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DSV稀溶液粘度检测技术及在高分子行业的应用

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2019/09/09

粘度计/流变仪

- 您在实验室中使用乌式粘度计吗？
- 测试中您是否不愿意与有毒剂接触？
- 您是否为了粘度测试过程中的温度波动造成的数据不稳而烦恼？
- 您是否为了乌式粘度计繁琐的清洗和校正步骤而头痛？
- 您是否每天长时间盯着秒表和粘度计刻度而头晕脑胀，感叹青春流逝？
今天和大家聊聊解决之道，一种先进的全自动粘度测试技术-DSV (Dilute SolutionViscosity)的原理和应用。
溶液粘度法介绍
特性粘度，比浓对数粘度，相对粘度，比农粘度和绝对粘度测试广泛应用于质量控制过程，从中可以得到与分子量和高分子物理性质相关的参数。相对粘度法广泛应用于高分子行业的生产和研发领域的检测和监控，如PET，PVC，PC，Nylon，纤维素等等。

在过去，粘度测试是利用乌式粘度计（玻璃毛细管粘度计）通过检测溶液在重力作用下的流过一段毛细管的时间来进行的。

左图：标准玻璃毛细管粘度计图，右图：Huggins 曲线外推和Kraemer曲线外推
两个最主要的影响溶液粘度的因素是温度和溶剂变化。如果使用传统粘度方法检测特性粘度，需要配置3-5个不同浓度的高分子溶液，得到比浓粘度或者比浓对数粘度。绘制Huggins曲线或者Kraemer曲线，并外推到浓度为零，得到特性粘度（右图所示）。
由于多浓度检测需要很长时间，很多控制实验室选择利用一个单一浓度测试比浓、比浓对数和相对粘度。检测者通常直接采用得到的数值或者使用一个经验方程外推到零浓度。很显然这种方法缺乏准确性，并且仍旧需要大量时间进行测试。
溶液粘度测试中有多种模型和计算方式
Huggins外推方程：

通过Stokes定律推导而出并进行校正而得，此方程只适用于各个分子间五相互作用，其中K_H是依赖于高分子大小，形状和溶剂的常数。
Kraemer 外推方程：

其中，K’是依赖于高分子和溶剂和常数。Kraemer在其理论中重新定义了特性粘度：

而得到了以上方程，理论上K_H+K’=0.5，但是Huggins和Kraemer方程实际运用过程中有时不能得到一致特性粘度

Solomon - Ciuta 单点法：

由于外推法的复杂性，学者们提出一点法方程。Solomon和Ciuta通过实验得到经验方程。通常来说，当K_H在1/3附近时，该方法可以具有较好的准确性。该方法常用于PMMA等高分子材料的测定。
BillMeyer单点法：

Bill Meyer 方程也是一种一点法方程，通过一个浓度下样品的相对粘度测试计算其特性粘度。该方法常用于PET等高分子材料的测定。
Mark-Houwink 方程：

用于将特性粘度和分子量联系起来的公式，其中 K 和a 是依赖于溶剂和高分子种类的常数。a值的大小可以反应分子线团密度以及分子的刚性和柔性信息。
一种新颖的粘度测试方法- 基于双毛细管压力器的稀溶液粘度仪

与玻璃毛细管粘度计通过检测溶液通过毛细管的时间不同，稀溶液粘度仪利用压力变化检测相对粘度。两个毛细管串联在一起，进样阀位于两个毛细管 1 和 2 中间。压差传感器检测每个毛细管两端的压力降。当样品被注入第二个毛细管时，压差传感器检测到毛细管2上的压力变化。相对粘度等于两个毛细管压力降的比值乘以仪器常数K。

由于相对粘度仪的灵敏度非常高，那么只需要检测一个足够稀释的溶液就能够直接得到所需粘度，而不需要外推。稀溶液粘度仪提供了一个准确、高精度的方法全自动的进行溶液粘度检测。
不同粘度仪结果对比

我们以PET这种广泛使用的高分子为例看看不同粘度测定法的测定结果：
测试样品：PET
测试溶剂：苯酚，四氯乙烷 3：2混合
测试条件和方法：GB/T 14190 - 2008（Bill M）
结果：
表1. 同一个PET样品的重复性

表2. 不同牌号PET样品测试

数据来源于：合成技术及应用 Vol.26,No.4,2011
可以看到不同的检测技术结果一致性很好，而且DSV技术可以提供更好的重复性。最后我们做一个简单总结：
相对于传统乌市毛细管粘度计：
- 无需清洗管路
- 通过ASTM 认证，Method D 5225-92.
- 高效，高速. 高通量
- 不需要水浴恒温.
- 封闭体系，更加安全，不存在溶剂接触危险.
- 样品使用量少，节省溶剂开支，减少废液排放.
- 压力读数保存，有利于维护维修和问题解决.
- 增加样品制备功能 (电脑控制天平读数或者机器手臂自动控制).
- 精确度达到 0.0005sp. (溶剂/样品同时被检测)
最后做一个简单的对比:

也希望将来和大家探讨更多关于粘度的技术和应用问题。
http://www.quantaflux.com.cn/

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