ICP-OES 法測(cè)定鋼絲鍍層中鋁含量

田小亭, 王 凡, 金 英

鍍鋅鋼絲采用優(yōu)質(zhì)低碳鋼, 經(jīng)過(guò)拉拔成型、 酸洗除銹、 高溫退火、 熱鍍鋅、 冷卻等工藝流程加工而成。 它具有良好的物理性能, 所以它的適用范圍也很廣泛。 由于所得的鍍層較厚,熱鍍鋅較電鍍鋅有更好的防護(hù)性能, 因此是用于嚴(yán)酷工作環(huán)境的鋼鐵制件的重要保護(hù)鍍層。 熱鍍鋅制品在化工設(shè)備、 石油加工、 海洋勘探、 金屬結(jié)構(gòu)、 電力輸送、 造船等行業(yè)有廣泛應(yīng)用, 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域如農(nóng)藥噴灌、 暖房以及建筑業(yè)如水及煤氣輸送、 電線套管、 腳手架、 橋梁、 公路護(hù)欄等方面, 近年來(lái)已大量地被采用。

在鋅鋁合金鍍層中, 鋁是提高抗腐蝕能力的決定因素, 當(dāng)鍍層中鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)為共晶組織, 具有最好的抗腐蝕性能和其他綜合性能, 是替代傳統(tǒng)純鋅鍍層的新型鍍層。 目前,鍍層中鋁含量的測(cè)定以容量法為主[1-3], 樣品量多時(shí), 過(guò)程繁瑣, 分析速度慢。 用ICP-OES 法檢測(cè), 分析速度快, 可以更好地滿足進(jìn)度要求[4-12]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

BLUE 型全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀, 德國(guó)斯派克。

六次甲基四胺, 分析純; 鹽酸, ρ=1.19 g/mL; 硝酸, ρ=1.42 g/mL; 基體鋅粒, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.999%; 去鍍層鹽酸緩蝕液, 鹽酸(1+1)與六次甲基四胺(3%)等體積混合; 鋅基體溶液, 稱取10.0000 g 基體鋅粒, 加水濕潤(rùn), 加入20 mL 硝酸,蓋表面皿低溫溶解, 轉(zhuǎn)移至100 mL 容量瓶中, 稀釋至刻度,混勻。 此溶液鋅含量100 mg/mL。

1.2 儀器工作條件

儀器主要參數(shù): 工作高頻27.12 MHz, 輸出功率1400 W,冷卻氣流量13 L/min, 輔助氣流量1.00 L/min, 霧化氣流量0.80 L/min, 蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速30 rpm, 樣品提升量2.00 mL/min, 預(yù)沖擊時(shí)間15 s, 分析時(shí)間45 s。

1.3 試驗(yàn)方法

挑選無(wú)劃痕的鋼絲, 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)YB/T4221-2016《工程機(jī)編鋼絲網(wǎng)用鋼絲》附錄A 中要求剪取, 放入100 mL 去鍍層鹽酸緩蝕液中, 觀察至氣泡消失, 反應(yīng)完全, 立即取出鋼絲, 蒸餾水沖洗干凈, 用無(wú)水乙醇擦凈吹干, 放入烘箱內(nèi)于105 ℃烘30 min, 放在干燥器內(nèi)冷卻30 min。 兩次重量之差為鍍層重量。緩蝕液直接轉(zhuǎn)移至200 mL 容量瓶中, 如緩蝕液不清亮, 補(bǔ)加10 mL 鹽酸, 煮沸至清亮, 轉(zhuǎn)移。

1.4 工作曲線的配制

實(shí)驗(yàn)室收到客戶送檢的鋼絲鍍層鋁含量10%左右, 鋅含量為余量, 鋅元素的干擾可通過(guò)基體匹配進(jìn)行消除, 按照鍍層重量中鋅含量90%進(jìn)行基體匹配。

取4.5 mL 鋅基體溶液于200 mL 容量瓶中, 加入鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液,工作曲線濃度為50 μg/mL、 100 μg/mL、 200 μg/mL、 300 μg/mL、400 μg/mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 分析譜線的選擇

選取兩個(gè)鋁含量不同的被測(cè)樣品未知樣1 和未知樣2, 按照YB/T4221-2016 《工程機(jī)編鋼絲網(wǎng)用鋼絲》 附錄A 容量法測(cè)定鋁含量, 選取鋁元素四條分析線進(jìn)行試驗(yàn), 對(duì)比容量法和ICP 法測(cè)定數(shù)據(jù), 結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 分析譜線試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Analysis of spectral line test results

由表1 結(jié)果可知, 低強(qiáng)度譜線308.215、 396.152 結(jié)果相比高強(qiáng)度譜線167.079、 309.271 更接近容量法結(jié)果。 結(jié)果符合ICP 譜線選取規(guī)則, 考慮鋁元素含量與容量法接近程度, 選擇譜線396.152 nm 作為分析譜線。

2.2 剪取段數(shù)研究

按照標(biāo)準(zhǔn)YB/T4221-2016 中表7 對(duì)客戶送檢的直徑2.7 mm規(guī)格鋼絲(Ⅰ組)進(jìn)行剪取長(zhǎng)度計(jì)算, 鍍層重量未知的情況下采用最小值, 剪取長(zhǎng)度應(yīng)小于28.90 cm。 各剪取未知樣1 和未知樣2 長(zhǎng)度28.50 cm, 為了檢測(cè)方便, 鋼絲剪成若干小段, 測(cè)定鋼絲總長(zhǎng)度鍍層中鋁含量, 結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 剪取段數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of cutting out the number of segments

由表2 結(jié)果可知, 每小段兩個(gè)橫截面會(huì)接觸緩蝕液, 鋼絲中的鐵會(huì)被緩蝕, 剪取段數(shù)越多, 橫截面越多, 緩蝕越多, 導(dǎo)致鍍層重量增加, 鋁含量偏低。 為了提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度, 截取四個(gè)小段進(jìn)行試驗(yàn)。 截取要快速, 確保橫截面平整, 不要有凸面, 防止增大接觸面, 造成結(jié)果偏低。

2.3 試樣緩蝕研究

緩蝕液中有鹽酸, 會(huì)緩蝕鋼絲, 控制反應(yīng)結(jié)束點(diǎn)對(duì)本試驗(yàn)很重要。 各剪取未知樣1 和未知樣2 長(zhǎng)度28.50 cm, 均剪成四段, 測(cè)定不同緩蝕效果的鋁含量, 結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 緩蝕效果試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of corrosion inhibition effect

由表3 結(jié)果可知, 無(wú)氣泡現(xiàn)象為反應(yīng)停止的終點(diǎn), 觀察到無(wú)氣泡立即取出鋼絲。 有氣泡取出鋼絲, 鍍層未被完全緩蝕,測(cè)定結(jié)果偏低; 無(wú)氣泡幾分鐘取出, 緩蝕液中的鹽酸會(huì)緩蝕鋼絲, 增加鍍層重量, 測(cè)定結(jié)果偏低。

2.4 分析譜線的線性方程、 相關(guān)系數(shù)

選取鋁元素譜線396.152 nm, 設(shè)定儀器工作條件, 鋅基體溶液打底, 測(cè)定鋁元素工作曲線, 如圖1 所示。

圖1 工作曲線Fig.1 working curve

由圖1 可知, 鋅基體溶液打底的鋁元素相關(guān)系數(shù)在0.9999以上, 符合ICP 的要求。 在工作曲線下運(yùn)行多遍空白, 計(jì)算方法檢出限為0.346%

2.5 方法精密度及準(zhǔn)確度

按照上述條件試驗(yàn)的最優(yōu)方案, 對(duì)兩個(gè)未知樣1 和未知樣2 進(jìn)行十一組試驗(yàn), 計(jì)算精密度, 結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4 結(jié)果可知, 未知樣1 和未知樣2 的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.661%, 0.373%, 該方法精密度好, 符合化學(xué)分析方法的一般要求。

表4 測(cè)試結(jié)果與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 4 Test results and relative standard deviation

按照上述條件試驗(yàn)的最優(yōu)方案, 對(duì)未知樣1 進(jìn)行加標(biāo)回收率的試驗(yàn), 加標(biāo)量分別為鋁元素含量的0.5、 1.0、 1.25、 1.5 倍。依此對(duì)樣品命名為JB1、 JB2、 JB3、 JB4。 試驗(yàn)結(jié)果及回收率見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)結(jié)果及回收率Table 5 Test results and recovery rate

由表5 結(jié)果可知, 鋁元素的加標(biāo)回收率均介于98% ～105%, 符合化學(xué)分析方法的一般要求, 方法準(zhǔn)確度高。

2.6 干擾試驗(yàn)

鋼絲鍍層中主要成分為鋅和鋁, 鋅基體對(duì)鋁元素發(fā)射強(qiáng)度有影響, 且對(duì)強(qiáng)度的增感或抑制是同時(shí)存在的, 配置工作曲線時(shí)加入鋅溶液消除基體干擾。 雜質(zhì)元素總和不超過(guò)0.50%, 且稀土元素居多, 干擾可以忽略不計(jì)。

3 結(jié) 論

通過(guò)上述系列研究結(jié)果表明, 剪取鋼絲擦凈烘干, 放入緩蝕液中, 反應(yīng)停止取出, 采用鋁元素396.152 nm 分析譜線, 利用等離子體發(fā)射光譜儀能準(zhǔn)確、 快速的進(jìn)行鍍層鋼絲中鋁含量的測(cè)定。 同時(shí)該方法還具有操作簡(jiǎn)易、 線性范圍寬、 準(zhǔn)確度高、 便于檢驗(yàn)員操作的優(yōu)點(diǎn)。