電感耦合等離子體發射光譜法測定聚丙烯腈基碳纖維中鉀、鈣、鈉、鎂、鐵

（陜西省地質礦產實驗研究所有限公司，陜西 西安 710054）

聚丙烯腈碳纖維具有軸向強度和模量高、耐疲勞、耐腐蝕等特點。目前作為復合材料最重要的增強材料在軍事及民用工業獲得了廣泛應用[1，2]。由于碳纖維中鉀、鈉、鈣、鎂、鐵等雜質元素會影響碳纖維的抗氧化性能和高溫力學性能，對其用途有很大影響,特別是用作燒蝕材料的碳纖維,要求鉀、鈉、鈣、鎂總含量不超過50ppm。為達到該項技術指標,在碳纖維制造中,必須嚴格控制工藝過程,避免沾污,所以研究高效準確測定碳纖維原絲中鉀、鈉、鈣、鎂、鐵的含量具有實際意義[3-5]。本文用電感耦合等離子體發射光譜法完成了對鉀、鈉、鈣、鎂、鐵的一次測定，方法簡便快速、準確度高、精密度好，結果令人滿意。

1 試驗部分

1.1 主要儀器與試劑

ICAP 7400電感耦合等離子體發射光譜儀(美國Thermo公司)。

馬弗爐：可以升溫至1300℃。

硝酸優級純。

氫氟酸優級純。

鉀、鈉、鈣、鎂、鐵標準儲備液（均為1mg/mL）。

實驗室用水（去離子水）。

1.2 試樣制備

稱取5.0000g樣品，精確至0.0001g，置于鉑金坩堝中，然后移入馬弗爐，馬弗爐門微開通氧，逐漸升溫至700±10℃灼燒6小時，取出冷卻，沿鉑金坩堝杯壁旋轉加入2ml氫氟酸，浸沒碳纖維灰分,在電熱板上100℃加熱蒸干后，再加入10mL（1+1）HNO3，加熱提取1～15分鐘，移下冷卻，轉移至50mL容量瓶中，稀釋至刻度，搖勻待測，同時進行空白試驗。

1.3 試驗步驟

繪制工作曲線：取7個50mL容量瓶，各加入（1+1）HNO35 mL，配制成混合標準溶液工作曲線：含鉀、鈣、鈉、鎂、鐵為0.00μg/ml、0.20μg/ml、0.50μg/ml、1.00μg/ml、2.00μg/ml、3.00μg/ml、5.00μg/ml，按表1儀器工作條件測定標準系列工作液，繪制工作曲線并測定樣品。

表1 電感耦合等離子體發射光譜儀工作參數

2 結果與討論

2.1 樣品前處理條件選擇

2.1.1 灰化溫度

根據文獻報道，在300℃以上，碳可在空氣中氧化，在綜合考慮時間的情況下，為了達到完全灰化的目的，本文在灰化時間為6h時[6-8]，對溫度從400℃～900℃進行了灰化討論。并對每組樣品中的金屬元素進行了測定，從表3中可以看出，當溫度在650℃～800℃區間內碳纖維能夠灰化完全，且分析結果良好。從加熱時間和節約的角度出發本文最終確定灰化溫度為700℃。

表2 碳纖維灰化溫度的影響

2.1.2 硅對測定影響

灰化后的灰分用1+1硝酸提取樣品，發現樣品會有少量沉淀，經試驗驗證，該沉淀含有少量的硅[9，10]，由于樣品灰分蓬松體積較大，為使樣品消解完全，灰分必須浸入氫氟酸中，經試驗，至少需要1mL氫氟酸才能浸沒灰分。本文進行了揮硅用酸量討論，由表3可以看出，不加氫氟酸時分析結果明顯偏低，當氫氟酸加入量達到1.5ml以上時，分析結果沒有顯著變化，說明揮硅完全，本文最終采用2ml氫氟酸進行揮硅處理。

表3 氫氟酸用量對結果的影響

2.1.3 酸介質實驗

分別用5%硝酸、鹽酸、硫酸標液，進行酸度標準溶液和提取試驗[11]。以鉀、鈣、鐵為例繪制硝酸、鹽酸、硫酸對樣品測定的影響圖，見表4。

結果表明，三者中硝酸和鹽酸的差別不大，硫酸介質對鉀和鐵影響較大，這是因為隨著硫酸粘度大，霧化效率降低。本文選5%硝酸介質。

表4 酸介質對測定結果的影響

2.2 方法檢出限

按實驗方法采用鉑金坩堝空燒，2ml氫氟酸消解，10ml（1+1）HNO3提取后定容體積為50ml的情況下,連續測定全流程空白10份,得到標準偏差,3倍標準偏差計算得到方法的檢測限為鉀0.6μg/g、鈣1.0μg/g、鈉1.2μg/g、鎂0.5μg/g、鐵0.8μg/g。

2.3 方法精密度

分別消解碳纖維樣品7份，進行精密度試驗,結果見表5。

表5 精密度試驗

2.4 方法準確度試驗

用加標回收試驗檢驗方法的準確度，準確稱量5.0000碳纖維樣品放進鉑金坩堝，用移液槍準確加入配置好的含鉀、鈣、鈉、鎂、鐵10μg/ml混合標準溶液5ml，在烘箱中100℃烘干后，隨樣品一同放入馬弗爐進行灼燒，消解后測得回收率見表6。

由以上試驗結果可以看出，用本法測定碳纖維原絲中的鉀、鈉、鈣、鎂、鐵結果滿意。

表6 加標回收率試驗

3 結論

聚丙烯腈基碳纖維進行高溫灰化、氫氟酸揮硅處理后用電感耦合等離子體發射光譜儀一次測定其中的雜質元素鉀、鈣、鈉、鎂、鐵的含量，經精密度和準確度試驗證明是該方法選擇性好、快速簡便、耗酸量少、穩定性好。