梁秀麗 郭紅楓 呂 輝 梁 旭 陳曉芳 李翠平

(1.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所余姚分所，余姚 315400；2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031)

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XS205DU自動天平法測量塑料密度準(zhǔn)確性的探討

梁秀麗1，2郭紅楓1呂 輝2梁 旭1陳曉芳1李翠平2

(1.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所余姚分所，余姚 315400；2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031)

用機(jī)械天平法和XS205DU自動天平法，分別測量幾種塑料的密度，比較兩種方法的測量重復(fù)性，并用密度參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明XS205DU自動天平法的測量重復(fù)性小于0.001g/cm3，測量誤差小于0.001g/cm3，測量結(jié)果與機(jī)械天平法相當(dāng)，表明用XS205DU自動天平法測定塑料密度，方法可行，可以替代機(jī)械天平法。

塑料密度；機(jī)械天平；XS205DU自動天平；密度組件；重復(fù)性；誤差

0 引言

塑料密度通常用來考察塑料材料的物理結(jié)構(gòu)或組成的變化，也是用來評價樣品均一性的一個重要技術(shù)指標(biāo)。塑料密度對于鑒別未知高聚物材料也很有用，如果已知塑料的密度，結(jié)合其它化學(xué)鑒定方法，則能非常簡單地鑒別出某些高聚物材料，因此塑料密度測量在塑料行業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛。對于模塑或擠出的無孔塑料，最常用、最簡單的密度測量方法是浸漬法。浸漬法測量塑料密度時，通常需要將塑料粒料制成樣條后，用機(jī)械分析天平及其輔助工具進(jìn)行測量[1]。但是該方法的局限性較大，必須是樣條，或具一定形狀的樣塊，通過金屬絲或發(fā)絲懸掛浸在液體中稱重，而對于粒料則不能測量，同時操作較為繁瑣，耗時長，液體溫度難以控制。隨著科技的發(fā)展，一些自動密度測量儀器不斷涌現(xiàn)，而瑞士梅特勒-托利多公司的XS205DU電子天平配以密度組件后即組成了一個自動密度儀，可以測量塊狀、粒料及一些不規(guī)則的塑料樣品，測量速度快，數(shù)顯可讀等優(yōu)點(diǎn)。目前雖有不少關(guān)于塑料密度測量的準(zhǔn)確性的研究，但多數(shù)是對機(jī)械天平測量法的分析[2,3]。而對于XS205DU自動天平測量密度準(zhǔn)確性的研究還未曾見到。

本實(shí)驗(yàn)室使用XS205DU電子天平和密度組件，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，并與機(jī)械天平法進(jìn)行了比較，試驗(yàn)表明,其測量重復(fù)性和測量誤差均達(dá)到了機(jī)械天平法的要求。以XS205DU自動天平法替代機(jī)械天平法，提高了測量工作效率，應(yīng)用非常方便。

1 密度測量

1.1 原料及儀器設(shè)備

聚丙烯(PP)：塊狀、30%玻璃纖維增強(qiáng)、參考標(biāo)準(zhǔn)樣塊。聚乙烯(PE): CNAS PT10017-T023能力驗(yàn)證樣品。電光分析天平：TG328B型。恒溫水浴：恒溫精度為0.1℃。精密溫度計(jì)：分度值0.1℃。固定支架：自制。浸漬容器：100ml燒杯。懸絲：發(fā)絲，直徑不大于0.5mm。重錘：不銹鋼材質(zhì)，自制。XS205DU電子天平：可讀性為0.01mg/0.1mg。密度組件一套：玻璃杯、固體支撐籃、精密溫度計(jì)(分度值0.1℃)。

1.2 測量原理

機(jī)械天平法和XS205DU自動天平法測量密度的原理均是依據(jù)阿基米德定律，利用測定試樣排開液體的體積測得密度。機(jī)械天平法采用浸漬法，按照GB/T1033.1-2008，A法操作[4]，按照式(1)、(2)計(jì)算塑料的密度。XS205DU自動天平法，由于該天平內(nèi)置了密度與質(zhì)量的換算程序，因此可以直接數(shù)顯稱量結(jié)果和密度量值，無需計(jì)算，直接可讀。

2 測量過程

實(shí)驗(yàn)前，將經(jīng)過狀態(tài)調(diào)節(jié)后的樣品，切割制成尺寸約為20mm×10mm×4mm的小試條 ，并用刀片修剪毛邊，使樣品表面光滑，用于密度測量。

2.1 機(jī)械天平法測量過程

首先將浸漬液去離子水在(23.00±0.1)℃的恒溫水浴中，恒溫30min以上，將樣品用發(fā)絲懸掛，稱量懸掛的試樣在空氣中的表觀質(zhì)量，將燒杯裝滿去離子水，放在固定支架上。對于密度大于1g/cm3的樣品，直接將試樣浸入裝滿去離子水的燒杯中，稱其在水中的表觀質(zhì)量；對于密度小于1g/cm3的樣品，則應(yīng)加以重錘，連同試樣一起浸入水中，稱其樣品及重錘在水中的表觀質(zhì)量。根據(jù)樣品在空氣中和在浸漬液中的表觀質(zhì)量差，按照式(1)、(2)計(jì)算試樣的密度。

(1)

(2)

式中：ρ為樣品的密度，g/cm3；mS.A為樣品在空氣中的表觀質(zhì)量，g；mS.IL為樣品在浸漬液中的表觀質(zhì)量，g；ρIL為測定溫度下浸漬液的密度，g/cm3；mK.IL為重錘在浸漬液中的表觀質(zhì)量，g；mS +K.IL為樣品加重錘在浸漬液中的表觀質(zhì)量，g。

2.2 XS205DU自動天平法測量過程

該儀器的測量過程主要由電子天平和密度組件結(jié)合完成。首先將樣品放入稱籃上部的秤盤中，稱量樣品在一定溫度下空氣中的表觀質(zhì)量，電子天平自動記錄儲存該數(shù)據(jù)，然后將樣品放入已浸入溫度為(23.0±0.1)℃去離子水中的秤籃中(密度小于液體密度的放在秤籃下)，稱量樣品在水中的表觀質(zhì)量，天平將該數(shù)據(jù)自動記錄儲存，然后根據(jù)內(nèi)置的質(zhì)量和浸漬液密度的轉(zhuǎn)換程序，換算成試樣的密度。

3 結(jié)果討論

3.1 測量重復(fù)性比較

首先將裝有去離子水的洗瓶放在恒溫槽中，控制溫度(23.0±0.1)℃恒溫至少30min以上，然后倒入燒杯或測量杯中，將純聚丙烯PP樣塊及玻纖增強(qiáng)PP樣塊，分別用機(jī)械天平法和XS205DU自動天平測量。每種測量方法中，對于每一樣品均重復(fù)測量6次，比較兩種測量方法測量重復(fù)性和測量誤差。

兩種測量方法的密度測量結(jié)果見表1，計(jì)算單次測量標(biāo)準(zhǔn)偏差[5，6]表示測量重復(fù)性。從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，兩種測量方法的測量重復(fù)性較小，數(shù)值范圍均在0.00032～0.0001g/cm3區(qū)間。而XS205DU自動天平法由于測量時間較短，溫度易于控制，測量數(shù)據(jù)的測量重復(fù)性較機(jī)械天平法小。以介質(zhì)水為例[1]，介質(zhì)水溫度控制為(23±0.1)℃，當(dāng)溫度變化0.1℃時，用內(nèi)插法計(jì)算得到水的密度變化約為0.000024g/cm3，由式(1)、(2)可知，塑料密度量值是依賴介質(zhì)的密度計(jì)算而得，對于密度較大的塑料材料其影響較大，測量時間越長，則溫度的準(zhǔn)確性就愈難保證，因此，自動天平法就突顯其優(yōu)勢。

3.2 測量誤差的驗(yàn)證

準(zhǔn)確控制浸漬液的溫度(23.0±0.1)℃，選已知密度量值的PP樣塊，分別用上述兩種方法測量，取其算術(shù)平均值作為密度測量結(jié)果，測量結(jié)果見表2，根據(jù)式(3)分別計(jì)算兩種密度測量方法的測量誤差。

Δ=ρ測-ρ標(biāo)

(3)

式中：Δ為密度測量誤差，g/cm3；ρ測為儀器測量密度值，g/cm3；ρ標(biāo)為樣品標(biāo)準(zhǔn)密度值，g/cm3。

表1 兩種方法測量重復(fù)性的比較 g·cm-3

表2 兩種方法測量誤差的比較 g·cm-3

從表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，自動天平法的測量誤差小于機(jī)械天平法，而自動天平法測量結(jié)果更接近參考值。

機(jī)械天平法要用懸絲懸掛樣品，然而，會有一部分懸絲浸入介質(zhì)中，增大了樣品的體積，使測量的質(zhì)量不完全是樣品本身在浸漬液中的表觀質(zhì)量，由于懸絲很輕，通常不計(jì)懸絲的質(zhì)量，這樣會給測量結(jié)果帶來一定誤差。

自動天平法直接稱取樣品，樣品直接浸在水中，不涉及發(fā)絲及重錘，該法測得密度更具代表性。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自動天平的自動化和智能化程度會更高，自動測量法將會逐步替代機(jī)械天平法。

4 結(jié)論

本文比較了機(jī)械天平法和XS205DU自動天平法測量塑料的密度,自動密度儀的測量重復(fù)性小于0.001g/cm3，示值誤差小于0.001g/cm3，測量結(jié)果與機(jī)械天平法相當(dāng)。由于XS205DU自動天平法自動數(shù)顯稱量結(jié)果和密度結(jié)果，操作簡便、快速、穩(wěn)定性好，可替代機(jī)械天平法，提高了密度測量自動化程度和準(zhǔn)確度，應(yīng)用前景廣闊。

[1] 梁秀麗，王建國，王強(qiáng).影響塑料密度測量準(zhǔn)確性因素的探討[J].工程塑料應(yīng)用，2014(3):86-89

[2] 華正法，袁麗鳳，俞雄飛.塑料密度的不確定度的評定[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2007，34(10):14-16

[3] 張賢達(dá)，沈晨中.關(guān)于浸漬法測試塑料密度的問題和改進(jìn)意見[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊，2004，40(8):402-403

[4] GB/T 1033.1—2008 塑料 非泡沫塑料密度的測定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法

[5] JJF 1059.1—2012 測量不確定度評定與表示

[6] CNAS-GL05:2011測量不確定度要求的實(shí)施指南

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.03