一．應用背景：難于測量的聚烯烴

    聚烯烴通常包括聚乙烯和聚丙烯。與常見高分子材料不同，聚烯烴材料在室溫條件下難以溶于幾乎所有常見的一般溶劑。因此很難在常溫下獲取聚烯烴的溶液，粘度測量也無法在常溫下進行。

    樣品粒子必須在很高的溫度(對于PE和PP為135°C)下進行溶解，制成溶液后轉移至粘度計中，一切操作都要在接觸或者使用十氫萘或四氫萘(對于PE和PP) 的情況下進行；而十氫萘或四氫萘本身具有毒性并散發強烈臭氣。在測試完成后，還必須人工將粘度計從高溫硅油浴槽中取出，然后對粘度管進行清洗。

    隨著實驗室對操作人員工作環境安全性要求的提高，這些常規的步驟現在幾乎無法再由人工操作完成。這對聚烯烴溶液粘度測量的開展極為不利，越來越多的實驗室開始轉向其他的質量控制方法 (例如熔融指數法)。在此過程中，人們漸漸忽略掉，卻不得不面對的一個現實是，毛細管粘度法具有測量準確度高和信息量大等巨大優勢，這是其他方法無法望其項背的。

二．LAUDA粘度計解決方案

    針對聚烯烴粘度測量的上述特點和難點，LAUDA進行了針對性開發和設計，目前可以提供多種成熟的配套和方案。

方案 1——集成在恒溫浴中的粘度管內自動樣品配制

    LAUDA目前可以提供這樣一套特殊配置，它以PVS粘度測量系統為主體，PV系列浴槽為恒溫裝置，采用稀釋型烏氏粘度管，浴槽底部內置了磁力攪拌器，同時裝配了耐高溫的VRM4HT自動清洗器。

    該系統可以*克服文章初提到的各種問題，實現在135°C高溫條件對聚乙烯和聚丙烯粘度的自動測量和自動清洗，操作簡便而無任何安全隱患。

    PVS模塊系統具有靈活的可擴展性，可適用于各種對樣品處理數量有不同需求的用戶。用兩位的PVS1/2配套，每天(按8小時計算)可測試完成多至6個樣品；用四位的PVS1/4配套，每天可測試完成雙倍的樣品量，即多達12個樣品的測試。為滿足更高樣品通量的需求，LAUDA還可提供帶有自動進樣器的配置，使得設備在無人監管情況下（例如午休時間和夜間）也能自動運行。配置示意圖見下面圖1。

    與傳統操作方式不同，塑料粒子將會在粘度計內部進行溶解。將稱重后的粉末狀或顆粒狀樣品，通過一個漏斗(11,圖1) 從進樣口(8)直接加入到稀釋烏氏粘度計(3)中。PVS程序控制滴定管(2)，通過沖洗模塊VRM4HT(1)，向到兩支稀釋粘度計中的一支內加入精確量的溶劑。溶劑在室溫（20~30℃）和測試溫度（135℃）之間會有一定的體積膨脹，這部分體積膨脹造成的溶液濃度變化可由軟件計算進去。裝配在恒溫浴槽底部的磁力攪拌器 (4,5)可以加速聚合物樣品的溶解和恒溫。

    經過一段預熱時間（可由用戶自行選擇和調整）之后，軟件程序開始自動運行測量。測量特性粘度使用的方法為串列稀釋法，或稱稀釋線性外推法。*測量循環，因為未經稀釋，測試的是高粘度的溶液。之后樣品溶液會按照預先設置好的濃度進行自動稀釋，預熱，測試，如此反復，直至完成整個濃度系列樣品的測試。

    關于測量特性粘度的詳細原理和計算公式等，可在國內外多種文獻上查到，在此不多贅述。

圖  1: 配有自動滴定管和兩支稀釋粘度計的PVS1/2兩位測量系統的示意圖

圖例：

(1) 自動清洗模塊 VRM4HT                                          (2) 自動滴定管 (瑞士萬通765型)

(3) 帶有燒結玻璃砂過濾器的稀釋型烏氏粘度計           (4) 磁力攪拌子

(5) 內置磁力攪拌器                                                      (6) PTFE 抽出管，用于排出樣品和溶劑

(7) VRM-加液管路，清洗溶劑進入毛細管                   (8) 手動加樣口

(9) 封閉堵頭                                                                (10) VRM-抽出管路，樣品和清洗溶劑排出毛細管

(11) 加樣漏斗                                                              (12) 外接可控抽出泵 VRP

(13) 硅膠管-連接抽吸泵和廢液瓶                                (14) 硅橡膠通氣管路-蒸氣排出

(15) 用于盛放樣品和清洗劑的廢液瓶                          (16) 瓶蓋 ( GL45螺紋)

(17) PTFE管路-連接VRM4HT和溶劑瓶                    (18) 用于盛放清洗溶劑的儲液瓶

(19) PTFE管-連接滴定管和VRM4HT                        (20) 用于抽出熱聚合物溶液的閥單元 

(21) 用于從滴定管饋送溶劑的閥單元

    在系列測量完成之后，LAUDA配置了一臺強力可控的抽吸泵(12)，將樣品經由一個放置在恒溫浴里面的獨立的閥單元(20)，排出到廢液瓶(15)中。然后通過VRM4HT(1)將清洗溶劑(即樣品溶劑)饋入粘度計中進行沖洗，并終將粘度計吹干。在一個完整的清洗程序完成后，粘度計即可進行下一個系列樣品的粘度測量。

    要完成一個樣品的測試，通常可能需要1.5到2小時的時間。造成測試耗時較長的主要原因在于，樣品在粘度管中的溶解過程可能需要1個小時或更久。我們有另外一套使用自動進樣器的配置，稍后將在下一節中做詳細介紹。

    LAUDA粘度計在表征聚乙烯和聚丙烯粘度上重要的特點，總結如下：

將粉末狀或顆粒狀的樣品加入到具有燒結玻璃砂過濾器的特殊的稀釋粘度計中，粘度計內有一個磁力攪拌子，粘度計置于135°C高溫浴槽中，樣品在此溫度下自動溶解和稀釋，不需要轉移熱樣品和溶劑。

在用戶預先選擇的溶解和恒溫時間結束后，系統自動啟動測量，保證了測量的再現性，并進一步簡化了操作。

特殊設計的閥單元可用于液體的分配，這使得兩只粘度計只需要一臺加液分注器。

通過VRM4HT模塊和一臺大功率的真空泵，將樣品排至廢液瓶，然后向粘度管內加入清洗溶劑，對粘度管進行*地清洗和干燥，可保證粘度計中沒有樣品和清洗劑的殘留物。

對于加液分注器的操作，以及清洗溶劑的充滿和排出操作，都是受程序控制的。  

兩個或四個樣品的測量均可*自動運行。

方案2——帶有自動進樣器和集成溶解站的PVS

    對于樣品數量較大的用戶，LAUDA可以提供另一個更高版本的配置，它是在前面所述的帶有自動清洗模塊的兩位或四位的配置基礎上進行升級而來的。

    對于這個版本的PVS系統，需要的更多的功能模塊：一臺PAL自動進樣器，一只自動加熱的饋液注射器，一個與注射器相配套的溶解站。溶解站采用電加熱方式，高使用溫度可達200°C，可同時放置多達14個PE/PP樣品進行溶解。制備完成的樣品溶液，首先被吸入加熱的注射器中，然后以自動進樣的方式加入到固定在135°C恒溫浴中的玻璃粘度計中。

    對于粘數的測量，或用近似公式（例如按照Schulz-Blaschke公式）進行的特性粘度的測量，不需要稀釋型的烏氏粘度管，因此不需要將磁力攪拌器內置在恒溫浴槽下面。對于上述測試，采用標準的DIN/ISO/ASTM烏氏粘度計I(k=0.01)即可。由于這種粘度管沒有燒結玻璃砂過濾器，樣品溶液加入之前，必須要進行過濾處理，以避免測量值的離散，同時避免溶液中未*溶解的聚合物或凝膠顆粒對尺寸狹窄的毛細管造成堵塞。

    LAUDA提供一種由耐腐蝕的不銹鋼材料制成的過濾元件(0.1mm孔徑)，進樣前將此元件插入到樣品瓶中。自動進樣器的加樣注射器會通過這個過濾元件抽取樣品，而無需進行人工過濾。這個過濾元件可以稱之為“在線過濾器”。這些過濾器清洗容易，過濾網的更換也快速簡單。

    溶解站共15個工位，其中14個位置用于放置樣品，1個位置預留出來用于放置注射器的清洗瓶。向樣品瓶中精確計量加入溶劑后，將樣品瓶放入到溶解塊中。之后的操作循環將繼續進行：

1. 用戶使用實驗室天平稱重PE/PP樣品到 50 ml 樣品瓶(LAUDA附件)中，并加適量體積(約30-50 ml)的溶劑。可以手動加入，也可用計量分注器加入。此時必須要考慮，液體加入時的溫度是室溫，而測量溫度是135℃，室溫時的液體體積比它在粘度計內測量溫度下的體積要小得多。對于這個效應帶來的影響，可通過LAUDA粘度計的PC軟件考慮進去，此時可行的解決辦法是以質量濃度作為標準。因此 LAUDA已開發了一種方法，它以商業分析天平和計量加液器（如Metrohm 765）為基礎，精確的容量和重量的計量能直接與PVS軟件或LIMS通訊。

2. 加入溶劑后，放入磁力攪拌子，插入在線過濾器并用鋁箔密封瓶子，后將樣品瓶放入到帶磁力攪拌功能的加熱塊中。加熱器與自動進樣器配套使用。隨后用戶須立即在PVS軟件界面中將樣品設置為“已為測試做好準備”并確定溶解時間。

3. 在135°C 或更高溫度的攪拌器中，溶解過程開始后，可使用合適的方法(如攪拌、搖動或二者結合)使樣品加速溶解并達到佳的均勻化效果。

4. 樣品準備完成后，一般按照攪拌器上標注的編號順序，排放在攪拌器內。如有某個樣品需要馬上進行測量，則可以通過對該編號樣品設置優先級來實現。

5. 在設定的溶解時間走完后，自動進樣器開始處理第一個樣品，樣品會通過在線過濾器進入注射器，注射器每次可將5ml樣品經由電動馬達驅動的進樣口注入到粘度計中。進樣過程結束后，注射器（或進樣器）將自動移動到溶解站上預留的特定位置，進行清洗和干燥。此時如果下一個樣品的溶解已完成，且有其它任一測量臺為可用狀態的話，此樣品將會繼續運行自動進樣程序。

6. 用戶可根據溶解站和恒溫浴槽之間的溫度設置樣品的預熱時間。預熱時間結束之后，流動時間的測量啟動。軟件會自動計算多次流動時間的平均值，再根據事先已經測得的聚合物溶劑的粘度和樣品濃度數據，評估得出粘數或特性粘度。例如，按照Schulz-Blaschke公式計算IV。

7. 測量一經完成，粘度管中的樣品將通過一個加熱的閥塊抽出到廢液瓶中，然后進行粘度計的*清洗和干燥。此過程由VRM4HT清洗模塊與一臺外接泵共同完成。自動清洗完成后，測量臺恢復到可用狀態。

結束語

    對于上述的兩種LAUDA粘度測量系統配置，由于樣品的配制、測量、稀釋和清洗等所有步驟都是在裝置內部進行，并*由計算機控制，這就大大簡化了聚乙烯和聚丙烯溶液粘度測量的實際操作流程，有效避免了操作人員與有毒溶劑和高溫介質的直接接觸。在出色完成所有這些工作的基礎之上，PVS系統的準確度、適應性和數據完整性不會受到任何影響。LAUDA目前在國內的聚烯烴應用實例，包括上海石化、沙伯基礎工業、燕山石化、茂名石化、賽科石化、撫順石化、獨山子石化等等。