聚合物中聚合物的特性粘度检测方案(聚烯烃表征分)

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全自动聚合物溶液特性粘度分析仪IVA 原理及应用 特性粘度分析仪(简称IVA)是一台紧凑且自动化的仪器，分析温度范围是室温到200℃，可以得到聚合物的特性粘度。配置42位自动进样器，分析过程既不需要人为的干预，也无需手动处理溶剂包括溶剂加入和溶解样品。IVA 的核心部件是耐用的双毛细管粘度计，可以获取特性粘度派生的相对粘度数据。不锈钢毛细管设计有自清洗和自校正功能，确保数据的可靠和重复性。此外，仪器的全自动化设计使分析过程安全性更高，因此 IVA 已成为实用和方便的可取代手工或者半自动测试聚合物特性粘度的仪器。 介绍 在工业研究和生产中聚合物的特性粘度表征非常的重要，特性粘度可用于评估材料的分子量信息，为研发和加工部门提供聚合物重要性能的信息。聚合物的特性粘度(IV or [n])通过聚合物稀溶液和纯溶剂的相对粘度计算而来。在许多工厂实验室稀溶液粘度测试方法实用，非常地流行，所以传统上聚合物的特性粘度用于指定和控制产品的等级。但是必须注意到 IV不是聚合物本身的性能(分子量信息是聚合物本身性能)，而是聚合物溶液的性能，它受溶剂和温度的影响。 IVA(特性粘度分析仪)是一款全自动的用于测试聚合物溶液特性粘度的仪器。该仪器与通常使用的有机溶剂相兼容比如十氢化萘四氢化萘三氯苯和二氯苯等。溶解温度和分析温度可以单独设定，温度范围从室温至200℃，这么宽的纬度范围带来的是很多类型的聚合物都可以用该仪器方便和安全地分析，即使是结晶聚合物。 图1.1.IVA 仪器从左至右依次为自动进样器，仪器主机和电脑软件部分。 特性粘度测定 IVA是采用双毛细管相对粘度检测器(该方法在上世纪80年代被发明并申请了专利 US4793174)测试特性粘度，结果不受温度压力或者流速变化等的影响，方法可靠。根据泊肃叶定律，毛细管粘度计的压力降△p与流体的流速Ｑ和毛细管长度L和半径r和流体的绝对粘度n]是成比例的： 对于许多行业还说，液体的绝对粘度很重要，可以用不同类型的毛细管粘度计得到。然而对于聚合物材料来说，研发者感兴趣的是稀溶液的相对粘度派生出来的特性粘度。 首先，聚合物的相对粘度[nrel]被定义为聚合物溶液和纯溶剂的粘度之比： 聚合物的相对粘度[nrel是一个无量纲的值，代表了聚合物的加入对溶剂粘度的贡献。溶液的相对粘度与聚合物的量或者说浓度成比例，而特性粘度则与这些无关。溶液的增比粘度与聚合物的特性粘度按照如下的方程得到： 特性粘度的单位和密度单位相反(比如 dl/g)，特性粘度定义为极稀溶液(浓度为0)的粘度，可以利用不同浓度测试得到相对粘度外推得到。-，一个更实用和有效的方法是基于单点法的相对粘度测试，假定浓度足够低能满足消除外推的需要或者用一个模型方程去获得外推值，在众多的模型方程中， Solomon-Ciuta 方程不需要其它参数，，可以用于得到特性粘度数值： IVA 仪器采用串联粘度计设置，双不锈钢毛细管以串联的方式连接，第一个毛细管用于测试纯溶剂的流动，第二个毛细管用于测试聚合物稀溶液的流动。每个毛细管的压力降作为时间的函数被高灵敏度的压力传感器连续测试，根据方程(1)和(2)，相对粘度和不同压力传感器的压力成比例和流速无关。仪器的常数通过纯溶剂流经双毛细管是标定，每次运行常数自动测定，用于补偿毛细管的长期小的变化(称之为自校正)。它也考虑到了管子尺寸，在这种设计中无需毛细管精确匹配。 当聚合物溶液流经体系时相对粘度作为时间的函数被计算，参比毛细管的使用可以忽略任何流速变化或者热效果的影响，有很高的灵敏度和长期稳定性。 IVA 特性粘度分析仪 IVA是一种精确方便地测试IV的仪器，整个分析过程从注入溶剂到得到报告完全自动化。固体样品被放入到20ml的样品瓶中，随后放置到到仪器自动进样器托盘上，一次分析可分析多达42个样品。分析人员只需填写样品信息，选择分析方法开始全自动分析过程，直到自动进样器中所有的样品分析完成。在软件控制下，仪器自动向样品瓶加入溶剂，控制每个样品瓶的溶解，注入聚合物溶液和冲洗毛细管。仪器设计紧凑，管线加热设计合理，聚合物溶液可以安全流经整个体系无降温沉降风险。上一次分析完成后新的分析可以立即运行，标准条件下一天可以分析40个样品。 在溶解和分析过程中为了避免聚合物降解，一些制造商关注了样品制备的过程， IVA 也极大地规避了或者说降低了降解的风险，其措施有在溶解开始之前向每个样品瓶通惰性气体(氮气)，保持每个样品在高温区的溶解并且时间最短同时每个样品在高温区的时间是一致的。处于外部托盘中的样品中直到软件设计需要转移到高温溶解炉中才从常温区进入高温区。 配置有热传输管线，溶剂在加入样品之前预加热，有助于缩短溶解时间。氧化和热降解被降至最低，保证了数据的准确性即使是材料是超高分子量材料或者易氧化聚合物，比如聚丙烯。 图2..IIVA 自动进样器左侧部分 整个分析过程中无需手动处理溶剂，体系是密闭的，无气体被释放到空气中。IVA 完全符合 HSE 的要求。 为了更加提升安全水平，仪器在不同的部位配置了三个气体感应器，可以检测潜在的溶剂泄露，如有泄露可终止实验。过热保护，以及加热器故障保护和软件检测都配置在仪器精密的电子部件中。 结果和应用 特性粘度测试由安置在相当精密和稳定温控的箱体内的双毛细管执行。仪器的流线设计相当简单，在顶箱有一个单一阀，结果可靠。 由IVA测试获得的 IV 数值与 ISO 1628-3：2010 方法相符，在下图3中我们可以看到一系列中等粘度到高粘度的聚丙烯的测试结果(溶剂 TCB，温度150℃)。 图3.IVA 仪器获得 IV 值和标准方法 IS01628-3：2010 获得值的线性相关性 备注： IVA： 溶剂 TCB，150℃，浓度 1mg/ml； ISO：溶剂十氢化萘，温度135℃，浓度1-1.5mg/ml。线性回归系数 R2 值为0.9999。 可以选择性配置一个红外检测器用于在线精确得到注入的聚合物的重量，否则需要用天平精确称量。红外检测器适用于脂肪族C-H键的检测，聚合物可以溶解在溶剂中，并且在红外区域是透明的。特别是聚烯烃比如聚乙烯和聚丙烯及 其共聚物。 应用案例： UHMWPE 特性粘度分析 聚合物保证最大的挑战之一就是超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)。这类型高结晶的聚合物材料特性粘度相当的高，仅能在有机溶剂中高温条件下溶解。在样品制备阶段要特别注意的是样品降解问题，样品降解会降低表观粘度，同时会导致增比粘度提高[nsp]。 Sample IV (dL/g) std (IR) std (balance) A 11.38 0.2 0.7 B 21.00 0.4 2.6 C 28.67 0.7 3.8 表1.3个 UHMWPE 样品测试结果 备注：分析条件温度140℃溶剂 TCB. std (IR)：检IR检测器6次分析的相对标准偏差， std (balance)：不采用 IR 检测器得到相对标准偏差。 三种不同的材料以浓度为 0.25或者0.15mg/ml，溶剂为TCB 测试最后得到特性粘度。为了降低热降解和氧化降解，加入氮气吹扫，震动溶解1小时。结果如图1所示，在ⅣV的计算中有两种方式，9一种是采用红外检测器检测得到稀溶液的浓度，另外一种是按照称量的聚合物质量计算得到稀溶液的浓度。我们可以清晰地看到采用红外检测器得到的结果更加精确，它消除了小量聚合物分析的误差和不溶物粒子的存在，重复性更好。 甚至30到50dl/g的高特性粘度的 UHMWPE 材料也可以用 IVA 仪器成功分析。特性粘度特别高时，溶解时间增加到3个小时，降低分析流速以保证系统反压在可接受的范围内。分析的聚合物的分子量可以达到1000万，而这么高的分子量材料表征是传统 GPC 无法实现的。对于许多的工业产品，粘度测定是唯一一种表征超高分子量材料的方法。 结论 1.一种新的全自动的特性粘度分析仪已经面世，可以满足高效精确和安全测试聚合物特性粘度的需求。从室温上200℃在各种溶剂溶解的聚合物材料都可以用IVA分析。 2.仪器分析过程全自动化运行，无需手动操作，，一次分析可以分析多达42个样品。 3.双毛细管自清洗和自校正技术，无需手动清洗，保证了结果的精确。在实际应用中，红外检测器的应用可以提升结果的准确度和精密度。特性粘度在 30dL/g的 UHMWPE 也可以用IVA 分析。 在工业研究和生产中聚合物的特性粘度表征非常的重要，特性粘度可用于评估材料的分子量信息，为研发和加工部门提供聚合物重要性能的信息。聚合物的特性粘度(IV or [h])通过聚合物稀溶液和纯溶剂的相对粘度计算而来。在许多工厂实验室稀溶液粘度测试方法实用，非常地流行，所以传统上聚合物的特性粘度用于指定和控制产品的等级。但是必须注意到IV不是聚合物本身的性能（分子量信息是聚合物本身性能），而是聚合物溶液的性能，它受溶剂和温度的影响。 IVA（特性粘度分析仪）是一款全自动的用于测试聚合物溶液特性粘度的仪器。该仪器与通常使用的有机溶剂相兼容比如十氢化萘 四氢化萘 三氯苯和二氯苯等。溶解温度和分析温度可以单独设定，温度范围从室温至200℃，这么宽的纬度范围带来的是很多类型的聚合物都可以用该仪器方便和安全地分析，即使是结晶聚合物。