紡織品萃取液pH值自動化測試相關(guān)問題的探討

在日常生活中，人們每天都要使用、接觸紡織產(chǎn)品，紡織品pH值若過低或過高均會破壞人體皮膚表面弱酸性環(huán)境，引起瘙癢，使皮膚容易受到病菌的侵害，進(jìn)一步引發(fā)皮炎等癥狀。因此國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 18401—2010《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》[1]對紡織產(chǎn)品的pH值有明確要求，嬰幼兒紡織產(chǎn)品需符合A類要求（4.0～7.5），直接接觸皮膚的紡織產(chǎn)品至少符合B類要求（4.0～8.5），非直接接觸皮膚的紡織產(chǎn)品至少符合C類要求（4.0～9.0），并指定紡織產(chǎn)品的pH值測試方法為GB/T 7573—2009《紡織品水萃取液pH值的測定》[2]。作為一個強(qiáng)制性的檢測項(xiàng)目，pH值是檢測數(shù)量最多的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一。

隨著時代的進(jìn)步，我們的工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了自動化時代和信息化時代。通過自動化及信息化手段，實(shí)現(xiàn)檢測項(xiàng)目的自動化，能夠極大地解放人力，提高檢驗(yàn)效率，具有深遠(yuǎn)的意義。測試方法GB/T 7573—2009適用于各種紡織品，測試步驟較少且不需根據(jù)樣品的纖維成分、組織結(jié)構(gòu)、顏色進(jìn)行調(diào)整，因此該方法測試時一般是通過批量處理的方式進(jìn)行，該方法實(shí)現(xiàn)自動化的可行性較高，目前已有針對這方面的研究，但研究方向主要集中在樣品萃取及萃取液批量測試上，對該方法其他環(huán)節(jié)的自動化研究較少。

1 GB/T 7573—2009各環(huán)節(jié)的要點(diǎn)及目前對其實(shí)現(xiàn)自動化的研究進(jìn)展

要實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)的自動化，需分析該測試方法的各個環(huán)節(jié)。GB/T 7573—2009檢驗(yàn)流程主要有以下環(huán)節(jié)：pH計的校準(zhǔn)、樣品的處理及稱量、萃取介質(zhì)的配制及分裝、樣品的萃取、電極的潤洗及測試。

1.1 pH計的校準(zhǔn)

pH值為溶液中氫離子濃度的負(fù)對數(shù)（pH=-log10[c(H+)/(mol/L)]）其數(shù)值用以表征溶液中的酸堿程度。對于溶液X，測出伽伐尼電池的電動勢Ex。pH值由測量電池的電動勢而得，該電池通常由飽和甘汞電極為參比電極，玻璃電極（氫離子選擇性電極）為指示電極所組成。根據(jù)能斯特方程，在25℃時，溶液中每變化1個pH單位，電位差改變?yōu)?9.16mV，此電位差在儀器中通過換算即可得到溶液pH值。由于玻璃電極生產(chǎn)過程中不可避免的誤差，以及電極在使用過程中出現(xiàn)的讀數(shù)漂移，使得玻璃電極測量溶液pH時所得結(jié)果與實(shí)際pH值可能存在差異，因此需定期對pH電極進(jìn)行校準(zhǔn)。緩沖溶液具備一定的緩沖容量和抗稀釋能力，其pH值比較穩(wěn)定，所以一般使用其對pH電極進(jìn)行校準(zhǔn)，修正儀器的讀數(shù)。現(xiàn)市面上的pH計一般都帶有內(nèi)置的校準(zhǔn)功能，可根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果自動將測試溶液的電位差轉(zhuǎn)化成pH值。

按GB/T 7573—2009要求，使用的緩沖溶液pH值在4、7和9左右，標(biāo)準(zhǔn)附錄提供的緩沖溶液分別是鄰苯二甲酸氫鉀溶液、磷酸二氫鉀和磷酸氫二鈉溶液，四硼酸鈉溶液。

由于不同型號的電極對校準(zhǔn)結(jié)果要求不同，而且若pH因長時間使用或意外故障導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果不滿足要求需要對其進(jìn)行更換后重新校準(zhǔn)，建議校準(zhǔn)環(huán)節(jié)以人手操作的方式進(jìn)行，避免因電極校準(zhǔn)出現(xiàn)樣品測量結(jié)果偏離。

1.2 樣品的處理及稱量

現(xiàn)針對檢測樣品自動稱量的研究相對較少，針對固體自動稱量的研究目前主要集中在生產(chǎn)及加工領(lǐng)域。內(nèi)蒙古民族大學(xué)劉光宇等根據(jù)銅基粉末冶金材料特性設(shè)計出一套自動稱量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度高效率自動稱量，為摩擦塊冷壓成型提供滿足質(zhì)量要求的原料[5]。河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院賀小艷為實(shí)現(xiàn)奶粉生產(chǎn)的自動配料、自動稱量、自動監(jiān)控，提高生產(chǎn)企業(yè)自動化程度，設(shè)計一種基于DSP芯片TMS320F2812的自動配料稱量控制系統(tǒng)[6]。阿拉善職業(yè)技術(shù)學(xué)院田智慧等為了實(shí)現(xiàn)配料稱量過程的自動化控制，數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控，提高配料環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率以及稱量包裝精度，設(shè)計了一套自動稱量配料控制系統(tǒng)[7]。貴州師范大學(xué)張正勛等設(shè)計一種基于單片機(jī)控制的中藥材自動取藥機(jī)，在抓藥過程無人工參與，避免了人為誤差、降低勞動強(qiáng)度，提高了抓取中藥的效率[8]。

目前針對固體自動稱量的研究主要集中在生產(chǎn)及加工領(lǐng)域，研究方向基本是從大批量原料中準(zhǔn)確定量進(jìn)行分配，運(yùn)作模式是“一”（大量）對“多”（重復(fù)小量）。但此模式不完全適用于檢測領(lǐng)域。

檢測領(lǐng)域與生產(chǎn)及加工領(lǐng)域最大的不同點(diǎn)在于，檢測領(lǐng)域的運(yùn)作模式是“多”（不同樣品）對“更多”（不同樣品重復(fù)測試），而且由于樣品不同，檢測樣品的過程需要考慮到測試過程中避免交叉污染。按GB/T 7573—2009要求，樣品需裁剪為約5mm×5mm的大小，目的是萃取過程樣品能夠迅速潤濕。然后將裁剪好的樣品稱取（2.00±0.05）g轉(zhuǎn)移至250mL具塞玻璃瓶中。樣品的裁剪步驟目前可通過氣動裁樣機(jī)及粉碎機(jī)或其他可以將紡織面料裁剪為小塊的設(shè)備實(shí)現(xiàn)儀器操作。但若需實(shí)現(xiàn)將裁剪后的樣品定量轉(zhuǎn)移至容器，因部分紡織面料容易產(chǎn)生靜電，樣品的裁剪、稱量及轉(zhuǎn)移過程中容易因靜電粘附在容器上，需考慮以氣流或其他方式將粘附樣品進(jìn)行清除，防止交叉污染。

1.3 萃取介質(zhì)的配制及分裝

按GB/T 7573—2009要求，可以選擇符合GB/T 6682三級水要求的試驗(yàn)用水或者以之配制的0.1mol/L的氯化鉀溶液作為萃取介質(zhì)。因標(biāo)準(zhǔn)注明“當(dāng)某種樣品使用水和氯化鉀溶液的測定結(jié)果發(fā)生爭議時，推薦采用氯化鉀溶液作為萃取介質(zhì)的測定結(jié)果”，建議選擇氯化鉀溶液作為萃取介質(zhì)。

溶液的配制及分裝裝置目前市面上有多種型號，該種裝置的技術(shù)比較成熟，但該種裝置在使用過程中仍可能出現(xiàn)一些問題。氯化鉀作為強(qiáng)酸強(qiáng)堿鹽，化學(xué)穩(wěn)定性較好，但其鹽溶液對金屬有腐蝕性，鐵材質(zhì)的部件接觸氯化鉀溶液容易出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，污染溶液，不銹鋼材質(zhì)短時間接觸氯化鉀溶液未出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，但長時間使用亦有該現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，建議配制及分裝裝置中接觸溶液的相關(guān)部件選用非金屬部件，其化學(xué)性質(zhì)對鹽溶液穩(wěn)定，使用過程中不會污染溶液。

現(xiàn)針對溶液分液裝置的研究較多。中國礦業(yè)大學(xué)鄭誠等為解決浮選藥劑添加過程中自動化程度低、加藥精度低、藥劑消耗量大等問題，研制了一種主要由儲藥箱、除雜裝置和防護(hù)柜體組成，以蠕動泵為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的浮選自動加藥裝置[9]。神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)王海峰為解決浮選過程中人工加藥的不準(zhǔn)確性和不穩(wěn)定性，研究采用蠕動泵為執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)建浮選自動加藥系統(tǒng)，并進(jìn)行試驗(yàn)探究其精度。經(jīng)過大量的試驗(yàn)表明，在選擇以200 mL為標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)時，捕收劑的誤差精度小于4%，起泡劑的誤差精度小于1%[10]。陜西科技大學(xué)黃寶柱圍繞高精度定量閥的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制單元設(shè)計、加減速定位控制和位置閉環(huán)智能控制三個方面展開研究工作，選擇定位精度相對較高的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動部件，然后結(jié)合減速器、閥體等零部件，設(shè)計了高精度定量閥的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)[11]。

現(xiàn)大部分蠕動泵及電磁閥的分液裝置都是通過設(shè)定分液時間進(jìn)行流量的控制，溶液的流速對分液量有影響。裝有溶液的容器在溶液的“分裝—配制—分裝”過程中，溶液的液面高低會出現(xiàn)變化，部分分液裝置在容器不同液面高度時，分液的流速不一致，致使最終分液的體積出現(xiàn)差異，使用該種裝置時需留意此影響。

1.4 樣品的萃取

按GB/T 7573—2009要求，樣品萃取過程中要保證樣品內(nèi)部與萃取液之間進(jìn)行充分的液體交換，標(biāo)準(zhǔn)對振蕩頻率定了最低要求，為往復(fù)式至少60次/min，旋轉(zhuǎn)式至少30周/min。

對容易潤濕的樣品，往復(fù)式60次/min及旋轉(zhuǎn)式30周/min的振蕩頻率能使萃取液充分潤濕樣品，即使提高振蕩頻率，萃取效果及測試結(jié)果不會出現(xiàn)明顯變化。但部分較難潤濕的樣品（如經(jīng)拒水處理），低頻率的振蕩方式不能使其充分潤濕，此類樣品的振蕩頻率不能選擇標(biāo)準(zhǔn)中的最低值。

進(jìn)行自動化測試時，選擇振蕩參數(shù)需考慮此因素。

1.5 電極的潤洗及測試

按GB/T 7573—2009要求，3份萃取液的第一份是不記錄測試數(shù)據(jù)，其作用對測試電極做潤洗，消除上一份樣品測試及清洗的干擾，然后測試第二及第三份萃取液，以其測試數(shù)據(jù)作為測試結(jié)果。

按標(biāo)準(zhǔn)的操作流程，樣品萃取后，需將萃取液需從250mL具塞玻璃瓶中倒入燒杯中，再使用pH電極測試，此舉的目的將提高溶液的液面（萃取液在250mL具塞玻璃瓶中液面僅有約1cm）。

進(jìn)行自動化測試時，由于電極需要進(jìn)行長時間的自動測試，因此其測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性顯得十分重要，建議在連續(xù)測試的過程中穿插標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行準(zhǔn)確性評估，確保結(jié)果不會因電極讀數(shù)漂移出現(xiàn)異常。由于樣品萃取液，特別是堿性樣品的萃取液，若長時間暴露在空氣環(huán)境下，空氣中二氧化碳?xì)怏w可能對結(jié)果造成影響，測試時需考慮此因素。

針對此環(huán)節(jié)的自動化運(yùn)作目前研究不是很多。中紡協(xié)（北京）檢驗(yàn)技術(shù)服務(wù)有限公司賀志鵬等發(fā)明了一種紡織品pH值自動測試設(shè)備，樣品箱內(nèi)設(shè)有若干層隔板，每個隔板上可滑動設(shè)有樣品架，樣品架在隔板上限位滑動，每個樣品架均連接一個振蕩裝置，振蕩裝置設(shè)于樣品箱外側(cè)，自動取液機(jī)構(gòu)將待測液吸取后放置到每個試管內(nèi)，pH值自動測定機(jī)構(gòu)對待測液體進(jìn)行pH測定[12]。北京和眾視野科技有限公司彭湘洲等研究了一種紡織品pH值自動測試及評級系統(tǒng)實(shí)用新型，包括底座、沖洗裝置、pH計電極、旋轉(zhuǎn)軸、帶有數(shù)據(jù)傳輸功能的pH計主機(jī)、計算機(jī)、控制盒、水泵控制裝置、測試工位[13]。

實(shí)驗(yàn)室之前試驗(yàn)以100mL的三角瓶對樣品進(jìn)行萃取，然后在小三角瓶直接測量溶液的pH值。通過比對數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，部分按GB/T 7573—2009測試的樣品結(jié)果與此方法的測試結(jié)果有明顯差異，差異集中在pH結(jié)果在7～8的樣品（按GB/T 7573—2009測試），通過分析，可能是由于100mL的三角瓶在裝入樣品及100mL萃取介質(zhì)后，三角瓶已基本填滿，但250mL三角瓶在裝入樣品及100mL萃取介質(zhì)后，容器內(nèi)仍有較多空氣存在，弱堿性樣品萃取過程中容易被密封容器中的帶二氧化碳的空氣中和，而100mL的三角瓶則沒有發(fā)生其中和現(xiàn)象。

2 測試程序結(jié)合及自動化測試的展望

實(shí)現(xiàn)檢測項(xiàng)目的自動化，能夠極大地解放人力，提高檢驗(yàn)效率，具有深遠(yuǎn)的意義，目前在此方面已經(jīng)有不少的研究，但對標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7573—2009自動化的研究，研究方向主要集中在樣品萃取及萃取液批量測試上，對該方法其他環(huán)節(jié)的自動化研究較少，對整個測試項(xiàng)目的各環(huán)節(jié)自動化設(shè)備進(jìn)行整合交互的研究則更少，具有良好的發(fā)展前景。若要實(shí)現(xiàn)此目的，需要通過機(jī)械及軟件程序?qū)Ω鳒y試步驟進(jìn)行整合及交換，需要花費(fèi)較多時間對機(jī)械設(shè)計及調(diào)試、軟件編寫進(jìn)行仔細(xì)的整合，在進(jìn)行這方面的研究時，亦要重視相關(guān)檢驗(yàn)細(xì)節(jié)，以確保自動化設(shè)備的測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)操作一致，并能保持穩(wěn)定。