北服纤维材料学专业实验指导06密度梯度法测定纤维密度

实验六密度梯度法测定纤维密度一、实验目的密度是纤维的一个重要物理参数，是纤维内在结构特点的一种表征。测定纤维的密度不但可以了解纤维的基本物理性能，而且可作为研究纤维的某些超分子结构和形态结构的一种有效手段。测定纤维密度还能鉴别纤维品种，定量分析二元混纺纱线和织物中某一纤维含量和混合均匀度，计算中空纤维的中空度和复合纤维的复合比等。因此对纤维密度的研究具有较大的理论意义和实际意义。 通过本实验应达到以下目的： 1.掌握密度梯度法测定纤维密度和结晶度的基本原理； 2.学会连续注入法制备密度梯度管及用精密比重小球法标定密度梯度管的技术； 3.利用密度梯度法测定纤维的密度并计算纤维的结晶度。二、实验原理测定纤维密度的方法很多，密度梯度法由于具有设备简单、操作容易、应用灵活、准确快速的特点，并且可对一定密度范围内不同密度的试样进行同时测定，因而得到了广泛的应用，尤其是对于密度相差较小的试样更是一种有效的高灵敏度的测定方法。密度梯度法是利用悬浮原理测定固体密度的一种方法。将两种密度不同而又能相互混合的液体在玻璃器皿中进行适当混合后注入玻璃管（密度梯度管）中，使混合的液体自上部至下部的密度逐渐变大且连续分布形成梯度。管中混合液体形成密度梯度的原因是由于扩散速度与沉降速度相等时分散体系达到了平衡。 密度梯度管配置后须进行标定，作出密度高度关系曲线（如图6–1）。然后向管中投入被测试样，根据悬浮原理，试样在液柱中静止时，此平衡位置的液层密度恰等于试样密度。因此只要测出管中试样的体积中心高度，就可以从标准曲线上求出被测试样的密度值。三、仪器与试剂1.仪器水浴恒温槽（长方形或圆形均可，高度与梯度管高度相当）；恒温装置；晶体管继电器；导电表（0～50℃）；电动搅拌器；电热棒；精密温度计（0～50℃）；磨口塞玻璃管（梯度管）；磁力搅拌器；平底三角烧瓶及两通管；玻璃毛细管（孔径0.1cm）；精密比重小球（标准玻璃小球）；低温电吹风机，电动离心机（转速2000r/min）。2.试剂以丙纶为试样；乙醇；去离子水；四氯化碳。四、实验步骤1.拟定密度梯度管的测定范围密度梯度管的可测范围在上限（液柱底部的密度ρb）和下限（液柱顶部的密度ρt）之间。实验前应先根据被测试样的密度范围确定梯度管的上限ρb和下限ρt。通常，上限应比试样的最大密度略高，下限应比最小密度略低。本实验ρb和ρt分别应比试样密度的上、下限增大或减小0.005g/cm3。2.选择配制密度梯度管的液体许多液体都可用来配制密度梯度管，但在实际应用中要求所用的两种液体必须相互不起化学反应；粘度和挥发性较低；能相互混合并且在混合中有体积加和性；不被试样吸收且对试样是惰性的；对试样不发生溶剂诱导结晶；价廉、易得并且密度相差要适当（即能满足一定的测定密度的范围，又要保证较高的灵敏度。）具体选择何种溶液体系应根据试样的性质而定。一般纺织纤维通常选用二甲苯–四氯化碳体系；但丙纶溶于二甲苯，故通常选用异丙醇–水体系（也可用乙醇–水体系，但它们会发生缔合而使混合液发热，使密度的测定值偏低）；由于乙醇和水易废液处理，故本实验选用乙醇–水体系。3.轻液和重液的配制在配制梯度管之前须先根据所需密度梯度管上、下限的密度要求配制两份密度均匀的溶液，分别称为重液和轻液。按连续注入托起法配制梯度管，取轻液的密度等于密度梯度管的下限，重液的密度可按下式计算：（1）式中为轻液的体积；为梯度管内液体的累积体积。 按连续注入堆叠法配制梯度管，取重液的密度等于密度梯度管的上限，轻夜的密度可按下式计算：（2）式中为重液的体积；为梯度管内液体的累积体积。 为了保证密度梯度管的高灵敏度，轻液和重液的密度差应小于0.08～0.12g/cm3。附表1列举了几种化学纤维试样可选用的轻液和重液的密度范围，以供参考。 若选用的配制梯度管的纯溶剂满足轻液和重液的密度要求，可以直接用作轻液和重液。但在多数情况下应把两种纯溶剂配成混合液也才能满足要求。配成指定密度的混合液所需的两种溶剂量可由下式估算：（3）式中为混合液的密度；、分别为溶剂1和溶剂2的密度；为混合液的体积；、分别为配制混合液所需的溶剂1和溶剂2的体积。（4）或（5）根据计算结果分别量取两种溶剂混合并充分搅拌，即得轻液和重液，用比重计测其密度。若混合液的密度偏低则滴加重的溶剂，反之则滴加轻的溶剂，反复调整至指定的密度为止。4.密度梯度管的配制及标定配好了轻液和重液以后，即可进行密度梯度管的配制。其配制方法主要有两段扩散法、分段添加法、连续注入法等。本实验采用连续注入法（又分托起法和堆叠法）。采用连续注入堆叠法配制梯度管的装置如图6–2所示。3FE3FEG图6–2连续注入堆叠法制备密度梯度管的装置示意图A–轻液容器B–重液容器C–搅拌子D–磁力搅拌器E–钢丝环F–梯度管G–恒温水浴1、2–旋塞3–尖嘴弯管4–搅拌马达5–电热棒 配制梯度管时先将旋塞1和旋塞2关闭，然后将轻液和重液分别倒入A瓶和B瓶，调整尖嘴弯管3使尖嘴紧贴梯度管口内壁，将钢丝环F置于其下方。开启磁力搅拌器D，同时拧开旋塞1和旋塞2，调节B瓶中的溶液流速低于5～10ml/min。随着B瓶中的溶液通过尖嘴缓慢流向梯度管E，B瓶中的液面下降，A瓶中的液体顺次流入B瓶，使B瓶中液体密度不断减小。这样后流入梯度管的较轻的混合液一层层地向上堆叠，使管内液体形成连续的密度梯度。配制完毕后将钢丝环F取出，然后盖上梯度管的管盖。 梯度管可在配制时就置于恒温槽内，也可在配制完毕后再平稳地移入恒温槽。梯度管内液面应低于槽内液面，恒温控制在25℃±1℃。 密度梯度管的标定方法有比色法、液滴法、精密比重小球法、折光指数法等。本实验采用精密比重小球法。 选择数粒（一般5粒）符合所配制的梯度管密度范围的标准玻璃小球（最好其密度间隔相等），按密度由大至小依次轻轻地投入梯度管内，平衡2h后通过梯度管上的刻度读出每个小球的体积中心高度，然后将小球密度对小球高度作图，即得密度梯度的标定曲线。要求此曲线必须是直线，没有间断和拐点，此图的精度是±1mm，±0.001g/cm3。若发现个别小球的位置偏离直线，则需加入接近该点密度的轻液和重液进行补正，使小球移动以位于直线上，在经平衡即可使用。若有数个小球偏离直线较远，则应重新配制梯度管。 标定以后，标准小球留在梯度管内作为参考，以便复验和计算。5.纤维试样的准备为了精确测定纤维的密度，试样必须经过一系列处理：（1）脱油：把纤维整理成束，至于四氯化碳或乙醚中浸泡2h进行脱油。（2）干燥：将浸泡脱油的纤维束用镊子夹出，然后采用电吹风机的低温档进行干燥。注意吹风机口要与纤维束保持5cm以上的距离，以免风温过高对纤维不利，直至纤维束干透。（3）打结：干燥的纤维须用打结扣的方法使其成为直径2～3mm的小球。打结时必须轻柔，不能使试样有任何拉伸行为，特别对未拉伸纤维更应注意。（4）脱泡：将纤维小球置于盛有1～2ml轻液的离心管中，在2000r/min的离心机中脱泡2min（或于真空干燥器内用真空泵抽气脱泡20min）后迅速投入梯度管中。一种试样投5～10个球，化学纤维一般4h内即可读数（本实验取45min），天然纤维24h后方可读数。6.测定和计算通过梯度管上的刻度准确读出数个试样小球在梯度管中的高度，取其平均值，然后在已作出的标准曲线上找出该试样对应的平均密度值。 测试完毕，从梯度管内取出小球时切勿搅乱梯度管。如梯度管重复使用时间过长，密度梯度线性关系破坏，则梯度管应重新配制。若在梯度管的某一区域内，密度的变化与高度的变化呈线性关系，则试样的密度可以用内插法计算：（6）式中为被测试样密度；为位于试样小球上方的标准小球的密度；为位于试样小球下方的标准小球的密度；为对应的标准小球的高度；为对应的标准小球的高度；为被测试样的平均高度。五、测定纤维密度的应用实例1.用密度求结晶度由于结晶高聚物具有晶相和非晶相共存的结构状态，因而假定纤维的比容（密度的倒数）是晶相的比容与非晶相的比容的线性的加和，则可由下式计算其结晶度：（7）式中为试样结晶度，以重量百分比表示；为试样全结晶时的密度；为试样全无定形时的密度；为实测试样的密度。 、可以从文献上查得。一些纤维的和列于附表2。2.用密度求复合比复合比是指组成某种复合纤维中的各组分的百分比含量。假定复合纤维的比容也具有加和性，则若设为复合纤维的密度，可根据下式求得复合纤维中某一组分的体积百分含量：（8）式中为复合纤维中纯A组分的密度；为复合纤维中纯B组分的密度；为复合纤维中A组分的体积百分含量（体积复合比）。 如要求得重量复合比，则可根据下式：（9）式中为复合纤维中A组分的重量百分含量（重量复合比）。3.用密度求中空度中空纤维的中空度是表示中空纤维中空程度的指标。一般以纤维横截面的中空部分面积（S0）对横截面积（S）之比来表示。测得中空纤维的密度可由下式计算其中空度：（10）式中为某段中空纤维的密度；为与该段中空纤维的长度、横截面积和组分均相同的非中空纤维在相同条件下测得的密度。六、实验结果与数据处理1.密度梯度的标定：如表6-1所示。表6-1序号12345标准小球密度ρ（g/cm3）标准小球高度（cm）绘制密度梯度管的ρ和h的标定曲线。2.试样的测定结果：如表6-2所示。表6-2试样名称序号12345试样高度读数（cm）试样平均高度（cm）（1）在ρ–h曲线上查得试样的密度（g/cm3）。（2）用内插法计算得试样的密度（g/cm3）。3.试样的结晶度、复合比、中空度等的计算（此项根据实验内容而定）。七、思考题1.为了准确地测定纤维密度，实验中应注意哪些方面？2.密度梯度管的稳定性和持久性与哪些因素有关？3.列举测定纤维密度的其它方法，并比较其优缺点。附表1某些纤维试样可选用的轻、重液密度范围试样名称试样密度（g/cm3）轻液密度（g/cm3）重液密度（g/cm3）涤纶卷绕丝1.3361.311.39涤纶成品丝1.3901.361.45锦纶卷绕丝1.13～1.