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塑料水分含量測(cè)定新方法的介紹

羅曉霞1陳敏劍1幸榮勇1王永桂2王琰2謝鵬1
(1.中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，四川成都，610041； 2.中藍(lán)晨光成都檢測(cè)技術(shù)有限公司，四川成都，610041)

眾所周知，塑料中存在的水分對(duì)塑料原料及其制品性能都會(huì)帶來(lái)影響。目前常見(jiàn)的水分測(cè)試方法是卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法和烘箱法，卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法雖然能準(zhǔn)確測(cè)定塑料中的水分含量，但是存在成本較高、測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)、操作復(fù)雜和卡爾費(fèi)休試劑有毒等問(wèn)題。烘箱法雖然快速簡(jiǎn)單，但得到的結(jié)果并非含水量而是包含其他低揮發(fā)性物質(zhì)的揮發(fā)分含量。因此，本文著重于介紹一種新的測(cè)試塑料水分方法，它能快速完成塑料水分的檢測(cè)，得到塑料的準(zhǔn)確水分含量。本文采用新方法測(cè)試塑料水分并與卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法的測(cè)試結(jié)果等進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)：氫化鈣水分測(cè)試法測(cè)試的塑料材料水分含量與卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法的結(jié)果具有可比性，認(rèn)為氫化鈣水分測(cè)試法可作為一種測(cè)試塑料材料真實(shí)水分含量的新方法。

水分測(cè)試 氫化鈣 新方法

1 前言

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，物質(zhì)中水分含量的定量分析(含水量測(cè)定)已經(jīng)被列為各類物質(zhì)檢測(cè)的基本參數(shù)之一。水分的定量分析可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的控制分析，也可用于各類產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)，分析形勢(shì)也多種多樣。不同行業(yè)、不同材料、不同用途的物質(zhì)對(duì)水分測(cè)定有著各不相同的要求和意義。

塑料材料產(chǎn)品作為現(xiàn)在人類常用的材料物質(zhì)，即使是塑料顆粒表面凝聚的水分，也會(huì)對(duì)塑料制品外觀及質(zhì)量帶來(lái)影響，表現(xiàn)為制品泛黃,產(chǎn)生氣泡、毛疵、銀絲、斑紋、性能下降以及透明度下降等。

現(xiàn)有的水分測(cè)試方法可分為物理分析和化學(xué)分析兩種。物理分析法有干燥失重法、蒸餾法、吸附法和氣相色譜法等，化學(xué)分析法有氣體發(fā)生法、酸酐方法和卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法等。其中較為常用的為干燥失重法和卡爾費(fèi)休法等，而卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法屬于經(jīng)典的化學(xué)方法，通常被作為水分的標(biāo)準(zhǔn)分析方法，用以分析其他的方法的可行性。但是卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法存在設(shè)備成本、人工成本及試劑成本較高和操作復(fù)雜等問(wèn)題，并且卡爾費(fèi)休試劑含有甲醇、吡啶、碘、二氧化硫等有毒物質(zhì)，會(huì)對(duì)使用者的健康帶來(lái)一定的危害。

因此， 本文以塑料水分測(cè)試為例，介紹一種塑料水分測(cè)試的新方法——?dú)浠}水分測(cè)試法，該方法則具有簡(jiǎn)單、快速等優(yōu)點(diǎn)，并且能得到準(zhǔn)確含水量。

2 氫化鈣水分測(cè)試法測(cè)試水分原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 氫化鈣水分測(cè)試法原理

在密閉的真空環(huán)境中，將試樣加熱到規(guī)定的溫度，以確保水分完全蒸發(fā)。蒸發(fā)出來(lái)的水蒸氣與氫化鈣依照如下的化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行反應(yīng)，釋放出氫氣：

CaH2+2H2O→Ca(OH)2+2H2

反應(yīng)釋放的氫氣使得真空體系的壓力發(fā)生變化，該壓力變化與含水量成正比，采用校正因子計(jì)算含水量。校正因子通過(guò)測(cè)量已知含水量的含水化合物的含水量來(lái)計(jì)算得到。而試樣中其他不與反應(yīng)劑發(fā)生反應(yīng)的易揮發(fā)物質(zhì)被濃縮在冷凝汽瓣中，不會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。(注1：但是，本方法對(duì)于含有小分子醇羥基等低揮發(fā)性物質(zhì)的材料，由于醇羥基會(huì)與氫化鈣反應(yīng)釋放氫氣，所以測(cè)試結(jié)果會(huì)比真實(shí)含水量偏高。)

2.2 氫化鈣水分測(cè)試法測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

氫化鈣水分測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。由圖1可知，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由加熱套、反應(yīng)罐、冷凝氣瓣、真空泵和數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)構(gòu)成。真空泵為整個(gè)系統(tǒng)提供測(cè)試所需真空度，加熱套為樣品提供蒸發(fā)水分所需熱量，蒸發(fā)的水蒸氣在反應(yīng)罐上部與氫化鈣反應(yīng)釋放氫氣。其他低揮發(fā)性物質(zhì)物質(zhì)在冷凝氣瓣處被凝結(jié)。只有水分與氫化反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣能帶來(lái)壓力變化，再由壓力傳感器檢測(cè)并顯示測(cè)試結(jié)果。

圖1 氫化鈣水分測(cè)試儀示意圖

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 主要原料

前面介紹了氫化鈣水分測(cè)試法的測(cè)試原理及測(cè)試系統(tǒng)?，F(xiàn)選擇以下5種材料采用氫化鈣水分測(cè)試法和卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法兩種方法進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證氫化鈣水分測(cè)試法的可行性。選擇材料有：聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、尼龍66(PA-66)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試劑

3.2.1 設(shè)備

卡爾費(fèi)休滴定儀：瑞士萬(wàn)通831 KF Coulometer + 885 Compact Oven SC；

氫化鈣水分測(cè)試儀：Aquatrac 3 E。

3.2.2 試劑

卡爾費(fèi)休試劑、氫化鈣、二水鉬酸鈉、N2等。

3.3 試驗(yàn)方法

3.3.1 狀態(tài)調(diào)節(jié)

為了消除環(huán)境條件對(duì)塑料水分測(cè)試帶來(lái)的影響，將上述五種材料按照表1所示條件進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，讓所有樣品處于相同的環(huán)境條件中并且達(dá)到平衡。

表1 樣品狀態(tài)調(diào)節(jié)條件

3.3.2 測(cè)試條件

樣品完成狀態(tài)調(diào)節(jié)后，同時(shí)采用卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法及氫化鈣水分測(cè)試法對(duì)上述材料的水分進(jìn)行含水量測(cè)定。

卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法操作條件：以干燥氮?dú)?N2)作載氣，氮?dú)獯祾咚俣?0mL/min。不同材料的測(cè)試溫度和稱樣量如表2所示。

表2 卡爾費(fèi)休水分法測(cè)試溫度和稱樣量

由于氫化鈣水分測(cè)試法測(cè)試塑料材料水分時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)為真空狀態(tài)，所以氫化鈣水分測(cè)試法選用了較卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法更低的測(cè)試溫度。氫化鈣水分測(cè)試法測(cè)試條件：整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)真空泵抽真空至(10±0.1)mbar以下。不同材料的測(cè)試溫度和稱樣量如表3所示。

4 結(jié)果與討論

氫化鈣水分測(cè)試法和卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法測(cè)得不同塑料材料的含水量結(jié)果，見(jiàn)表4和圖2。

表3 氫化鈣水分測(cè)試法試驗(yàn)溫度和稱樣量

表4 氫化鈣水分測(cè)試法和卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法測(cè)得不同塑料材料含水量數(shù)據(jù)表

注2：卡爾費(fèi)休法為卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法，氫化鈣法為氫化鈣水分測(cè)試法(即本文介紹的新方法)

圖2 氫化鈣水分測(cè)試法和卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法測(cè)試不同塑料含水量結(jié)果對(duì)比圖

由表4和圖2 可以看出，所選5種塑料材料經(jīng)過(guò)狀態(tài)調(diào)節(jié)后，兩種測(cè)試方法測(cè)得的含水量都非常接近。并且通過(guò)平行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，兩種測(cè)試方法測(cè)得含水量的相對(duì)偏差都小于3%，具有較好的實(shí)驗(yàn)室重復(fù)性。說(shuō)明氫化鈣水分測(cè)試法即本文介紹的這種新的水分測(cè)試方法是可行的。同時(shí)，表4和圖2顯示氫化鈣水分測(cè)試法測(cè)得的含水量較卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法的測(cè)試結(jié)果有略微的偏高，這是由于卡爾費(fèi)休法在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中都會(huì)扣除背景含水量，而卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法測(cè)試塑料時(shí)測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，使得背景扣除較大所致。

此外，通過(guò)原理及測(cè)試系統(tǒng)介紹發(fā)現(xiàn)，這種塑料水分測(cè)試新方法(氫化鈣水分測(cè)試法)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、所需試劑無(wú)害等優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比新方法和卡爾費(fèi)休水分測(cè)試法測(cè)得同種材料水分含量的結(jié)果是可比的，新方法也能得到一個(gè)相對(duì)真實(shí)的含水量測(cè)試結(jié)果。同時(shí)，新方法只需要?dú)浠}試劑，反應(yīng)之后轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸}。無(wú)論反應(yīng)前后，試劑均不會(huì)對(duì)大氣和實(shí)驗(yàn)人員帶來(lái)?yè)p害。該方法將成為一種簡(jiǎn)單、快速且真實(shí)有效的水分測(cè)試新方法。

[1] IX-ISO. ISO 291： Plastics-Standard atmospheres for conditioning and testing [s]. 2008.

[2] IX-ISO. ISO 15512： Plastics-Determination of water content [s]. 2016.

StudyonaNewMethodforDeterminationofMoistureContentinPlastics

LuoXiaoxia1,ChenMinjian1,XingRongyong1,WangYonggui2,WangYan2,XiePeng1
(1.ChinaBlueStarChengrandResearchInstituteofChemicalIndustry,Chengdu610041,Sichaun,China; 2.ChinaBluestarChengrand(Chengdu)TestingTechnologyCo.,Ltd,Chengdu610041,Sichaun,China)

The moisture in the plastic has an impact on the properties of the plastic and its products. At present, Carle Fischer method and drying method are the common method for the determination of moisture content in plastics. Although Carle Fischer method can obtain accurately moisture content in plastic, there exits the shortcoming about high equipment cost, labor cost and reagent cost. In addition, the Carle Fischer reagent is a kind of substances containing methanol, pyridine, iodine, sulfur dioxide and other toxic’ and will bring harm to the health of users. Drying method has the advantages of simplicity and speed, but the result contains other volatile components. Therefore, this paper focuses on the introduction of a new method to test the moisture content in plastics, it can obtain accuracy moisture content of the plastic. The whole test process is simple, fast and accurate.In this paper, the moisture content of plastics was tested by a new method and Carle Fischer method. It is found that the moisture content of plastic material tested by calcium hydride method is comparable to that of Carle Fischer method. It is considered that calcium hydride method can be used as a new method for testing the true moisture content of plastic material.

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1.質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“橋梁纜索用鋼等23項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研制”(201510205);2. 標(biāo)準(zhǔn)化軍民融合項(xiàng)目 “特種工程塑料及樹(shù)脂產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究”