一种测试聚合物用填料表面自由能的方法技术

本发明专利技术公开了一种测试聚合物用填料表面自由能的方法，包括以下步骤：(1)将待测的填料样品进行干燥后，装入填充柱；(2)将步骤(1)得到的填充柱老化；(3)设置参数，开启气相色谱仪测试系统，注入非极性探针分子混合液和极性探针分子，测试得到非极性探针分子的保留时间和极性探针分子的保留时间；(4)计算，本发明专利技术的测试方法适用于多种无机填料，测得的结果准确、稳定、可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无机填料表面自由能测试
，具体而言，涉及一种测试聚合物用填料表面自由能的方法。
技术介绍
填料是聚合物工业的主要原料之一，能赋予聚合物许多优异的性能，比如使非自补强橡胶具有实用价值，用于橡胶工业的填料主要有炭黑、白炭黑、碳酸钙、高岭土、蒙脱土、陶土、云母粉、滑石粉等。填料的表面自由能影响其与聚合物的吸附性、结合性和分散性，对于聚合物体系的加工性能和成品性能起到至关重要的作用，通过与聚合物的物理化学作用影响橡胶的补强，继而影响到聚合物产品的物理机械性能和动态力学性能，此处填料的表面自由能可以看成填料的表面活性。但是目前并没有对无机填料和有机填料的表面活性进行细致研究，以往测试表面自由能的方法也存在操作繁琐和重复性差的缺点，且得到的数据单一，不能多方面反映填料的性质。特别是针对透光性差、难气化的炭黑来说，测试炭黑的表面活性尤为困难。填料的表面活性可以通过表面自由能来反映，本技术就是测试填料的吸附自由能、色散自由能和极性分量来分析填料的吸附性、极性/非极性程度、团聚程度、在聚合物中的分散性以及与各种聚合物的相容性，进而判断填料在聚合物中的使用性能。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种测试聚合物用填料表面自由能的方法，本专利技术的方法操作简单，重复性好，结果准确，适用于多种无机填料。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种测试聚合物用填料表面自由能的方法，包括以下步骤：(1)将待测的填料样品进行干燥后，装入填充柱；(2)将步骤(1)得到的填充柱老化；(3)设置参数，开启气相色谱仪的测试系统，注入非极性探针分子混合液和极性探针分子，测试得到非极性探针分子的保留时间和极性探针分子的保留时间；(4)计算：求净保留体积：Vn＝j2·D(tr-tm)其中：j为校正因子，D为柱后流量，tr为保留时间，tm为死时间；校正因子j通过下式求得：j=(pi/p0)2-1(pi/p0)3-1×32]]>其中，pi指色谱柱进口压力，即柱前压，p0指色谱柱出口压力，即柱后压；求吸附自由能-ΔG=RTlnCVNSg]]>-ΔG指吸附自由能的负值，R指气体常数；T指填充柱温度；C＝299；S指填料的总比表面积；g指填充柱内填料的质量，用注入的非极性探针分子的-ΔG对碳原子数绘制趋势线，求出斜率，得到单个亚甲基引起的吸附自由能变化-ΔGCH2；求色散自由能rsd=[-ΔGCH22NAαCH2]21rCH2]]>指色散自由能，NA为阿伏伽德罗常数；αCH2指单个CH2的面积(0.06nm2)；rCH2表示仅由CH2基团构成的固体物质的表面能，以聚乙稀为标准，取值为35mJ/m2；求极性探针分子吸附自由能的极性部分-ΔΔG，由所述非极性探针分子的-ΔG对其分子截面积做线性方程式，然后把极性探针分子的分子截面积代入方程式，得到极性分子吸附自由能的非极性部分，再用极性分子总吸附自由能减去其非极性部分，即得到-ΔΔG；求填料表面自由能的极性部分Isp=-ΔΔGNAαP]]>αp为探针分子占据填料的表面积；填料表面自由能r由极性部分和非极性部分两者组成，r＝rsd+Isp为填料的非极性部分表面自由能，也称为色散自由能；Isp为填料的极性部分表面自由能；所述填料包括炭黑、白炭黑、碳酸钙、蒙脱土、高岭土、云母粉、陶土、滑石粉。进一步，步骤(3)中，所述非极性探针分子混合液包括正戊烷、正己烷和正庚烷，体积比为1:1:1。进一步，步骤(2)中，所述老化的温度为130-150℃。进一步，步骤(3)中，设置参数时，若填料为炭黑或白炭黑，将测试温度设置为130℃；若填料为碳酸钙、蒙脱土、高岭土、云母粉、陶土或滑石粉，将测试温度设置为100℃。进一步，步骤(4)中，对rCH2利用下式进行校正：rCH2=36.8-0.058T]]>进一步，步骤(3)中，非极性探针分子混合液向填充柱中注入3次，非极性探针分子的保留时间取3次的平均值。本专利技术的有益效果如下：1、将3种非极性探针分子混合后再注入填充柱中，各探针分子之间相互不干扰，避开了不同非极性探针分子之间的操作时间误差，使做出的线形方程式的方差提高到0.999以上；2、本专利技术计算时采用与现有技术不同的公式，使整个计算过程适合于无机填料，并且结果更精确和稳定；3、本专利技术重新给出了无机填料的老化温度、使用的探针分子种类、测试温度等参数，突破传统观点，使测试结果更准确。具体实施方式为了使本领域的人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。实施例一：一种测试聚合物用填料表面自由能的方法，包括以下步骤：(1)待测的颗粒状填料选用60-80目，粉状填料直接使用，将待测的填料样品放入烘箱中在125℃条件下干燥1小时，干燥后，装入填充柱，填充柱选用不锈钢材质，填充前先对空的填充柱进行净化处理，再称取适量的填料填入填充柱；对于颗粒状填料，尤其是炭黑，颗粒不均匀，若直接装填柱子，会造成密实度不均匀，增加测试误差。(2)将步骤(1)得到的填充柱老化，老化需要在氮气环境下进行，控制温度130℃，老化10小时；通常无机填料选择高于180℃的温度进行老化，但是本专利技术的专利技术人发现，无机填料在180℃以上的氮气环境中长时间老化时，比表面积会变大，造成测量结果出现偏差，本专利技术选择130-150℃老化，对无机填料的表面性质影响不大，并且能达到老化的目的。(3)设置参数，开启气相色谱仪测试系统，注入非极性探针分子混合液和极性探针分子，测试得到非极性探针分子的保留时间和极性探针分子的保留时间；其中，所述非极性探针分子混合液包括正戊烷、正己烷和正庚烷，体积比为1:1:1，极性探针分子包括甲醇、甲苯、乙酸乙酯和乙腈，若填料为炭黑或白炭黑，将测试温度设置为130℃；若填料为碳酸钙、蒙脱土、高岭土、云母粉、陶土或滑石粉，将测试温度设置为100℃。对于反相气相色谱，通常采用正戊烷、正己烷、正庚烷和正辛烷，但是本专利技术的专利技术人发现正辛烷极性参数较大，与前三种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测试聚合物用填料表面自由能的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将待测的填料样品进行干燥后，装入填充柱；(2)将步骤(1)得到的填充柱老化；(3)设置参数，开启气相色谱仪的测试系统，注入非极性探针分子混合液和极性探针分子，测试得到非极性探针分子的保留时间和极性探针分子的保留时间；(4)计算：求净保留体积：Vn＝j2·D(tr‑tm)其中：j为校正因子，D为柱后流量，tr为保留时间，tm为死时间；校正因子j通过下式求得：j=(pi/p0)2-1(pi/p0)3-1×32]]>其中，pi指色谱柱进口压力，即柱前压，p0指色谱柱出口压力，即柱后压；求吸附自由能-ΔG=RTlnCVNSg]]>‑ΔG指吸附自由能的负值，R指气体常数；T指填充柱温度；C＝299；S指填料的总比表面积；g指填充柱内填料的质量，用注入的非极性探针分子的‑ΔG对碳原子数绘制趋势线，求出斜率，得到单个亚甲基引起的吸附自由能变化‑ΔGCH2；求色散自由能rsd=[-ΔGCH22NAαCH2]21rCH2]]>指色散自由能，NA为阿伏伽德罗常数；αCH2指单个CH2的面积(0.06nm2)；rCH2表示仅由CH2基团构成的固体物质的表面能，以聚乙稀为标准，取值为35mJ/m2；求极性探针分子吸附自由能的极性部分‑ΔΔG，由所述非极性探针分子的‑ΔG对其分子截面积做线性方程式，然后把极性探针分子的分子截面积代入方程式，得到极性分子吸附自由能的非极性部分，再用极性分子总吸附自由能减去其非极性部分，即得到‑ΔΔG；求填料表面自由能的极性部分Isp=-ΔΔGNAαP]]>αp为探针分子占据填料的表面积；填料表面自由能r由极性部分和非极性部分两者组成，r＝rsd+Isp为填料的非极性部分表面自由能，也称为色散自由能；Isp为填料的极性部分表面自由能；所述填料包括炭黑、白炭黑、碳酸钙、蒙脱土、高岭土、云母粉、陶土、滑石粉。...

【技术特征摘要】
1.一种测试聚合物用填料表面自由能的方法，其特征在于，包括
以下步骤：
(1)将待测的填料样品进行干燥后，装入填充柱；
(2)将步骤(1)得到的填充柱老化；
(3)设置参数，开启气相色谱仪的测试系统，注入非极性探针分
子混合液和极性探针分子，测试得到非极性探针分子的保留时间和极性
探针分子的保留时间；
(4)计算：
求净保留体积：
Vn＝j2·D(tr-tm)
其中：j为校正因子，D为柱后流量，tr为保留时间，tm为死时间；
校正因子j通过下式求得：
j=(pi/p0)2-1(pi/p0)3-1×32]]>其中，pi指色谱柱进口压力，即柱前压，p0指色谱柱出口压力，即
柱后压；
求吸附自由能
-ΔG=RTlnCVNSg]]>-ΔG指吸附自由能的负值，R指气体常数；T指填充柱温度；C＝299；
S指填料的总比表面积；g指填充柱内填料的质量，用注入的非极性探
针分子的-ΔG对碳原子数绘制趋势线，求出斜率，得到单个亚甲基引起
的吸附自由能变化-ΔGCH2；
求色散自由能
rsd=[-ΔGCH22NAαCH2]21rCH2]]>指色散自由能，NA为阿伏伽德罗常数；αCH2指单个CH2的面积
(0.06nm2)；rCH2表示仅由CH2基团构成的固体物质的表面能，以聚乙稀为
标准，取值为35mJ/m2；
求极性探针分子吸附自由能的极性部分-ΔΔG，由所述非极性探针分
子的-ΔG对其分子截面积做线性方程式，然后把极性探针分子的分子截

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏，周海妮，周敏建，王利杰，邹玉荣，
申请(专利权)人：青岛黑猫炭黑科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：山东;37