兩種測試聚乙烯樹脂密度方法的比較

仵春祺 劉 新 李 強

( 1.中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司研究院資源評價研究所，獨山子 833699；2.中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司質量檢驗中心，獨山子 833699)

密度是區分聚乙烯樹脂產品的關鍵參數之一，常見的測定方法有浸漬法、比重瓶法、沉浮法、密度梯度柱法、密度計法等，密度梯度柱法是常用的測定聚乙烯樹脂密度的方法，也被規定為測定密度的仲裁方法。而密度天平法是與分析天平技術的快速發展密不可分，操作過程容易，分析結果準確。從分析測試的角度來說，需要全面考慮、控制與測試結果準確程度相關的因素，分析結果才能夠有可比性、一致性、準確性。實驗使用密度梯度柱法、密度天平法對聚乙烯樹脂的密度分別進行了分析，通過對數據的分析，得出重復性、再現性條件下的分析結果是一致的。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

1.1.1密度梯度柱法

由兩種液體組成的、密度從頂部到底部在一定范圍內均勻提高的液體柱。實驗中兩種液體是乙醇或異丙醇與水[1]。

1.1.2密度天平法

根據精密天平稱出的試樣在空氣中的質量與已知密度的參比液的質量進行對比，可以通過該天平測定產品的密度。當試樣被運用在一個特殊的臂上時儀器會自動地計算出密度。可以測固體，液體與粘稠物質的密度，應用阿基米德定律即對浸于液體中的任何物體所受到的浮力等于排開液體的質量。對于固體的密度測定最好選用必要的部件和輔助設施，可以方便準確的測出固體物質的密度。

1.2 儀器和主要試劑

1.2.1密度梯度柱法

密度梯度管(長度1000mm，帶有蓋子)；恒溫水浴(溫度波動不大于±0.1℃)；標準玻璃浮子:經過精確校正,密度范圍適合配制的密度梯度管的要求,能在密度梯度柱有效范圍內均勻分布的1套浮子(5～7個)；蒸餾水、乙醇或異丙醇(分析純)、線型低密度聚乙烯顆粒樣品。

1.2.2密度天平法

分析天平，精度0.01mg；恒溫水浴，控溫范圍：10～50℃，精度：0.1℃。

2 問題與討論

2.1 數據分析[2]

表1的數據是密度梯度柱法對標準浮子測試密度值準確度的情況，對高密度聚乙烯標準浮子和低密度聚乙烯標準浮子的結果可以看出偏差≤0.3kg/m3，相對偏差均≤0.03%。表2中的數據是使用密度天平法分別對高密度聚乙烯樹脂和低密度聚乙烯樹脂進行密度重復性測定，偏差均≤0.5kg/m3，相對偏差≤0.05%；表3中的數據是對相同樣品用密度梯度柱法和密度天平法進行密度平行的測定，結果顯示高密度聚乙烯產品偏差均≤1.1kg/m3，相對偏差≤0.11%。對低密度聚乙烯產品偏差均≤0.4kg/m3，相對偏差≤0.04%。從表4中數據看出對高密度聚乙烯接近標準樣品和低密度聚乙烯接近標準樣品用密度天平法測定，結果偏差≤0.3kg/m3，相對偏差均≤0.03%。從表1到表4的數據對比來看，密度梯度柱法與密度天平法可以相互替代，符合標準的要求。表3中的個別高密度聚乙烯樹脂的密度結果偏大，主要原因是樣品的性質導致的，也可以使用仲裁的密度梯度柱法對有異常數據進行復查。

表1 密度梯度柱法對標準浮子測試密度準確度情況表 kg/m3

2.2 使用密度梯度柱對密度測試結果的影響因素[3]

2.2.1密度梯度柱本身的影響因素

玻璃的標準浮子需要定期進行校準(目前的校準周期為2年1次，建議校準周期為1年1次)，在常時間的使用過程中密度梯度柱內液體的腐蝕、氧化、打撈等都可能造成玻璃浮子偏離基準值從而影響測量的精度；密度梯度柱里玻璃標準浮子的間隔一般控制在50mm左右較好。而密度梯度柱的靈敏度要求對每厘米柱高不低于1kg/m3，在配置密度梯度柱時控制好梯度最重要的就是液體的流速—般為8～10mL/min。流速太快造成梯度范圍較窄，被測試樣較集中，會影響讀取被測試樣幾何中心的判斷，造成密度值偏大，流速太快梯度太寬造成被測試樣分布的比較散，而要求試樣幾何中心在讀取時精確到上下在1kg/m3和上下10mm，并確保固體浸于液體中至少10mm 處且液體沒有氣泡。這樣造成密度值偏大影響測量的準確性；再就是配置好的密度梯度柱應放在無振動，溫度在23±0.1℃恒溫水浴環境下存放，恒溫水浴的液面應高于密度梯度柱的液面，每次使用前應檢查最初的校準密度梯度柱數據，判斷密度梯度柱線性關系是否符合要求。

2.2.2樣品制備與處理過程對密度結果的影響

密度是聚乙烯樹脂的物理特征之一，也反映了聚乙烯樹脂的結晶度，在測試的過程中，很多因素都可能影響到測試結果的準確性、真實性。個別標準對聚乙烯樹脂密度的測試方法、試樣類型、處理條件進行了規定：選取的樣條要有規則的幾何形狀，表面平整、無凹陷、氣泡；選擇水煮樣條的話主要目的是消除樣條里的氣泡和使樣條內部分子鏈結合的緊密了，相當于對樣條的退火處理過程。這些因素對密度的測量值都會有影響。

2.3 使用密度天平法對密度測試結果的影響因素[4]

2.3.1密度天平法樣品與測試環境的影響因素

待測試的樣品試片表面干凈、沒有氣泡、平整。試樣的直徑大小為4.5±0.5mm，厚度為3±0.5mm。因此制樣時裝料量要合適。連接測量容器的外部循環的水浴溫度控制在23±0.1℃；保證浸沒在容器內測試樣片的溫度必須保證在23℃。而樣片的實際溫度目前無法直接進行準確測量，只能把樣片放在環境溫度為23℃下調節30分鐘再進行測量。密度測試時玻璃杯所盛的蒸餾水溫度也必須保持在23℃。

2.3.2液體溫度對試樣密度結果的影響

用密度天平法時所有測量都要用相同的參數完成，才能得到可靠的結果。比如天平的參數設置為合格的溫度：23.0℃±0.2℃，即22.8℃到23.2℃，這是允許進行測試的液體溫度的合適范圍；液體密度要盡量經常檢查，至少30天檢查一次；液位的檢查包括檢查量杯內的液位，需要時添加液體。在這些情況下，每次測量前不要忘記檢查液體密度；液體的校驗包括使用玻璃密度計測定液體密度，每周至少進行1次測定或者每次用于補充液位而加入新鮮液體(或完全置換液體)后要立即進行測定。

2.4 兩種方法的比較

密度梯度柱法測試塑料產品密度是普遍采用的方法，配置密度梯度柱需要使用化學試劑異丙醇或乙醇，月使用量約達40L。目前的密度梯度柱法測試密度時間長，勞動強度較大，平均用時在150分鐘左右(不含制樣和配制梯度柱時間)。使用密度天平法的話，塑料產品密度測試分析時間可以縮短至75分鐘左右，兩種方法測試結果可以滿足現在密度方法要求的準確度和精密度范圍，重復測定兩結果之差：高密聚乙烯樹脂≤0.5kg/m3，低密聚乙烯樹脂≤0.4kg/m3。

3 結論

通過對測試聚乙烯樹脂密度兩種方法的比較，可以得出密度天平法、密度梯度法都可以滿足聚乙烯樹脂密度的測試要求，密度天平法的優勢是分析及時率提高了，尤其是生產過程的控制分析、對未知聚合物樣品密度的分析有優勢，但密度梯度柱法是傳統的仲裁方法，兩種方法可以相互補充，對聚乙烯生產過程更加準確有效地工藝控制會起到重要的作用。