密度梯度柱配制方法的研究与改进

密度梯度柱配制方法的研究与改进

赵亮，郭东昉，武瑞

久泰能源（准格尔）有限公司质检部，内蒙古鄂尔多斯 017000

摘要：通过经验公式计算出轻液和重液的密度，并以轻液、重液为母液进行密度梯度柱的配制，同时采用GB/T 1033.2-2010推荐的方法做对照试验，对两种方法配制的梯度柱的线性拟合效果、灵敏度、稳定性等进行比较，得出最终结论。

关键词：密度梯度柱；计算公式；配制方法

本文将介绍一种用于聚乙烯树脂密度测定的梯度柱的配制方法，并从梯度柱线性拟合效果、灵敏度（相对于每单位柱高）、稳定性等几个方面比较该方法与GB/T 1033.2-2010推荐的配制方法的优劣，并给出比较结论。同时，探讨了可能影响梯度柱配制效果的一些影响因素。

1密度梯度柱的配制装置及配制方法

1.1 密度梯度柱配制装置

使用英国Ray-Ran公司的RR/DGA型密度梯度仪或与图1类似的梯度柱配制装置，其主要组成部分及规格为：

密度梯度柱：带盖圆柱形玻璃管，直径5.3cm，总高度85.5cm，其中标尺刻度范围0-70cm，最小刻度2mm。

恒温水浴槽：控温范围0-100℃，控温精度±0.05℃，底部有恰好能夹紧密度梯度柱的夹套。

蠕动泵：转速0.5L/h-1.5L/h可调，带有自吸功能。

容器1及容器2：带下口的锥形玻璃瓶，容积为1000mL。

磁力搅拌：在容器2中放入外层为聚四氟乙材料的磁转子，可实现对容器2中溶液的搅拌。搅拌速度固定为80rpm。

注液管：硅橡胶软管。

考克：即旋塞式小阀，装在连接容器1和容器2下口的软管上，可以实现开启或阻断容器1和容器2的连接。

图1 密度梯度柱配制装置

1.2轻液和重液密度的计算

笔者根据对1.1所述梯度柱配制装置的建模分析，并通过大量试验验证，在GB/T1033.2-2010附录A给出的计算公式的基础上，推导出轻液、重液的密度计算公式如下：

式中：

ρ₁——欲配制的轻液的密度（23℃），单位为g/cm³；

ρ₂——欲配制的重液的密度（23℃），单位为g/cm³；

ρ_min——所选取的经过校准的玻璃浮子中，最轻浮子的密度值，单位为g/cm³；

ρ_max——所选取的经过校准的玻璃浮子中，最重浮子的密度值，单位为g/cm³；

C₁——修正系数，其取值范围为20%-30%；

C₂——修正系数，其数值等于C₁减去10%，即C₂=C₁-10%。

1.3 密度梯度柱的配制

（1）玻璃浮子的选择及密度梯度柱配制过程与GB/T1033.2-2010附录A所述步骤一致。根据选择的玻璃浮子密度，按照1.2公式（1）和公式（2）分别计算轻液和重液密度。

（2）待配好的密度梯度稳定至少24小时后，读取各个玻璃浮子在梯度柱中的高度并记录，将玻璃浮子的密度值和高度值进行回归计算，绘制“密度-高度”标准曲线，得到线性回归分析方程y=ax+b和判定系数R²。要求R²≥0.999，否则应重新配制密度梯度柱。

（3）测试塑料样品密度时，将样品轻轻放入上述梯度柱中，样品在梯度中下沉直到稳定在某一高度，此时读取样品高度，代入步骤（2）所述“密度—高度”标准曲线，即可得到样品的密度值。

2 实验部分

2.1按照第1部分所述方法配制梯度柱

1. 将密度梯度柱放入恒温水浴槽并用卡套固定好；

2. 选取6个标准玻璃浮子，其密度检定值分别为：0.9144g/cm³、0.9165g/cm³、0.9182g/cm³、0.9206g/cm³、0.9228g/cm³、0.9243g/cm³。

3. 选取水-异丙醇为浸渍液体系，按照1.2中所述公式，取C₁=30%，C₂=20%，分别计算得到轻液密度ρ₁=0.9114g/cm³，重液密度ρ₂=0.9263g/cm³。轻液配制850mL，重液配制800mL。

4. 将重液全部倒入容器2，打开磁力搅拌；将轻液全部倒入容器1。然后以0.6L/min-0.8L/min的速度开始向梯度柱中注入浸渍液，直到注液管不再有液体流出。从密度梯度柱管口移出注液管，将步骤（3）所诉玻璃浮子依次轻轻放入密度梯度柱中。如果玻璃浮子聚集或没有在整个密度梯度柱中均匀分布，则需要重新配制密度梯度柱。

5. 待配好的密度梯度稳定至少24小时后，读取各个玻璃浮子在梯度柱中的高度并记录。将玻璃浮子的密度值和高度值进行回归计算，绘制“密度-高度”标准曲线，得到线性回归分析方程和判定系数，如图2。

2.2按照GB/T1033.2-2010附录A推荐方法配制梯度柱

按GB/T1033.2-2010附录A推荐方法配制的密度梯度柱稳定至少24小时后，同样读取各个玻璃浮子在梯度柱中的高度并记录并绘制“密度-高度”标准曲线，得到线性回归分析方程和判定系数，如图3。

3 结论

3.1梯度柱的灵敏度

通过比较表1、表2和图2、图3可知，使用2.1所述新方法配制的密度梯度柱，最轻、最重浮子高度差达55.0cm，判定系数R²＞0.9999；而使用GB/T1033.2-2010附录A推荐的方法配制的梯度柱，最轻、最重浮子高度差仅为36.6cm，判定系数R²=0.9991勉强满足线性要求，表明使用新方法配制的梯度柱，玻璃浮子在梯度柱内不仅分布范围更宽、液层分布更均匀，而且相对于每单位柱高的灵敏度可以达到0.00018g/cm³，远低于按照GB/T 1033.2-2010附录A的0.00027g/cm³的灵敏度。

3.2梯度柱的稳定性

使用2.1所述方法配制的梯度柱由于其灵敏度更高，打捞试样及环境温度的变化对梯度柱的影响将更加显著，容易使梯度柱的稳定性遭到破坏。根据笔者长期使用经验，该方法下配制的梯度柱稳定使用周期在2-3个月，略低于标准推荐方法配制的梯度柱，但是已足够满足一般生产分析需要。

3.3 轻液、重液密度计算时修正系数C₁和C₂的取值

通过多次试验表明，计算轻液密度时，修正系数C₁的取值可以是20%-30%之间的任意数值，在该范围内配制的梯度柱均可获得较好的灵敏度和稳定性。C₁取值越接近20%，灵敏度越好（即标准曲线斜率绝对值较小）；C₁取值越接近30%，相对稳定性越好。

图 2 梯度柱“密度-高度”标准曲线

图3 梯度柱“密度-高度”标准曲线