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塑料产品微量水分的自动化检测应用方案

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水分控制是塑料行业中粒子和树脂等产品质量控制的关键步骤,而梅特勒-托利多“C30智能库仑法中文卡尔费休水分仪+Stromboli全自动样品进样器干燥炉”的应用方案可以帮助塑料行业的客户实现对其产品的准确、高效且安全的微量水分自动化检测和参数优化。

塑料行业中的产品水分含量通常都很低,最低可达100ppm以下,加之其表面结构又具有特殊性,使得水分在表面呈“凹陷入”的状态……这些情况都加大了准确检测水分含量的难度。要成功解决这一难题,可以分两个步骤进行分析研究:步骤一,设法将微量水分全部从塑料粒子表面分离,最经济简单的方法就是加热法,即将需测定的微量液态水转化为气态水,从而与塑料粒子成功分离;步骤二,再通过测定分离得到的微量水的摩尔量(卡尔费休滴定法)或称重水分蒸发前后的粒子质量(热失重法),得到塑料粒子的微量水分含量。

传统的卡尔费休滴定法操作较为繁琐,而且实验人员还会接触到甲醇、二氧化硫(SO2)等有毒、有害试剂,因此,要安全地获得准确可靠的测量结果,必须拥有受过良好培训的实验操作人员。而热失重法则是通过计算塑料粒子加热前后的重量差,间接得到水分的含量,显然其准确性和选择性在测定低含水量的样品时并不理想(高含水量的样品,可以将热失重法作为简便的替代方法)。相比之下,卡尔费休滴定法(附加热炉)有着其他方法无法比拟的高精确性和选择性,可以作为测定塑料粒子等微量水分产品的标准方法。卡尔费休滴定法测定水分含量的原理是:在乙醇和碱存在的条件下,水会按照如下的化学反应式与碘(I2)和SO2进行化学反应:H2O + I2 + SO2 + CH3OH + 3RN → [RHN]SO4CH3 + 2[RHN]I。因此,只需通过计量碘加入的摩尔量就能准确计算出微量水分的摩尔量。

实际上,为了解决上述问题,梅特勒-托利多 仪器 (上海)有限公司为塑料行业用户提供了一种“C30智能库仑法中文卡尔费休水分仪+Stromboli全自动样品进样器干燥炉”的应用方案,可实现微量水分的自动化检测和参数优化。最终的测试结果表明,C30智能库仑法中文卡尔费休水分仪的水分分辨率可达0.1μg。

仪器设备和化学试剂

实验过程中用到的仪器设备包括:梅特勒-托利多(Mettler-Toledo)超越系列天平XS205、梅特勒-托利多(Mettler-Toledo)C30智能库仑法中文卡尔费休水分仪+Stromboli全自动样品进样器干燥炉(如图1所示)和梅特勒-托利多(Mettler-Toledo)USB-P25 Printer。

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图1 梅特勒-托利多(Mettler-Toledo)C30智能库仑法中文卡尔费休水分仪+Stromboli全自动样品进样器干燥炉

化学试剂包括:甲醇(分析纯,含水量的质量分数小于0.05%)、HYDRANAL Coulomat AG Oven和apura Oven water standard。

塑料产品微量水分测定过程

1. 样品准备

准备样品的整个过程不需要借助任何特殊工具和技巧就能轻松完成,其具体步骤是:将样品瓶(容积为20mL)去皮称重后,装入少量待测样品,并记录样品的质量;使用铝箔密封瓶口,以有效防止瓶内的塑料样品吸收空气中的水分,从而影响最终的测量结果;套上与样品瓶配套的橡胶盖子,完成样品的准备工作(如图2所示)。

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图2 样品的准备步骤

为了提高效率,一般可将需要测试的样品全部称量装瓶后,再统一放置在Stromboli全自动样品进样器干燥炉中进行测试。据介绍,该干燥炉每次可自动测试14个测试样品。

2. “一键水分测定”启动Stromboli全自动样品进样器干燥炉

C30智能库仑法中文卡尔费休水分仪具有“一键水分测定”功能,点击触摸屏界面上的快捷键,启动Stromboli全自动样品进样器干燥炉,即开始整个水分的测定实验。如图3所示,样品瓶自动旋转至加热平台,并上升至加热炉腔内部。Stromboli全自动样品进样器干燥炉采用底部和侧面全方位的加热模式(深红色标示),以保证水分完全气化。与此同时,炉腔顶部的玻璃毛细管刺破铝膜,并伸入瓶子内部,以便连续导入干燥且稳定的载气(空气或氮气),对样品进行吹扫。当样品中含有的微量水分不断气化、蒸发后,会和载气一同由另一路玻璃导管引入卡尔费休滴定杯内,从而实现在线测定。 [p]

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图3 样品进样加热及进行水分蒸发的全过程

3. 全自动检测

在整个实验过程中,样品的进样、空白值测定、水分测定、结果计算、样品转换和结果输出等工作全部由系统自动完成。

结果与讨论

1.空白值测定

要准确地测定极其微量的水分含量,还必须考虑测试系统的影响因素。虽然放置样品的瓶子和实验用的载气在实验前都会进行干燥处理,但是它们仍会不可避免地含有极少量的水分。因此,在测定样品之前,必须测定系统的空白值。由验证实验(如图4所示)可以发现,使用同样的空瓶和载气,空白值随温度的变化而发生同方向变化。所以,在测定不同温度条件下的样品时,必须同时测定该温度条件下的空白值,才能确保结果的准确性。

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图4 空白值与温度的关系

2. 塑料粒子和薄片的微量水分测定

通过对代表性的塑料产品进行微量水分测定实验(见表1)可以发现,“C30智能库仑法中文卡尔费休水分仪+Stromboli全自动样品进样器干燥炉”系统的应用方案在高效率完成测定工作的同时,还保证了结果具有很好的准确性和重复性。

3. 样品测定温度的参数优化

除了普通的样品测试实验外,“C30智能库仑法中文卡尔费休水分仪+Stromboli全自动样品进样器干燥炉”系统还能解决更深层次的参数优化问题。无论是采用卡尔费休滴定法还是热失重法,塑料产品进行水分测定的关键问题是确定样品的测定温度。如果设定的温度太低,水分势必释放不完全,导致结果偏低;如果温度太高,样品则会发生分解等副反应,使体系可能生成新的水分,进而致使结果偏高。

以确定聚苯乙烯样品(PS 158K)进行微量水分测定时的最佳温度条件为例,分别测定其在60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、150℃和160℃的水分含量。同时,在这7个不同的温度条件下,测定其相应的空白值。 应用“C30智能库仑法中文卡尔费休水分仪+Stromboli全自动样品进样器干燥炉”系统后,仅通过一次测试实验就完成了对14个样品的水分测试。

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图5 PS 158K在不同温度下的水分含量

由表2的测试结果可知,当温度在140℃以下时,样品的水分含量随温度的升高而升高,而在140~160℃的温度范围内,其水分含量值则趋于稳定。通过平行实验和补充160℃以上温度的测定实验数据,即可绘制出以水分含量和温度为变量参数的曲线图(如图5所示)。从图中可以发现,在60~140℃的温度范围内,测得的水分含量随温度的升高而呈上升趋势,这说明检测的温度偏低,水分释放不完全;至140~160℃的温度范围内,测得的水分含量趋于稳定;当加热温度高于160℃时,水分含量显著升高,这是由于样品PS与载气空气中的O2发生副反应,生成新的水。由此可见,在不使用惰性气体作为载气的情况下,该样品的最佳测定温度为140℃。

结论

综上所述,“C30智能库仑法中文卡尔费休水分仪+Stromboli全自动样品进样器干燥炉”的应用方案能够对塑料产品中的微量水分进行准确、高效且安全的自动化测定和参数优化,可广泛应用于普通的常规测定以及不同温度条件下的多样品测定,甚至是复杂的探索实验。

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