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Evaluation of mechanical properties of polyethylene based on structural properties measured with the Agilent PL-GPC 220

作者：Adrian Boborodea
Certech ASBL 公司资深科学家

目前的市场迫切需要快速开发出力学性能明确的各种聚乙烯，在此压力之下，人们需要一种仅使用少量样品能够预测聚乙烯力学性能的快速分析方法。为满足上述需求，Agilent PL-GPC 220 高温 GPC/SEC 系统同时使用了三种互补型检测器，可在少量样品的情况下快速实现结构性能检测。该系统的操作适用温度范围大（从室温到 220 ℃），可满足所有的凝胶渗透色谱应用。

新型商用烯烃聚合单活性中心催化剂的开发需进行多次小规模的聚合作用。 此初步筛查过程会涉及超过 1500 次、每次 20 mL 规模的聚合作用，生成的单个样品在 50 到 500 mg 之间。 目前所有的技术都无法对这种数量的样品进行完整的力学性能分析，所以选择最适合的初步筛查技术至关重要。

接下来是对基于结构参数（熔点、分子量分布、红外光谱）的宏观性能（密度、熔融指数、抗冲击性能）进行 <a>评估 <a>，使用传统技术（差示扫描量热法、傅里叶变换红外光谱仪、凝胶渗透色谱法、流变学方法、动态力学分析）进行测量。 该 <a>评估 <a>十分费时且需要更大量的样品。

用于性能测定的简单快捷方法

凝胶渗透/体积排阻色谱 (GPC/SEC) 只需要相对较少的样品量，通过先进的检测器即可获得可用以确定关键参数的信息。在安捷伦应用简报 5991-2781EN（聚乙烯类型的评价）中，目标是减少预测机械性能所需的合成材料的用量，同时减少所需的总时间。

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图 1. 聚烯烃样品 <a>Mark-Houwink <a>叠加图，突出显示了线性聚乙烯和低密度聚乙烯之间的差别

密度和力学性能之间的关联与聚乙烯类型紧密相关，其中聚乙烯的类型可使用带有三检测器的凝胶渗透色谱仪进行测定。图 1 给出了安捷伦应用简报 5991-2781EN 中的一些结果，其描述了 Certech （安捷伦授权合作伙伴实验室）对聚乙烯进行的分析 [1]。

使用不足 10 mg 的样品进行初步筛查预测性能

使用带三检测器的凝胶渗透色谱仪可将必需的样品量减少至 10 mg 以下，因此在首次筛查过程中即可预测多种力学性能。 此外，还能更好地测定绝对分子量，正确 <a>评估 <a>熔融指数 (MFI)。 该方法可确定聚乙烯的类型，这是基于结构性质采用公式评估力学性能的第一步。

其进一步的优势在于，完成样品前处理后，后续大部分的实验都能够自动进行，从而显著减少了实验室的工作时间和对实验室设施的使用。 例如，旋转流变仪也可以测定 MFI，但其需要的样品量是凝胶渗透色谱仪的大约 100 倍。 此外，旋转流变仪不能提供分子量分布的相关信息（如样品是单分子还是双分子），并且每个样品必须手动进样。 实际的凝胶渗透/体积排阻色谱实验的操作要快 <a> 1 <a>倍，而节省的工作时间为 <a>4 <a>倍，等于在这次 <a> 1600 <a>个样品的研究中共节省了 <a> 800 <a>个工时。 实际上，如果没有带三检测器的凝胶渗透色谱仪，那么在时间/成本的限制下，只能够分析 1600 个样品中的 200 到 300 个。

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图 2. 显示了 PLgel Mixed-B 色谱柱组合上所有谱图的色谱图：示差折光、光散射（15° 和 90°）和粘度计压差 (DP)

三检测器可提供更全面的样品表征

如图 2 所示，三检测器凝胶渗透色谱仪包含一个示差折光检测器、一个粘度计和一个光散射检测器。

这三台检测器都将提供关键信息。 示差折光 <a>(RI) <a> 检测器用于检测与分子量或聚烯烃结构无关的聚烯烃浓度。 示差折光检测器的各种优点让其成为了行业标准，因此是这类研究中最基本的检测器。 此配置的优势远不止此，用户还可根据峰面积反向计算样品的进样质量，从而可对进样样品中的聚合物比例进行验证。 该比例在评估催化剂的活性时极为重要。

粘度计将计算分子量分布范围内的固有粘度。 用户可使用此信息绘制 <a>Mark-Houwink <a>图，帮助预测溶液中聚合物的形状，并可使用 <a>Agilent GPC/SEC <a>软件中的支化模型来确定聚烯烃内的长链支化度。

光散射检测器将根据第一原则提供分子量，既保证了分子量的准确性，同时无需对色谱柱进行校准。 对于较大的聚烯烃（大于约 10 nm），也可使用该检测器检测支化度。

图 3. Agilent PL-GPC 220 高温 GPC/SEC 系统，具有最广泛的商业应用范围

在广泛的温度范围内使用三重分析增加结果的确定性

如图 3 所示，Agilent PL-GPC 220 的所有检测器都在一个柱温箱中，您可将其加热至 220 °C 以避免聚烯烃沉淀。Agilent PL-GPC 220 是市面上唯一一款可在如此广泛的温度范围中提供基于示差折光的三重分析的仪器，具有极高的可信度。

三检测器高温凝胶渗透/体积排阻色谱可提供关键信息，节省评估聚烯烃所花费的时间和成本。

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参考文献

1. 安捷伦已与 <a> Certech <a>结成合作关系， <a>Certech <a>是一家活跃在环境、材料技术、过程强化领域，为这些行业提供支持的合同研究机构。 具体业务包括分析和测量、问题解决、合同研究、产品和过程开发。

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