密度梯度柱法在聚乙烯密度测定中的应用研究

引言

聚乙烯（PE）作为产量最大、应用最广的合成树脂之一，其密度不仅是产品质量的关键指标，更与结晶度、力学性能及加工性能密切相关。不同密度的聚乙烯在包装、管道、薄膜等领域展现出差异化的应用特性，如低密度聚乙烯（LDPE）具有良好的柔韧性和透明度，适用于薄膜制品；高密度聚乙烯（HDPE）则凭借高强度和耐化学性，广泛应用于管材制造。因此，精确测定聚乙烯密度对产品质量控制、牌号鉴定及应用性能评估具有重要意义。本文聚焦于异丙醇 - 水密度梯度柱的配置优化与聚乙烯密度测定实践，旨在为化验人员提供可复用的标准化流程，并探讨其在 PE 产品质量控制中的应用价值。

1 密度梯度柱法的基本原理

密度梯度柱法基于阿基米德原理，其核心是在圆柱形容器内构建一个连续的密度梯度场。在异丙醇 - 水体系中，利用异丙醇和水密度的差异，通过特定的混合方式，使溶液在容器内形成自下而上密度逐渐降低的稳定梯度。当将聚乙烯样品放入密度梯度柱中时，样品会在与自身密度相同的位置悬浮，通过测量样品悬浮点的高度，结合预先校准的密度 - 高度曲线，即可准确获得样品的密度值。

这种方法的优势在于能够实现对样品密度的非破坏性测量，且测量精度高，可有效区分密度差异微小的聚乙烯产品，为聚乙烯的质量控制和性能研究提供可靠的数据支持 。

2 异丙醇 - 水密度梯度柱的配置

2.1 溶液配制

异丙醇 - 水密度梯度柱的性能与溶液的配制密切相关。在配制溶液时，需选用高纯度的异丙醇和蒸馏水，以避免杂质对密度梯度的影响。根据前期研究及大量实验验证，采用分段配制法可有效提高密度梯度的准确性和稳定性。

首先，准备两组基础溶液，一组为高浓度异丙醇溶液（如 95% 体积分数），另一组为蒸馏水。然后，按照特定的体积比将两组溶液进行混合。例如，可采用等体积梯度法，将高浓度异丙醇溶液与蒸馏水按照 1:1、2:1、3:1 等比例依次混合，得到一系列不同密度的中间溶液。在混合过程中，需使用精密量筒和移液管准确量取溶液体积，确保配制比例的准确性。同时，为了使溶液混合均匀，可采用磁力搅拌器进行充分搅拌，搅拌时间一般控制在 10 - 15 分钟，以保证溶液密度的一致性。

2.2 梯度柱填充

梯度柱的填充过程直接影响密度梯度的形成和稳定性。选择合适的圆柱形容器至关重要，一般选用内径均匀、透明的玻璃管作为密度梯度柱，其长度通常在 40 - 60 厘米之间，内径为 2 - 3 厘米。在填充溶液前，需对玻璃管进行彻底清洗和干燥，以防止杂质残留影响测量结果。

填充溶液时，采用自下而上的顺序，将密度较大的溶液先缓慢注入梯度柱底部。为避免溶液混合不均，可使用细长的移液管或注射器，将溶液沿梯度柱内壁缓缓注入。每注入一层溶液后，需等待数分钟，使溶液自然沉降稳定，再注入下一层密度稍低的溶液。

3 密度梯度柱的校准与稳定性控制

3.1 校准方法

为了准确建立密度 - 高度关系，需要对密度梯度柱进行校准。选择合适的标准样品是校准的关键，标准样品应具有已知且准确的密度值，且其密度范围应覆盖待测聚乙烯样品的密度区间。通常选用聚苯乙烯小球或已知密度的玻璃珠作为标准样品。

将标准样品依次放入密度梯度柱中，待其稳定悬浮后，使用精密刻度尺测量样品悬浮点距离梯度柱底部的高度。每个标准样品需重复测量 3 -5 次，取平均值作为测量结果。以标准样品的密度为纵坐标，悬浮点高度为横坐标，绘制密度 - 高度校准曲线。通过最小二乘法对校准数据进行拟合，得到密度与高度的函数关系表达式，为后续聚乙烯样品的密度测定提供校准依据。

3.2 稳定性控制

密度梯度柱的稳定性对测量结果的准确性和重复性至关重要。影响梯度柱稳定性的因素主要包括温度、溶液挥发和外界振动等。

温度是影响密度梯度稳定性的关键因素之一。由于溶液密度随温度变化而改变，因此在实验过程中需严格控制温度。将密度梯度柱放置在恒温环境中，温度控制精度应达到 ±0.1C 。可采用恒温水浴或恒温箱为梯度柱提供稳定的温度环境。实验表明，在 23^∘C 的恒温条件下，异丙醇 - 水密度梯度柱可稳定运行 48 小时以上，满足常规聚乙烯样品密度测定的需求。

此外，为防止溶液挥发导致密度梯度发生变化，需对梯度柱进行良好的密封。可使用橡胶塞或专用密封盖对梯度柱进行密封处理，并在密封后将梯度柱放置在相对湿度稳定的环境中。同时，应避免梯度柱受到外界振动和碰撞，以防止密度梯度被破坏。在实验操作过程中，应轻拿轻放梯度柱，减少不必要的移动。

4 聚乙烯样品密度测定实验

4.1 实验步骤

首先，将制备好的密度梯度柱放入恒温水浴中，恒温 30 分钟，使柱内溶液温度达到稳定状态。然后，使用分析天平准确称量聚乙烯样品的质量，将样品小心放入密度梯度柱中，避免样品对密度梯度造成冲击。待样品在梯度柱中稳定悬浮后，使用精密刻度尺测量样品悬浮点距离梯度柱底部的高度，每个样品测量 3 次，取平均值作为测量结果。最后，根据预先校准的密度 - 高度曲线，计算出样品的密度值。

4.2 实验结果与分析

实验结果显示，采用异丙醇 - 水密度梯度柱法测定的聚乙烯样品密度值与标准值的偏差均在 ±0.0001g/cm³ 以内，测量精度显著优于传统液体置换法。不同密度的聚乙烯样品在梯度柱中呈现出明显的分层现象，低密度聚乙烯样品悬浮在梯度柱的上部，高密度聚乙烯样品则悬浮在下部，线性低密度聚乙烯样品的悬浮位置介于两者之间。

通过对实验数据的统计分析发现，该方法具有良好的重复性和再现性。对同一聚乙烯样品进行多次测量，测量结果的相对标准偏差（RSD）均小于 0.1‰ 。此外，实验还验证了该方法在不同批次密度梯度柱之间的稳定性，不同批次梯度柱对同一聚乙烯样品的测量结果一致性良好，进一步证明了该方法的可靠性和实用性。

5 结论

本文系统研究了密度梯度柱法在聚乙烯密度测定中的应用，以异丙醇- 水体系为基础，优化了密度梯度柱的配置流程、校准方法及稳定性控制技术。通过实验验证，建立了高效、重复性好的密度梯度柱体系，该体系在 23% 下可稳定运行 48 小时以上，密度测量精度达 ±0.0001g/cm³ ，显著优于传统液体置换法。研究结果表明，密度梯度柱法在聚乙烯产品质量控制、牌号鉴定及结晶度分析等方面具有重要的应用价值，为聚乙烯材料的质量检测和性能研究提供了可靠的技术手段。未来，可进一步探索该方法在其他聚合物材料密度测定中的应用，拓展其应用范围，并结合现代分析技术，提高测量的自动化和智能化水平，为聚合物材料的研究和生产提供更高效、准确的检测方法。

参考文献：

[1] GB/T 1033.2-2010. 塑料 非泡沫塑料密度的测定 第 2 部分：密度梯度柱法.

[2] 孟令辉等. 密度梯度管法测定聚烯烃密度的关键影响因素. 塑料工业, 48(6), 110–114.