聚乙烯樹脂密度測試準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)

聚乙烯是一種產量最大、用途廣泛的熱塑性通用塑料。 在工藝生產中主要通過調節碳四和碳二的比率、反應溫度、氫氣比率等各種操作參數來調控密度的大小，工藝操作工必須根據化驗分析的數據來調整各參數，從而才能準確控制所生產的牌號產品的密度的大小，因此對密度測試的準確度直接關系和影響到工藝操作的準確性及產品的質量。為此，本文不但從理論上解釋了樹脂的結晶度對密度的性能的影響以及影響聚合物結晶度的因素，并且通過試驗分析在聚乙烯密度測試過程中影響測試準確度的主要因素，同時對傳統加熱工具作了改進，能準確控制水煮樣條的時間并節約人力，具有安全性等優點。

1 理論部分

1.1 結晶度對密度性能的影響

聚合物的結晶意味著分子鏈已經排列規整并有緊密的構型，此時結晶后的聚合物分子間作用力強，所以密度將隨結晶程度的增大而增大[1]。

1.2 影響聚合物結晶度的因素

（1）內因

內因主要是由于高分子鏈的化學結構不同，對稱性不同，則高分子間的作用力不同，結晶能力也不同。高分子鏈的化學結構越簡單，對稱性越高，取代基越小，分子鏈越柔順，也越易結晶；高分子鏈間作用力大，則有利于分子鏈斂集緊密，有利于結晶；高分子的相對分子質量越低，越易結晶；高分子鏈的幾何形狀不同，其結晶能力也不同，其中線型的結晶能力大，支鏈型的次之，交鏈型的難于結晶。

（2）外因

外因主要是受熔融溫度、熔融時間、冷卻速度、壓力等因素的影響，其中冷卻速度和壓力對結晶度的影響都較大，因此對密度的影響也較大，見圖1（冷卻速度對結晶度的影響）和圖2（壓力對結晶度的影響）[2]。

圖1 冷卻速度對結晶的影響（材料PE）

圖2 壓力對結晶的影響（材料PE）

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

2 實驗部分

2.2 儀器與試劑

恒溫水浴：溫度波動不大于±0.1 ℃。

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

標準玻璃浮子：5mm 直徑，經過精密校正計量，覆蓋被測樹脂密度的范圍。

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 測試原理

密度梯度管法是目前國際上最簡單、快速、準確的一種測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行適當地混合，由于擴散作用使混合后的液體從上到下的密度逐漸增大，且連續分布形成梯度，而后根據懸浮原理將標準浮子放入梯度管中，待浮子達到平衡后，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，然后試樣是根據樣品高度與密度成一定范圍的線性關系，在已經繪制好的密度— 高度曲線上，根據樣品的位置即可讀出相應的密度。

2.3 測試標準與方法

采用GB/T 1033《塑料密度和相對密度試驗方法》中D 法[3]

2.4 密度梯度管的配制及校準

（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試的密度的范圍。

（2）按照方法規定裝配好各裝置，將輕重液引入密度梯度管中。

（3）將標定的玻璃浮子放入配好的梯度管中。

（4）穩定24 h 后，畫出浮子密度對高度的曲線，得到一條平滑的、單調的、拐點不多于一個的曲線，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：采用測試熔體流動速率時擠出的料條作為密度測試試樣，放置于400 mL 的沸水中煮沸30 min，待自然冷卻到室溫后測試。

（2）壓片方式：將裝有一定量的PE 樹脂的模板放置于一定溫度（密度小于等于0.940 g/cm3時溫度為150±5 ℃；密度大于等于0.941 g/cm3時溫度為175±5 ℃）下的壓片機上，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行測試。

3 結果與討論

3.1 環境溫度對準確度的影響

當環境溫度在實驗標準溫度23±2 ℃的范圍內時,所測結果基本與標準值相穩合, 而當溫度不在這個范圍內, 較低或較高時與標準值相差較大, 超過了標準所允許的±0.000 3 g/cm3的誤差范圍, 影響了分析結果的準確度。

3.2 冷卻方式對準確度的影響

冷卻速度由冷卻的方式決定，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。為了節約時間，試圖采用前兩種方式，但最終的測試結果都偏低，幾種冷卻方式的測試結果對照。

采用C 方式的結果比較接近標準值，誤差在允許的0.000 3 g/cm3范圍內[3]，而對于A 和B 法，所測的結果的誤差都大于0.000 3 g/cm3，這是因為對于前兩種方式，冷卻速度較快，結晶度變小，相應其密度偏小，因此采取C 方式冷卻合理。

3.3 壓片的溫度、壓力、冷卻速率對準確度的影響

隨著壓力的增大，密度也增大，這可由圖2 壓力與密度的關系圖得到解釋，當壓力增大時，結晶的程度變大，故密度偏大，因此，我們在壓片時要嚴格按照方法中規定的壓力進行，不得隨意調整壓力。

3.4 樣條在水中煮的時間長短對準確度的影響

對用水煮法處理樣條時當樣條在水中煮的時間的長短不同時，也會對結果的準確度造成影響。

樣條在煮的時間越短，密度偏小；煮的時間越長，密度偏大。只有當樣條在水中煮的時間按標準中規定的30 min，所測的結果才與標樣值差別最小（最大±0.000 2）。這是因為樣條在水中煮的時間越長，結晶的程度越大，因此密度也偏大。鑒于此，改用電磁爐取代傳統的電爐作為加熱工具來煮樣條，不但能準確控制煮樣條的時間，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果基本穩合，兩者的差值完全在允許值±0.000

3 的范圍內。

3.5 其他影響測試準確度的因素（此處不再一一討論）

選擇從熔指儀擠出的料條時，應選擇粗細均勻光滑無氣泡的，并且最好是正式測量發生位移而擠出的這一段料條。

選擇模片時應選清潔無空隙且較規則的面。

要按規定剪切樣條和模片，剪切面必須光滑整齊無碎裂片，樣條應切5～6 mm，不得超過1 mm ；模片切約6×6 mm 大小 。

嚴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，線形遭到破壞。

樣條在梯度液中的平衡時間，方法要求是放入樣條30 min 后讀數，如果時間太短，會使結果偏小；如果時間太長，結果將偏大。

4 結束語

本文首先用高分子物理學闡述了聚乙烯樹脂結晶度與其密度之間的關系，并通過試驗從環境溫度，水煮時間，冷卻速度，壓片溫度等方面，分析影響聚乙烯樹脂密度測試準確度的主要因素，進一步證明了在環境溫度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，是測試密度的最佳條件；另外本文改用電磁爐取代傳統的電爐作為加熱工具，通過實驗對比數據說明，用電磁爐代替明火電爐其方法可靠，既安全又節約人力和時間，改用電磁爐取代傳統的電爐作為加熱工具，具有創新性。因此值得同行在聚乙烯密度測試中學習借鑒和推廣。