差以及對空氣浮力修正，儀器自動計算出聚乙烯的密度。具體測量結果如表4所示。

表4 聚乙烯密度的測量結果Table 4 The density of polyethylene

2.3 熔體質量流動速率(MFR)

根據質量、體積、密度三者的關系，即m=ρ·v。因此可以推導出：熔體質量流動速率(MFR)為熔體體積流動速率(MVR)與聚乙烯密度(ρ)的乘積，即MFR=MVR·ρ。具體計算結果如表5所示。

表5 熔體質量流動速率(MFR)測量結果Table 5 Test results of MFR

依據JJG 878-1994《熔體流動速率儀檢定規程》技術要求，對熔流儀的測量準確度進行計算，公式如下：

經計算，該熔流儀使用聚乙烯進行計量檢定，準確度測量結果小于10%的技術要求，可判定為合格。

3 影響因素分析

由于檢測環境穩定，設備自動化測量，所以可認為影響熔體質量流動速率(MFR)測試結果的主要因素來源于熔體流動速率儀及密度天平，排除環境擾動和操作人員的影響。

3.1 熔流儀方面

測試前，依據JJG 878-1994的技術要求，對熔流儀的清潔、溫場、口模、負荷等影響因素首先進行測量，均符合技術要求，在此不做具體分析。

3.1.1 加料量

預熱時間是指被測樣品在料筒中充分熔融，但不出現交聯或降解現象需要的時間。時間短，被測樣品不能充分熔融；時間過長，被測樣品則可能出現交聯或降解等現象，影響聚合物的流動性[4]。而加料量的多少對預熱時間起決定作用。一般加料后用裝料桿將樣品壓實，并盡快完成，避免產生氣泡，如果擠出的樣條中產生氣泡會導致結果偏小，一般預熱4分鐘，加負荷，當活塞降至下刻線與料筒口齊平時，開始正式切樣。加料量的多少，決定了預熱時間的長短，預熱時間不足或過長，都會影響聚乙烯的流動性，進而影響測試結果。經多次測試，對該樣品加料量為2.7 g時，測試結果最接近標準值，準確度最高。

3.1.2 切樣間隔

對于體積法熔體流動速率儀而言，切樣間隔以活塞的下降距離進行設定，一般要求切樣間隔在2～10 mm之間。切樣間隔過長導致出口樣條過長，可能會因為重力原因拉伸試樣，使樣條被拉細；樣條過短，自動切樣裝置對其造成的切割誤差相對變大，也會影響測量結果。尤其重要的是，在測試密度時，樣條大小對密度測試結果影響極大，經多次測試，切樣間隔設定為5 mm時，樣條形狀良好，密度測量結果最為穩定、準確。

3.2 密度天平方面

3.2.1 樣品形狀

若熔流儀的切樣間隔確定在5 mm時，其樣條長度在 50 mm左右，直接置于密度天平凸型金屬托盤以下，容易碰觸容器四周，因此在切樣落入樣品盤時，盡快用鑷子將其擺成螺旋形，且彼此不黏連，待其降溫固化后，再置于密度天平金屬托盤以下，進行測量。此外，所采用的試樣須表面平整、清潔，內部無氣泡或雜質。

3.2.2 測試過程

在使用密度天平測量前先預熱，測定浸沒容器內純水的溫度，然后輸入儀器的參數設定中，以避免溫度對測試結果的影響。用鑷子將樣品從浸沒容器的邊緣放入浸漬液中避免產生氣泡，注意不要使樣品觸碰浸沒容器內壁，同時樣品與支架底部金屬網籃要對中，否則產生錯誤結果[5]。

4 結 論

該測試方法補充了JJG 878-1994《熔體流動速率儀檢定規程》中對體積法熔流儀計量方面的不足，體現了密度天平分析樣品時快速、高效的優勢，但是測試結果受切樣間隔、樣品形狀等因素的影響較大。因此，本文旨在提供一種測試思路，使用方選擇該方案進行計量檢定時，還需要進行不斷探索，篩選適合自身設備的測試條件。