型真密度分析仪测试

第二遍的测试真实体积 VP2。
W
h
l
图 2 复制试样表面时切割线示意图
实验证明，VP1 总是大于 VP2。不难想到这是由于在复制 6 个新的表面时，又切破一些原来封闭
的泡孔所致。VP1 与 VP2 之差，应等于该试样原表面的被切泡孔体积 VX，即： VX= VP1- VP2
（10） 则：
校正闭孔体积应为：
图1
美国康塔仪器公司（Quantachrome）1000 型真密度分析仪原理图
阴影面积是空的、打开螺线管阀门 4，气体到样品池 VC，系统进入环境气压 P。根据波义耳马略特定律，系统状态可以被定义为：
式中：n 是气体体积 VC 的量 R 是气体常数
PVC=nRT
（1）
T 是环境开尔文温度（单位 K）。
运行次数说明：如果前三次运行的结果偏差小于 0.005%,仪器会停止运行,否则会再运行一次, 前四次平均值作为计算结果，如果偏差还未达到要求，直到运行到规定的最大运行次数，最后 3 次 的运行结果的平均值作为计算结果。
试样制备:用薄刀片和直尺切割试样，试样长度:25 mm≤L≤35mm,试样宽度 25mm≤w≤35mm， 试样高度 60 mm≤h≤70mm，L 和 W 尽量一致。
表2
手工自由泡测试结果
表观体积 表观密度 不透过体积
不透过体积
cm3
g/cm3
VP1 cm3
VP2 cm3
51.76
0.02787
42.51
39.65
48.22
0.02801
40.83
38.27
46.96
0.03068
40.68
38.76
52.27
0.03004
44.90
42.74
54.17
0.02997
（9）
ψγ= VP1/Vg*100%
(10)
公式（8）是计量样品的不可透过体积，根据输入的样品表观体积和重量，仪器自动处理数据，
测量程序 ULTRAFOAM 显示测量结果：骨架（不透过）体积、真密度、表观闭（开）孔率、标准
偏差等数据。
在制备试样过程中，切割试样的 6 个表面时，总会人为地把一些闭孔泡沫切破变成开孔泡。因
4、结果分析 4.1、仪器的精密度测试
设置仪器执行非校正模式；选择单次测量。 对一块硬质泡沫塑料手动重复测量 5 次，如果泡沫中间出现变形，废除该测试组，重新选择泡 沫进行测试。记录并处理测试结果如表 1：
4
表1
一块泡沫 5 次测试结果
序数
不透过体积 cm3
1
49.34
2
49.35
3
49.33
4
49.34
VO= VP1+ VX=2VP1- VP2
(11)
校正开孔体积应为：
VI=Vg- VO= Vg-2VP1+VP2
(12)
校正闭孔率ψ0 应为：
ψ0=(2VP1- VP2)/ Vg*100%
(13)
校正开孔率ω0 应为：
ω0= (Vg-2VP1+VP2)/vg*100%
(14)
3
3：实验部分 仪器： ULTRAFOAM 1000 型真密度分析仪 美国康塔公司制造（Quantachrome Instruments，USA） 高纯氮：纯度大于 99.999%,烟台万华华胜气体有限公司 游标卡尺: 精度为 0.02mm,杭州工具量具厂 光电天平: 精度为 0.0001g, A&D 公司 试验温度: 室温 25℃( 空调调节) 实验参数: 1、 运行程序： ULTRAFOAM1000 2、 测量过程模式：非校正模式或校正模式 1、测试压力：68947Pa (10PSIG) 2、最大运行次数：5 次或单次 3、参与计算结果平均值的次数：3 次 4、允许测试偏差：0.005%. 5、样品池：大号（135 cm3） 6、清洗系统：FLOW 模式 1 分钟 5、标准体积的钢球三个：56.5592cm3 、28.9583 cm3 、7.0699 cm3
2、测试原理介绍
2.1 ISO4590 测定的原理 以往测试硬质聚氨酯泡沫塑料的闭（开）孔率，一般是按照国标 GB10799［1］或国际 ISO4590［2］
标准进行(GB10799 几乎完全是参照 ISO4590 制订)。但无论采用标准中规定的“体积膨胀法”还是 “压力变化法”，实际操作都很繁琐。为校正制备试样时被人为切破的泡孔，标准中要求使用 3 组 不同尺寸规格的 9 块试样进行测试；再将各试样测得的表观开孔率ωγ对其比表面积γ（即表面积 S/几何体积 Vg）作图，外推至γ=0，才能得到校正开孔率ω0，再由ψ0 = 100-ω0 算出校正闭孔率 ψ0。这样不只是测试操作和数据处理繁琐，制备 9 块试样也相当费事，还需要用掉大量的样品材 料，实际测试时，经常会因样品量不足，测试无法进行。
1 2 3 4 5 平均值 标准偏差
重量 g
2.5460 2.1794 2.2616 1.9990 2.4808 / /
表观体积 cm3
55.81 47.69 50.28 43.56 53.92 / /
表观密度 g/cm3
0.04562 0.04570 0.04498 0.04589 0.04601 0.04564 0.0004
VP1 = VC-（P-PB）VA/（PB-P）-（PA-P）
= VC+VA/（1-（PA-P）/（PB-P））
（7）
压力传感器在环境压力时调节为零，即 P=0，那么所有和 P 有关压力测量可简化。公式（9）可
以变成：
VP1 = 仪wenku.baidu.com计算表观开孔率用公式：
VC+VA/（1-（PA/PB））
（8）
ωγ=（Vg-VP1）/Vg*100% 表观闭孔率用公式：
此对测得的表观闭（开）率必须进行校正，求出校正闭（开）孔体积分数，才能如实地表征样品的
泡孔结构和正确地评价样品的性能。
ASTMD6226 规定采用“增加试样表面积”的办法进行较正，本文也推荐使用这种方法。具体做
法是：将经过第一遍测试真实体积（骨架体积）VP1 的试样，平行于其三对表面各切一刀成八小块 （图 2），使之又形成 6 个与试样原表面积完全相等的新切割面，一同放入样品池内，而后再进行
1
校准和测试，不但使仪器操作简单、自动化程度高，而且迅速准确、数据重现性好。制备试样用料 量少，每测试一个样品只需制备一个长方体试样，它的几何体积仅有 30-65cm3。对试样表面被切泡 孔的校正也极其简便，采用增加表面积法将一块试样测试两遍就可巧妙地得到校正的闭（开）孔率。 分析结果与 ISO4590-2002 规定的作图外推校正方法相一致。
泡孔结构组成影响着硬质聚氨酯泡沫塑料的使用性能，闭（开）孔率是表征泡沫塑料泡孔结构 的一个重要参数。测定硬质聚氨酯泡沫塑料的闭（开）孔率不仅可以反映发泡工艺性能，另一方面 也可以用来评价泡沫的保温、吸水等产品的物理性能。制定一个简单、易行的测试闭（开）率的方 法，对发泡工艺研究及产品质量控制有着很重要的实际意义。
PB（VC-VP1+VA）=n2RT+nART
（4）
式中：nA 表示环境压力下附加参考池的气体量。由于 PVA= nART，因此公式（4）等同：
2
PB（VC-VP1+VA）=n2RT+PVA 用公式（3）和公式（5）合并整理得
（5）
VC-VP1 =（P-PB）VA/（PB-PA）
（6）
公式（6）分母上 PA、PB 加减 P 可进一步简化为：
标定 VA 和 VC：用随机提供的标准体积钢球当成试样进行测试。把标准钢球的体积输入给仪器， 标出两室体积值，仪器自动保存，供以后仪器内所有的测试用。在测试压力改变时或到规定的时间 时应重新校正 VA 和 VC。
样品测试：把制备好的试样，用氮气吹净粉末，用游标卡尺量取长宽高，并计算几何体积，用 光电天平称重，放入样品室内，拧紧样品室顶盖。输入样品的质量和几何体积。开始运行，仪器将 按照设定好的试验参数测试并显示和打印测试数据，第一遍测试结束。取出试样，将其复制 6 个新 表面之后再进行第二遍测试。记录或打印测试结果。
用 ULTRAFOAM 1000 型真密度分析仪测试 硬质聚氨酯泡沫的闭(开)孔率
张玉倩 孙桂菊 （烟台万华集团 北京万华研究院）
摘要: 聚氨酯硬质泡沫的闭孔率,一方面可以反映发泡工艺性能,另一方面可以用来评价泡 沫的保温、吸水性能。ULTRAFOAM 1000 真密度分析仪测试硬质泡沫的方法,它是依据 ASTM D6226 设计,类似于 ISO 4590-2002 和 GB10799-89 的测量原理.本文详述了这两种测试原理的类似性及 差异,从而说明用 ULTRAFORM 1000 真密度分析仪测试闭(开)孔率的可行性和先进性。
当体积为 VP1（不可透过体积）的样品占用密封的样品池，公式（1）可以写作：
P（VC-VP1）=n1RT
（2）
当增压至大于环境压力值时，系统状态可被表示为：
PA（VC-VP1）=n2RT
（3）
式中：PA 表示大于环境的压力
n2 表示样品池内总气体量。
打开螺线管阀门 8，附加池 VA 和样品池连通，压力下降到 PB 系统状态可被表示为：
46.58
44.18
/
0.02931
/
/
/
0.001
/
/
校正闭孔率%
87.67 89.96 90.74 90.04 90.42 89.77 1.08
4.2.2 将一块用高压发泡机制成的模压大块聚氨酯硬质泡沫塑料，制成 5 块试样，分别进行测试， 记录并处理测试结果如下表 3：
表 3 模压泡测试结果
试样编 号
关键词：真密度仪 闭孔率 开孔率 硬质聚氨酯泡沫
1、 前言
硬质聚氨酯泡沫塑料是多元醇和异氰酸酯在交联剂、催化剂 、表面活性剂、发泡剂等助剂作 用下形成的一种气体填充的泡沫塑料。这种泡沫塑料是由高聚物固体孔壁和泡孔内的气体两相组 成。高聚物体积含量一般是 5-15%，泡孔内气体体积含量一般是 85—95%。泡孔有开闭之分，如果 泡孔是封闭的，气体是彼此隔离的就叫闭孔泡，如果泡孔是彼此连通的，气体是连续的就叫开孔泡。
不透过体积 VP1 cm3
50.48 42.84 45.04 39.11 48.86 / /
不透过体积 VP2 cm3
47.25 39.95 42.14 36.42 45.76 / /
校正闭孔率%
96.23 95.88 95.34 95.96 96.36 95.95 0.35
误差分析：对于同一样品进行 5 组重复测试，产生的误差因素可归纳如下： a、 制备的试样不够规则，面与面之间的平行度不够好，测量的线性尺寸不够精确，造成要给仪器
输进参与计算的几何体积不够准确，产生测试误差。 b、 试样自身的密度分布不均匀，泡沫局部也有可能存在较大的闭孔泡。
5
49.35
平均值
49.34
标准偏差
0.007
试样表观体积:57.92cm3
偏差
表观闭孔率
0
85.19
0.01
85.20
-0.01 85.17
0
85.19
0.01
85.20
/
85.19
/
重量:2.2255g
偏差 0 0.01 -0.02 0 0.01 / 0.01
从上面表格数据可以看出,无论是测试不透过体积还是表观闭孔率,标准偏差均很小,说明该仪
器的精密度很高。
4.2、硬质聚氨酯泡沫塑料闭孔率的重现性测试
设置仪器为校正模式；最大运行次数：5 次；其他条件不变。
4.2.1 将一块手工调配搅拌的硬质聚氨酯自由发泡泡沫塑料制成 5 块试样，分别进行测试，记录并
处理测试结果如下表 2：
试样编 号
1 2 3 4 5 平均值 标准偏差
重量 g
1.4427 1.3508 1.4407 1.5706 1.6235 / /
2.2 ULTRAFOAM 1000 型真密度分析仪测定闭（开）孔率的原理 本节介绍的是用 ULTRAFOAM 1000 真密度分析仪测试硬质聚氨酯泡沫闭（开）孔率的方法。
ULTRAFOAM 1000 真密度分析仪是采用气体置换技术［3］，测量形状规则和不规则的固体物质或液体 真实体积和密度的仪器。该仪器采用了现代化的智能芯片技术，内置微处理器进行压力传感器调零、
ULTRAFOAM 1000 型真密度分析仪的基本测试原理符合 ISO4590-2002 所述两种方法中的“体积 膨胀法”，但它是依据 ASTM D 6226-98［4］规定的方法而设计的。根据波义耳-马略特定律，通过等 温过程理想气体状态方程，用标准体积钢球标出两室体积（样品池和附加参考池），然后再通过两 室体积计算出试样的不可透过体积。由不可透过体积与样品已知质量之比，即可得试样的真实密度。 因为该真密度分析仪能测试试样的不可透过体积，仪器中安装了两个测试程序，一是真密度测试： ULTRAPYCNOMETER；另一是闭（开）孔率测试：ULTRAFOAM。测试原理示意图如（图 1）