两种测试聚乙烯树脂密度方法的比较

仵春祺 刘 新 李 强

( 1.中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司研究院资源评价研究所，独山子 833699；2.中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司质量检验中心，独山子 833699)

密度是区分聚乙烯树脂产品的关键参数之一，常见的测定方法有浸渍法、比重瓶法、沉浮法、密度梯度柱法、密度计法等，密度梯度柱法是常用的测定聚乙烯树脂密度的方法，也被规定为测定密度的仲裁方法。而密度天平法是与分析天平技术的快速发展密不可分，操作过程容易，分析结果准确。从分析测试的角度来说，需要全面考虑、控制与测试结果准确程度相关的因素，分析结果才能够有可比性、一致性、准确性。实验使用密度梯度柱法、密度天平法对聚乙烯树脂的密度分别进行了分析，通过对数据的分析，得出重复性、再现性条件下的分析结果是一致的。

1 实验部分

1.1 实验原理

1.1.1密度梯度柱法

由两种液体组成的、密度从顶部到底部在一定范围内均匀提高的液体柱。实验中两种液体是乙醇或异丙醇与水[1]。

1.1.2密度天平法

根据精密天平称出的试样在空气中的质量与已知密度的参比液的质量进行对比，可以通过该天平测定产品的密度。当试样被运用在一个特殊的臂上时仪器会自动地计算出密度。可以测固体，液体与粘稠物质的密度，应用阿基米德定律即对浸于液体中的任何物体所受到的浮力等于排开液体的质量。对于固体的密度测定最好选用必要的部件和辅助设施，可以方便准确的测出固体物质的密度。

1.2 仪器和主要试剂

1.2.1密度梯度柱法

密度梯度管(长度1000mm，带有盖子)；恒温水浴(温度波动不大于±0.1℃)；标准玻璃浮子:经过精确校正,密度范围适合配制的密度梯度管的要求,能在密度梯度柱有效范围内均匀分布的1套浮子(5～7个)；蒸馏水、乙醇或异丙醇(分析纯)、线型低密度聚乙烯颗粒样品。

1.2.2密度天平法

分析天平，精度0.01mg；恒温水浴，控温范围：10～50℃，精度：0.1℃。

2 问题与讨论

2.1 数据分析[2]

表1的数据是密度梯度柱法对标准浮子测试密度值准确度的情况，对高密度聚乙烯标准浮子和低密度聚乙烯标准浮子的结果可以看出偏差≤0.3kg/m3，相对偏差均≤0.03%。表2中的数据是使用密度天平法分别对高密度聚乙烯树脂和低密度聚乙烯树脂进行密度重复性测定，偏差均≤0.5kg/m3，相对偏差≤0.05%；表3中的数据是对相同样品用密度梯度柱法和密度天平法进行密度平行的测定，结果显示高密度聚乙烯产品偏差均≤1.1kg/m3，相对偏差≤0.11%。对低密度聚乙烯产品偏差均≤0.4kg/m3，相对偏差≤0.04%。从表4中数据看出对高密度聚乙烯接近标准样品和低密度聚乙烯接近标准样品用密度天平法测定，结果偏差≤0.3kg/m3，相对偏差均≤0.03%。从表1到表4的数据对比来看，密度梯度柱法与密度天平法可以相互替代，符合标准的要求。表3中的个别高密度聚乙烯树脂的密度结果偏大，主要原因是样品的性质导致的，也可以使用仲裁的密度梯度柱法对有异常数据进行复查。

表1 密度梯度柱法对标准浮子测试密度准确度情况表 kg/m3

2.2 使用密度梯度柱对密度测试结果的影响因素[3]

2.2.1密度梯度柱本身的影响因素

玻璃的标准浮子需要定期进行校准(目前的校准周期为2年1次，建议校准周期为1年1次)，在常时间的使用过程中密度梯度柱内液体的腐蚀、氧化、打捞等都可能造成玻璃浮子偏离基准值从而影响测量的精度；密度梯度柱里玻璃标准浮子的间隔一般控制在50mm左右较好。而密度梯度柱的灵敏度要求对每厘米柱高不低于1kg/m3，在配置密度梯度柱时控制好梯度最重要的就是液体的流速—般为8～10mL/min。流速太快造成梯度范围较窄，被测试样较集中，会影响读取被测试样几何中心的判断，造成密度值偏大，流速太快梯度太宽造成被测试样分布的比较散，而要求试样几何中心在读取时精确到上下在1kg/m3和上下10mm，并确保固体浸于液体中至少10mm 处且液体没有气泡。这样造成密度值偏大影响测量的准确性；再就是配置好的密度梯度柱应放在无振动，温度在23±0.1℃恒温水浴环境下存放，恒温水浴的液面应高于密度梯度柱的液面，每次使用前应检查最初的校准密度梯度柱数据，判断密度梯度柱线性关系是否符合要求。

2.2.2样品制备与处理过程对密度结果的影响

密度是聚乙烯树脂的物理特征之一，也反映了聚乙烯树脂的结晶度，在测试的过程中，很多因素都可能影响到测试结果的准确性、真实性。个别标准对聚乙烯树脂密度的测试方法、试样类型、处理条件进行了规定：选取的样条要有规则的几何形状，表面平整、无凹陷、气泡；选择水煮样条的话主要目的是消除样条里的气泡和使样条内部分子链结合的紧密了，相当于对样条的退火处理过程。这些因素对密度的测量值都会有影响。

2.3 使用密度天平法对密度测试结果的影响因素[4]

2.3.1密度天平法样品与测试环境的影响因素

待测试的样品试片表面干净、没有气泡、平整。试样的直径大小为4.5±0.5mm，厚度为3±0.5mm。因此制样时装料量要合适。连接测量容器的外部循环的水浴温度控制在23±0.1℃；保证浸没在容器内测试样片的温度必须保证在23℃。而样片的实际温度目前无法直接进行准确测量，只能把样片放在环境温度为23℃下调节30分钟再进行测量。密度测试时玻璃杯所盛的蒸馏水温度也必须保持在23℃。

2.3.2液体温度对试样密度结果的影响

用密度天平法时所有测量都要用相同的参数完成，才能得到可靠的结果。比如天平的参数设置为合格的温度：23.0℃±0.2℃，即22.8℃到23.2℃，这是允许进行测试的液体温度的合适范围；液体密度要尽量经常检查，至少30天检查一次；液位的检查包括检查量杯内的液位，需要时添加液体。在这些情况下，每次测量前不要忘记检查液体密度；液体的校验包括使用玻璃密度计测定液体密度，每周至少进行1次测定或者每次用于补充液位而加入新鲜液体(或完全置换液体)后要立即进行测定。

2.4 两种方法的比较

密度梯度柱法测试塑料产品密度是普遍采用的方法，配置密度梯度柱需要使用化学试剂异丙醇或乙醇，月使用量约达40L。目前的密度梯度柱法测试密度时间长，劳动强度较大，平均用时在150分钟左右(不含制样和配制梯度柱时间)。使用密度天平法的话，塑料产品密度测试分析时间可以缩短至75分钟左右，两种方法测试结果可以满足现在密度方法要求的准确度和精密度范围，重复测定两结果之差：高密聚乙烯树脂≤0.5kg/m3，低密聚乙烯树脂≤0.4kg/m3。

3 结论

通过对测试聚乙烯树脂密度两种方法的比较，可以得出密度天平法、密度梯度法都可以满足聚乙烯树脂密度的测试要求，密度天平法的优势是分析及时率提高了，尤其是生产过程的控制分析、对未知聚合物样品密度的分析有优势，但密度梯度柱法是传统的仲裁方法，两种方法可以相互补充，对聚乙烯生产过程更加准确有效地工艺控制会起到重要的作用。