黏度法测定超高分子量聚乙烯分子量的研究

 超高分子量聚乙烯具有极强的耐磨性、抗冲击性、抗低温、耐环境应力开裂性、自润滑性等优良特性。超高分子量聚乙烯的优异性能源自于其超高分子量。
目前，国内应用较多的超高分子量聚乙烯的黏均分子量为200万—400万。而美国通常为400万—600万。近年来泰科纳公司甚至推出黏均分子量超过1000万的超高分子量聚乙烯。由于超高分子量聚乙烯的分子量范围如此之广，准确测定其分子量就显得十分必要。对于超高分子量聚乙烯用户而言，黏度法因简单、方便、快捷且经济成为首选测定方法，ASTM D4020—2011中规定了黏度法测定超高分子量聚乙烯的试验流程，但我国还没有出台黏度法则定超高分子量聚乙烯分子量的具体标准，GB/T 1632.3—2010中也只对聚乙烯和聚丙烯的分子量测定做了相关规定，并没有给出黏度法测定超高分子量聚乙烯分子量试验的具体规定。
针对这种现状，研究的主要目的在于：（1）验证美国标准ASTM D4020—2011的乌氏黏度计是否合适国内常用的超高分子量聚乙烯分子量；（2）探讨能否用奥氏黏度计代替国家标准GB/T1632.3—2010中的乌氏黏度计，完成超高分子量聚乙烯分子量地测定。
试验部分：
主要原料超高分子量聚乙烯粉料采用北京东方石油化工公司M二，黏度分子量为250±50万。
参照ASTM D4020—2011，以十氢萘作为溶剂，首先在温度为150℃的硅油浴中准确配置浓度为0.040g/（100mL）的超高分子量聚乙烯溶液，并将该溶液稀释为浓度分别为0.008,0.016,0.024，0.032,0.040g/100ml的五种超高分子量聚乙烯溶液；然后在温度为135℃的硅油浴中，分别用三种黏度计策定溶剂十氢萘及超高分子量聚乙烯溶液流出的时间最后采用外推法或一点法处理试验数据，最后得出超高分子量聚乙烯的特性黏度，通过[ŋ]=3.53×10-4M ŋ0.73方程，求算超高分子量聚乙烯的黏均分子量
结果与讨论
黏度计与毛细管内径的选择、溶液的浓度与溶剂的选择、稳定剂的作用、试验温度的控制以及数据处理的方法等对试验结果均能造成一定的影响。
1、 溶液浓度对测定结果的影响
超高分子量聚乙烯溶液浓度的设定需要遵从两个原则：（1）保证超高分子量聚乙烯在溶剂中能完全溶解，避免形成凝胶。因此溶液浓度不易过高，试验发现，，浓度为0.500g/ml的超高分子量聚乙烯溶液因出现大量凝胶而不能在十氢萘中完全溶解。（2）溶液的流出时间应控制在一个合理的时间范围内，溶液的流出时间短，实验者的主观误差对试验结果影响较大；流出时间过长，超高分子量聚乙烯可能发生氧化降解，使测定结果偏小。若溶液浓度偏大，会导致流出时间较长，则相对黏度的计算不能忽略溶液密度的影响，会使测定的分子量较真实值偏小。综上所述，流出 时间不合理会造成黏均分子量计算数值不准确。
2、 溶剂对测定结果的影响
二甲苯、液体石蜡及十氢萘均可作为超高分子量聚乙烯的溶剂。其中，ASTM D4020—2011中明确规定，选用十氢萘溶解超高分子量聚乙烯，测定其分子量。试验表明，用黏度法测定超高分子量聚乙烯的分子量，十氢萘较液体石蜡、二甲苯更适合作为超高分子量聚乙烯的溶剂。
3、 抗氧剂对测定结果的影响
超高分子量聚乙烯溶液的配制及特性黏度的测定过程均需在高温条件下完成，而高温条件下超高分子量聚乙烯易发生氧化降解，带来很大的误差，使其黏均分子量降低。经过试验表明：（1）未加入抗氧剂的超高分子量聚乙烯溶液发生了不同程度的降解，分子量均有不同程度的降低；
（2）加入抗氧剂能有效地防止超高分子量聚乙烯的降解。
结论
（1） 用黏度法测定超高分子量聚乙烯的黏均分子量，溶液的流出时间控制在80.0—140.0s较好，超高分子量聚乙烯溶液的浓度范围在0.008—0.050g/（100ml）之间比较合适。
（2） 十氢萘是配置超高分子量聚乙烯溶液的较佳溶剂。
（3） 加抗氧剂能有效地防止超高分子量聚乙烯的氧化分解。
（4） 控温精确到±1℃对黏度法测定超高分子量聚乙烯分子量地影响较小。
（5） 测定超高分子量聚乙烯分子量选择奥氏黏度计更方便、快捷、经济。