对塑料密度测试结果变化的分析

杨晓莹 张永超

（大庆华科股份有限公司，大庆，163316）

对塑料密度测试结果变化的分析

杨晓莹 张永超

（大庆华科股份有限公司，大庆，163316）

本文针对塑料密度测试结果的几点变化进行分析；密度梯度柱的配置、试验样品的处理过程、样品的制备过程、载荷等、实验环境、化验员的操作、数据的处理等将影响实验结果。

塑料；密度测试；结果分析

前言

塑料是以合成或天然的高分子树脂为主要原料，添加各种助剂后，在一定的压力和温度下具有延展性，而且各种聚合物的性能可以通过与其他元素的化合或改变其化合过程而得到根本的改变。随着塑料生产、开发和使用的不断发展,性能的评价显得越来越重要,测试技术和各类性能试验方法标准也相继产生。塑料性能的测试是为了正确掌握它们的各种性能,这对控制产品的质量、指导成型与加工、研究材料结构与性能的关系、了解使用范围等都有重要意义。聚合物的密度是聚合物的重要参数，测定密度的方法有很多种，而密度梯度法是测定聚合物材料密度的方法之一，用此种方法测定密度既简单易行又较为准确。从试验角度来说，要充分考虑、严格控制与试验结果准确程度有关的因素，这样试验结果才具有可比性、一致性和准确性。

2 对密度测试结果变化的影响

2.1 仪器本身的因素(密度梯度柱)

1、玻璃浮标每年头要进行校准，长期的使用中液体的腐蚀、氧化、打捞等都可能造成偏离基准值影响测量的精度。

2、梯度柱中浮标的间隔不能太大，一般在5厘米左右较好。而梯度柱的灵敏度要求对每厘米柱高不低于0.001g/cm3，并且在配置梯度柱时控制好梯度最重要的就是液体的流速一般为8-10ml/min。流速太快造成梯度范围较窄试样较集中，影响读取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0.001g和上下1cm，这样造成密度值偏大影响测量的准确性。

3、配置好的梯度柱应放在无振动，温度在23＋0.1℃恒温液面应高于梯度柱的液面，每次使用前应检查最初的校准数据，视其是否维持期线性关系。

2.2 试验样品的制备和样品的处理过程对试样结果的影响

密度是塑料最主要的物理特征之一，在一定程度上可以反映塑料的结晶度，因而被广泛关注和使用。然而在测试过程中，很多因素都可能影响到结果的准确性与真实性。有的标准对树脂密度的测试方法、试样类型及处理条件进行了规定：采用样条或压塑但必须是规则的几何形状，试样表面平整、清洁，无凹陷、气泡；其次是水煮。这些因素对密度的测量值都会有影响。

2.2.1 样品的制备(实验部分)

针对PE、PP（PPR-Q802）进行取样编号1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#PP13#、14#、15#.

1、样条的挤出：将PE 、PP料样，在190℃、230℃一定载荷下用熔融指数仪熔融挤出2-3厘米的样条各二条。

2、样片的制备：用压片机将塑料按照GB/T9352一1988进行压塑制样3-4厘米厚，从试片中部取样进行测试。

2.2.2 样品的制备过程：试样对塑料密度测试结果的影响

目前我国各类标准中采用的试样类型规定有所不同，有采用挤出样条的，也有采用模塑制样的。无论采用哪种试样，塑料都经历了加热熔融，这必然会对聚塑料内部的分子链排列，以及结晶度等微观结构有所影响。内部结构决定性能，表现在宏观上，密度必然会有所变化。因此，我们对样条与样片的密度进行了对比，详见表1。

由表1数据可以发现，样条与样片测得的密度结果确有不同，但并无明显规律可循。产生这一现象的原因不难解释。热塑性塑料经熔融挤出，相当于又重新经历了一次热历史。分子链及链段的重新排列，导致重新结晶，必然会造成结晶度的不同，进而出现了密度的差异。但是由于不同材料在熔融压塑和熔融挤出过程中结晶行为会不同，因此出现了样条与样片密度值并无明显规律可循的现象。为此建议在密度的测试过程中，应注明采用的试样类型。只有试样类型相同的情况下，密度测试数据才具有可比性。对于没有压塑制样设备的原料使用者，可采用样条法进行密度测试。

表1：样条和样片对塑料密度测试结果的影响

表2：水煮试样和非水煮试样对塑料密度测试结果的影响

表3：熔融挤出载荷对塑料密度的影响

2.2.3 样品的处理过程对塑料密度结果变化的影响

2.2.3.1 水煮处理:将试样浸入放于盛有200mL蒸馏水的烧杯中盖上盖煮沸1h，然后将烧杯置于实验室环境下冷却，在24h内进行测试。

2.2.3.2 水煮对塑料密度测试结果变化的分析

在对塑料密度的测试中，水煮的主要目的是消除试样的气泡和使试样内部分子链紧密结合,相当对试样的一个退火处理过程，部分标准要求试样用蒸馏水水煮自然冷却后使用。

由表2数据不难看出，对于材料经过水煮后，密度都有明显提高，上述样品中密度相差最多达到0.0031/Cm3，而密度的差异是结晶程度不同的体现。因此这一现象的产生充分说明经过水煮和未经水煮的产品结晶过程有差异。一般来讲，高聚物的结晶过程分为两阶段，一阶段为主期结晶，另一阶段为次期结晶。主期结晶一般被认为是熔融的聚合物冷却时分子链的重新排列，而次期结晶过程一般发生在主期结晶完成后，是指在聚合物中一些残留的非晶部分和晶体结构不完整的部分继续进行结晶和使球晶中晶片堆砌更紧密，使晶体内部的缺陷减少等多种复杂过程。一般高聚物次期结晶很慢，如果次期结晶没有完成，材料的性能就不会稳定。本实验的聚乙烯为高结晶聚合物，在主期结晶后，其次期结晶也将对其结晶度有所影响，进而影响其密度。聚丙烯是半结晶聚合物由结晶和无定形二组组成，其中结晶的密度大，所以样品的结晶度增加，密度成增加趋势。水煮即可以视为一个退火的过程，是使分子链紧密的结合。因此，经过水煮的材料其结晶度更高，进而表现为密度较高。

基于上述分析，不难解释为何将水煮过程作为热塑性塑料密度测试的一个必要步骤。因此进行水煮(退火过程)是十分必要的。所以应针结晶度较高的材料采用统一方法并注明水煮。

2.3 熔融挤出载荷对塑料密度结果变化的分析

试样制备：将PE、PP料样，在190℃、230℃载荷分别用2.16千克和21.6千克砝码下用熔融指数仪熔融挤出2-3厘米的样条各二条。

不同的材料不同的热历史会影响其结晶过程，因此熔融挤出时的载荷也会影响其结晶过程，进而导致密度的不同。详见表3

由表3数据可见，不同载荷对密度略有影响，载荷越小密度越大。产生这一差别的原因在于：载荷小，挤出时速度较慢，分子链可以有较多的时间进行重新排列，进而排列规整，结晶度较高，密度值较大。所以在进行密度试验时标出熔条载荷的大小。

针对以上是否使用样条，是否采用水煮和不同载荷等对结果的影响。我们在进行试验时要在同一条件下进行，实验结果才有可比性。

2.4 试验环境的影响

影响测试结果的环境因素有许多；如污染、振动、辐射、静电、温度、湿度等，但影响塑料密度测试结果变化的这些因素主要是温度和湿度。

国家标准GB/T 2918 规定，标准实验室环境为23±2℃，相对湿度为45～55%RH。热塑性塑料的密度测试受温度的影响较大，伴随着环境温度的变化，密度梯度柱的试验曲线也在变化。绝大多数物质有热胀冷缩的现象，温度越低体积越小，密度越大。反之温度越高体积越大密度越小。我们实验室主要使用的液体为水和异丙醇、酒精等。而水在4℃时体积最小，密度最大，为1kg/m3(即1g/cm3)这一现象也可以用水的缔合作用加以解释。接近沸点的水，主要是以简单分子的状态存在的。冷却时一方面由于温度降低，分子热运动减小，使水分子间的距离缩小，另一方面，由于温度降低，水的缔合度增大，(h2o)2缔合分子增多，分子间排列较紧密，这两个因素都使水的密度增大，温度降低到4.0℃时(严格讲是3.98℃)，水有最大的密度，最小的体积。所以不同的环境温度都可以改变梯度柱中密度的变化从而使浮子的曲线改变影响密度测试结果的准确性。严格控制温度都是十分重要的。因为无论是试样密度还是浸渍液的密度，体积都将随温度变化而发生变化

湿度一般对吸水率比较大的塑料影响较大。某些材料在温度变化、湿度增大时，表面吸水后使试样在密度梯度柱中产生向下的力,而试样表面吸收的水分又影响梯度溶液中曲线的改变所以试验中应注意湿度的适宜，这样可尽量减少浸渍液表面张力对试验的影响，而对吸水率小的塑料，受湿度影响不大。

2.5 操作者的影响

试验的整个过程都是在试验员的操作和控制下进行的，人为因素不可避免地会影响到试验结果。即便是精细认真有实践经验的人做试验，每次试验结果也都不会完全一致。人为因素涉及到取样、制样过程，样品的处理，试验过程，数据处理等。所以试验员要求有高度的责任心和认真负责的态度。

结论

以上几点因素直接影响塑料密度的测试结果，但影响塑料密度测试结果的因素很多，聚合物结晶度高低直接影响其密度，一般来讲，聚合物结晶度越高密度越大。而有的热塑性塑料分子结构规整，结晶度很高，但其结晶过程复杂。而不同的处理方法都有可能影响到塑料的结晶过程，进而导致密度的差异。因此，试验员必须具有高度的责任心，严格执行试验标准和操作规程，才能消除影响试验结果准确性的因素，获得准确的试验分析结果。

[1]GB11116一989高密度聚乙烯树脂[S]

[2]GB1033-89塑料密度和相对密度试验方法

[3]塑料测试技术[M].北京:化学工业出版社,1999.

[4]合成树脂及塑料 2006第21卷

The result analysis of the changing in the plastic density testing

Yang Xiaoying Zhang Yongchao

this article analyzes several plastic changes in the density of the test results.several plastic changes ,such as density gradient column con fi guration,the test sample processing,sample preparation,loading,experimental environment,the operation of laboratory technicians ,data processing,etc.,will affect the experimental results.

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杨晓莹：女，（1974.10～）毕业于哈尔滨工业大学，1997年从事塑料行业检测分析工作