鹵素水分儀測定聚丙烯中揮發(fā)物含量

劉雪婷，陳跟平，賈慧青，黃世英

( 中國石油蘭州化工研究中心，國家合成橡膠質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，甘肅蘭州730060)

聚丙烯（PP）材料由于質(zhì)輕價廉、械性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于國防、能源、汽車、醫(yī)療、衣食住行等各個領(lǐng)域［1-5］。然而，由于受聚合工藝、催化劑、低聚物等影響，在高溫加工和使用過程中，PP 材料會不同程度地釋放出有害的揮發(fā)性物質(zhì)［6-7］。隨著人們健康環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，對產(chǎn)品要求更加綠色環(huán)保，因此，建立PP 材料中揮發(fā)物含量的檢測方法具有深遠(yuǎn)意義。

目前對于聚丙烯中揮發(fā)物的檢測主要有烘箱法［8］、色譜法等方法［9-10］，但使用烘箱法檢測聚丙烯中的揮發(fā)物含量所需時間長，且計(jì)算過程繁瑣。使用色譜法檢測儀器相對昂貴且操作復(fù)雜。

鹵素水分儀是在紅外線加熱燈里注入了惰性氣體（通常是碘或溴等鹵素）作為熱源，根據(jù)熱失重原理進(jìn)行測定［3］，由于紅外線能無阻礙地穿透物料，直接進(jìn)入樣品內(nèi)部轉(zhuǎn)化成熱能而加熱樣品，因此，樣品加熱更均勻，揮發(fā)物揮發(fā)更徹底。使用鹵素水分儀測定揮發(fā)物，已經(jīng)在食品、醫(yī)療、化工等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用［11-17］。因此，本工作建立了采用鹵素水分儀測定聚丙烯中揮發(fā)物的檢測方法，并與烘箱法進(jìn)行對比，確定了檢測時試樣質(zhì)量、加熱溫度、加熱時間、測定模式等試驗(yàn)條件。該檢測方法檢測速度快，操作便捷，重復(fù)性好，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與樣品

電熱鼓風(fēng)加熱箱：數(shù)顯式，能夠自動控制溫度在(100～130)±2 ℃；電子天平： AE200，梅特勒-托利多公司，可精確至 0.001g；鹵素水分測定儀：HX204，梅特勒- 托利多公司。

樣品：EP533N 粉料。

1.2 測試方法與原理

1.2.1 預(yù)設(shè)加熱時間法

稱取一定量的聚丙烯試樣，設(shè)定鹵素水分測定儀加熱溫度，當(dāng)儀器運(yùn)行到預(yù)設(shè)加熱時間時，揮發(fā)物的含量與已知或規(guī)定量一致時，確定為加熱終點(diǎn)。圖1 為預(yù)設(shè)加熱時間為15min 時，揮發(fā)物含量隨時間的變化圖。隨著加熱時間的增長，測得的揮發(fā)物含量先快速增加，在3min 以后增加變緩，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)加熱時間15min 時，儀器自動終止測試過程。

圖1 聚丙烯加熱曲線（預(yù)設(shè)加熱時間法）Fig. 1 Polypropylene heating curve (preset heating time method)

1.2.2 預(yù)設(shè)質(zhì)量損失法

預(yù)設(shè)質(zhì)量損失法是指在單位時間內(nèi)平均失重小于預(yù)置，則儀器認(rèn)為加熱過程完成，并自動終止測試過程。圖2 為預(yù)設(shè)質(zhì)量損失為10/200 mg·s-1時，揮發(fā)物的含量與時間的關(guān)系圖。隨著加熱時間的增長，測得的揮發(fā)物含量先快速增加后慢慢變緩，當(dāng)單位時間內(nèi)平均失重小于預(yù)設(shè)質(zhì)量損失10/200 mg?s-1時，儀器自動終止測試過程。

圖2 聚丙烯加熱曲線（預(yù)設(shè)質(zhì)量損失法）Fig. 2 Polypropylene heating curve (preset mass loss method)

2 結(jié)果與討論

2.1 鹵素水分儀試驗(yàn)條件的確定

2.1.1 試樣質(zhì)量對揮發(fā)物含量測定結(jié)果的影響

為確定鹵素水分測定儀檢測終點(diǎn)，參考GB/T 2914-2008《塑料 氯乙烯均聚和共聚樹脂 揮發(fā)物( 包括水) 的測定》，在120 ℃對待測聚丙烯中的揮發(fā)物含量進(jìn)行測定，聚丙烯中揮發(fā)物的含量約為0.230%。

分別稱量約2、3、5 g 聚丙烯樣品，置于鋁皿中，在120 ℃下，加熱3 min，測定結(jié)果見表1。

表1 試樣質(zhì)量對檢測結(jié)果的影響Table 1 The influence of sample mass on test results

由表1 可知，在確定加熱時間和溫度時，樣品揮發(fā)物的含量隨質(zhì)量的增大而減小。當(dāng)試樣質(zhì)量為3 g 時，該條件下聚丙烯試樣中揮發(fā)物含量與烘箱法測定結(jié)果相當(dāng)。因此，確定試樣用量為3 g。

2.1.2 加熱溫度對揮發(fā)物含量測定結(jié)果的影響

稱量約3g 聚丙烯樣品，分別在100、110、120、130 ℃下，加熱3 min，揮發(fā)物的測定結(jié)果見表2。

表2 加熱溫度對檢測結(jié)果的影響Table 2 The influence of heating temperature on test results

從表2 可以看出，當(dāng)試樣質(zhì)量和加熱時間確定后，揮發(fā)物的含量隨溫度的升高而增加。但是，溫度越高，聚丙烯降解產(chǎn)生小分子的幾率越大，且在120℃時加熱3 min，聚丙烯試樣中揮發(fā)物含量與烘箱法測定結(jié)果相當(dāng)。因此，確定加熱溫度為120℃。

2.1.3 預(yù)設(shè)加熱時間對揮發(fā)物含量測定結(jié)果的影響

稱量約3g 試樣，在120℃下，預(yù)設(shè)加熱時間分別為1、3、5、10、15 min 時為檢測終點(diǎn)，終止測試過程，試樣中揮發(fā)物含量測定結(jié)果見表3。

表3 預(yù)設(shè)加熱時間對檢測結(jié)果的影響Table 3 The influence of preset heating time on test results

由表3 可以看出，隨著加熱時間增加，測得的揮發(fā)物的含量也在增加，但是在3min 以后，揮發(fā)物含量的增加趨勢變緩，聚丙烯試樣中揮發(fā)物含量與烘箱法測定結(jié)果相當(dāng)。因此，選擇加熱時間為3min。

2.1.4 預(yù)設(shè)質(zhì)量損失對揮發(fā)物含量測定結(jié)果的影響

稱量約3 g 的試樣，在120 ℃加熱溫度下，預(yù)設(shè)質(zhì)量損失分別為1/50、1/90、10/140、10/200 mg·s-1時，分別測定試樣中揮發(fā)物含量。通過與烘箱法和預(yù)設(shè)加熱時間法的測定結(jié)果對比，選擇預(yù)設(shè)質(zhì)量損失為10/200 mg·s-1。測定結(jié)果見表4。

表4 預(yù)設(shè)質(zhì)量損失對檢測結(jié)果的影響Table 4 The influence of preset mass loss on test results

2.2 精密度實(shí)驗(yàn)

稱量約3 g 聚丙烯試樣，在加熱溫度為120 ℃下，檢測終點(diǎn)分別在預(yù)設(shè)加熱時間為3 min 或預(yù)設(shè)質(zhì)量損失為10/200mg·s-1，進(jìn)行重復(fù)測定，結(jié)果見表5。

表5 兩種方法的精密度Table 5 Precision of the two methods

由表5 可知，這兩種方法檢測結(jié)果基本一致，且都具有較好的重復(fù)性。

2.3 與烘箱法對比

我們分別在110 ℃和120 ℃下分別使用鹵素水分儀和烘箱法來檢測聚丙烯的揮發(fā)分，結(jié)果見表6。由表6可知，使用鹵素水分儀檢測與烘箱法的數(shù)值基本一致，且都具有較好的重現(xiàn)性。

表6 烘箱法與鹵素水分儀法對比Table 6 Comparison of oven method and halogen moisture meter method

3 結(jié)語

樣品的質(zhì)量、加熱時間、加熱溫度都會影響鹵素水分儀對聚丙烯揮發(fā)物的的檢測結(jié)果。使用預(yù)設(shè)加熱時間或預(yù)設(shè)質(zhì)量損失兩種模式都可用于檢測聚丙烯中的揮發(fā)物含量。該檢測方法速度快，操作簡便，需要的樣品量少，有較好的準(zhǔn)確度和精密度，可以用于聚丙烯科研和生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量控制。