实验5材料体积密度的测定（1）密度梯度管法测定结晶聚合物的密度和结晶度一、目的要求1．用密度梯度管测定聚合物的密度，并由密度计算结晶度。

2．掌握密度梯度管法测定聚合物密度的基本原理、密度梯度的标定方法和计算结晶度的方法。

二、基本原理聚合物密度是聚合物物理性质的一个重要指标，是判定聚合物产物、指导成型加工和探索聚集态结构与性能之间关系的一个重要数据。

尤其是结晶性聚合物，密度与结晶有密切关系，而结晶度又是表征聚合物性质的重要指标。

通过密度可以计算结晶度。

聚合物结晶度的测定方法很多，有X-射线衍射法、红外吸收光谱法、差热分析法、反相色谱法等，但这些方法都需要复杂的仪器设备，而用密度梯度管法测定结晶度，设备简单且数据可靠，是测定结晶度的常用方法。

密度梯度管是一个有刻度的柱形玻璃管，选用不同密度的可以互相混溶的两种液体，配制成一系列等差密度混合液，按低密度（轻液）居上，高密度（重液）居下的层次，以等体积分次地注入到柱形玻璃管中，任其自行扩散，最后构成密度自上而下逐渐递增的连续分布状态，通称密度梯度管或密度梯度拄。

再将预先标定好密度玻璃球投入管中进行标定，以玻璃球的已知密度对所处高度作图，得密度梯度管的标定曲线（图15-1）确定为直线后，即可用来测定聚合物的密度。

1.000.950.900.85图15-1乙醇-水体系密度梯度管标定曲线密度，g /c m 3将试样投入已标定的密度梯度管中，根据悬浮原理，试样将于某一高度处停留，即可读取密度梯度管的刻度，利用标定曲线找出试样的密度。

结晶性聚合物都是部分结晶的，即晶体和非晶体共存。

而晶体和非晶体的密度不同，晶区密度高于非晶区密度，因此同一聚合物由于结晶度不同，样品的密度不同，如果采用两相结合模型，并假定比容具有加和性，即结晶聚合物试样的比容V等于晶区V c 和非晶区比容V a 的线性加和，则有：V=V c f c +V a （1-f c ） （15-1）式中f c 为结晶度（即聚合物中结晶部分的重量百分比）。

设ρc 为被测聚合物完全结晶（即100%结晶）时的密度，ρa 为被测聚合物完全不结晶（无定形）时的密度（某些聚合物的见附录6），则有：V=1/ρ，V c =1/ρc ，V a =1/ρa （15-2）代入（15-1）得：（1/ρ）=（1/ρc ）f c +（1/ρa ）f a （15-3）简化后为： f c =三、仪器及药品仪器：压片机、空气浴、带夹套的密度梯度管（结构示意图于图15-2）、恒温水浴。

药品：无水乙醇、蒸馏水、高压聚乙烯、低压聚乙烯和等规聚丙烯。

图15-2密度梯度管结构示意图温度计水水四、实验步骤1．根据待测试样密度的大小选择密度梯度管中所用的液体，并确定密度梯度管的上、下限，本实验选择乙醇-水体系，其密度变化范围在0.79～1.00g/cm 3之间，对于高压聚乙烯、低压聚乙烯、等规聚丙烯均适用。

2．密度梯度管中密度梯度的配制。

将安装好的密度梯度管以水充满后，再放出水，量取体积，将此体积分成六份（所分份数越多，密度梯度的形成越快），按所得体积的100%、80%、60%、40%、20%、0%量取乙醇，与按所得体积的0%、20%、40%、60%、80%、100%量取的蒸馏水分别对应混合后搅拌均匀，再按密度从大到小依次小心缓慢地加入到密度梯度管中，稍微搅拌，并静止一段时间（实验前已配制完毕）。

3．将恒温水浴中已恒温在20℃后的水通入到密度梯度管的夹套中进行循环，使密度梯度管内的温度达到20℃，然后将已知密度的玻璃球投入管中，读取刻度（高度），作标定曲线，确定为直线后待用（实验前已标定）。

4．将少量样品用压片机在两个盖玻片间进行压片，再将试片于100℃的空气浴中进行结晶处理20min。

取出后剥去盖玻片，投入到密度梯度管中，读取刻度，用标定曲线找出密度后计算结晶度。

五、注意事项1．所制试片不能有气泡存在，如有气泡此试片不能用，必须另换（为什么？）。

2．经结晶处理后的试片，剥离盖玻片时要小心，且勿划手，也要避免盖玻片破碎后粘在待测试样上。

剥离后的试样要保持清洁，勿粘污杂物。

3．试样要轻轻投入到密度梯度管中，任其自然下落与悬停，试验后捞出试样时也要小心仔细，且勿破坏密度梯度管。

（2） 陶瓷材料体积密度、吸水率、气孔率的测定一、目的要求通过本实验熟悉并掌握测定陶瓷材料的吸水率、气孔率、体积密度的测量方法和烧成收缩指标，正确地制定坯体的烧结温度曲线。

二、基本原理烧结对陶瓷的应用有重要意义。

烧结可以理解为物质在高温作用下，密度和强度的提高。

在烧结过程中，密度的提高伴随着物料内空隙的排除和物料体积的收缩，所以人们常常用吸水率、气孔率、体积密度和烧成收缩等指标来衡量坯体的致密度和烧结状况。

体积密度：试样经110℃干燥后，质量与体积之比，单位为g／cm3。

吸水率：试样孔隙可吸收水的质量与试样经110℃干燥后质量的比，用百分率表示。

气孔率分为开口气孔率、闭口气孔率和总气孔率。

开口气孔率：在试样中与大气相连通的孔隙体积与试样总体积之比，用百分率表示；在数值上，它等于吸水率和体积密度的乘积。

闭口气孔率：在试样中与大气不通的孔隙体积与试样总体积之比，用百分率表示。

总气孔率：在试样中全部孔隙的体积，即开口和闭口的孔隙总体积，与试样总体积之比，用百分率表示。

在实际工作中，一般只测定开口气孔率。

三、仪器和样品①设备：烘箱、分析天平(精度0.001 g)、真空泵、真空干燥器、干燥器。

②装置见图xxx。

图xxx 体积密度、吸水率、气孔率测定装置（Ⅰ）1一贮液瓶2一活塞3一真空干燥器4一试样5一真空泵6一真空表图xxx 体积密度、吸水率、气孔率测定装置(Ⅱ)1一天平 2一天平盘 3一滥流杯 4一带孔吊盘 5一试样 6一烧杯四、实验步骤①取同批试样中的3支，质量为5－10g 。

用硬毛刷刷洗净后，放人110℃烘箱里烘2h ，冷却至室温，称其质量G 0，准确到0.01g 。

②将称过的试样放在真空干燥器中抽真空，达到大于76 kPa ，保持真空10 min ，然后注水至浸没试样为止，再保持真空5min ，之后先放入空气再关闭真空泵，打开干燥器盖静置15min ，试样孔隙中的空气就被除去。

③将充分吸水并达到饱和后的试样用镊子夹出，用水饱和泡过的湿绸布轻轻拭去表面的水，拭时避免孔隙中的水分被吸出，立即在空气中称量G l ，准确到0.01g 。

④在水中称试样的质量G 2，准确到0.01g 。

注意在此称量过程中，溢流杯的水面一定要保持在溢流嘴的水平。

⑤将实验数据记录在表xxx 中并按下述公式计算。

表xxx 测量记录表 试样编号 干燥样质量G 0湿样质量G 1水中样品质量G 2体积密度（g/cm 3） 吸水率（%） 开口气孔率（%） A B C计算公式： 体积密度=210G G G −（g/cm 3）吸水率=%10001×−G G G开口气孔率=%1002101×−−G G G G（3）. 粉末烧结金属材料体积密度的测定一、目的要求通过本实验熟悉并掌握测定粉末烧结金属材料的体积密度的方法。

试样经清洗除油干燥后，在空气中称重。

然后进行防水处理，即用适当的液体进行浸渍或用表面覆盖的方法，再次于空气中和水中称重。

可由试样在水中称重时质量的减少求出其体积，从而可以计算出密度来。

二、基本原理粉末烧结试样经清洗除油干燥后，在空气中称重。

然后进行防水处理，即用适当的液体进行浸渍或用表面覆盖的方法，再次于空气中和水中称重。

可由试样在水中称重时质量的减少求出其体积，从而可以计算出密度来。

三、 仪器与样品分析天平：精度0.001 g 。

干燥箱（烘箱）：温度能保持在110±5℃。

浸渍用油、凡士林。

浸油装置：能装下试样，并能加热油。

盛蒸馏水的容器。

制样要求：（1）试样表面清洗干净，如果试样含油，要用专门装置除油，然后放在干燥箱内，在110℃保持1小时，再降到室温。

（2）试样过大时，可把试样破碎成小块，但所有小块的密度都要测量。

试样体积小于0.5cm 3，可把数个试样集中起来一起测量。

四、实验步骤（1）称量清洗干净的试样。

（2）防水处理将试样浸入到65±5℃的热油中，直到不出现气泡为止，冷却到室温后，从油中取出试样，沥干，用滤纸或棉布擦掉表面过量的油。

小心避免吸出孔内的油。

即可称量。

也可在表面涂上一层凡士林进行称量。

（3）将防水处理过的试样，放入称重装置中，或用细尼龙丝吊挂，先在空气中称量，然后放入水中称量。

为了去掉附着在试样表面的气泡，可在水中轻轻摇动试样，或向水中加入1至2滴润湿剂。

（4）按下式计算试样的体积密度。

210m m m d −=ρ式中，d 为试样的密度，g /cm 3，m 0为干燥试样在空气中的质量，g ，m 1为浸油试样在空气中的质量，g ，m 2为浸油试样在水中称量时的质量，g ，ρ为试验温度下水的密度，g /cm 3。

思考题：1. 指出影响测试结果准确性的因素有哪些？2. 结晶聚合物的晶体类型对结晶度与密度的关系有无影响？为什么？3. 为什么用密度梯度管法测量聚合物密度时一定要在恒温情况下进行？4. 陶瓷结构中的封闭气孔可否通过此法测出？陶瓷材料的体积密度、吸水率、气孔率会受到哪些因素的影响？。