紅外法測試淀粉基聚酯水分含量影響因素分析

曾祥斌, 焦 建, 盧昌利, 郭志龍, 歐陽春平, 王超軍, 麥開錦

(1 金發科技股份有限公司企業技術中心，廣東 廣州 510520；2 珠海金發生物材料有限公司，廣東 珠海 519050)

塑料作為人類的偉大發明之一，因其綜合性能優異，自誕生以來被廣泛應用于各個領域，給人們的生活帶來了極大便利。然而，傳統塑料在造福人類的同時，其廢棄物也引起了嚴重的環境污染[1]。傳統塑料污染環境的本質是傳統塑料廢棄物泄漏到自然環境中帶來視覺污染、土壤破壞、微塑料等環境危害。生物降解聚酯是一類能夠在合適的環境條件下，經過一定的時間，被生物菌群的新陳代謝作用分解為二氧化碳和水的高分子材料。生物降解聚酯因其可被環境降解的特性，成為治理塑料污染問題重要且不可或缺的手段。

目前市面上應用較為廣泛的生物降解聚酯包括脂肪族-芳香族聚酯，如聚對苯二甲酸-共-己二酸丁二醇酯(PBAT)；脂肪族聚酯，如聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚乳酸(PLA)等。脂肪族-芳香族聚酯因其鏈段長而具有較高的柔韌性，同時因結晶速度慢而耐熱性能差；脂肪族聚酯因其鏈段短，分子結構排布規則而剛性強，韌性差，同時因結晶速度快而耐熱性能好。單獨的脂肪族-芳香族聚酯或者脂肪族聚酯由于其自身的性能缺陷往往難以滿足實際應用需求，通常需要對脂肪族-芳香族聚酯或者脂肪族聚酯進行共混改性，以滿足終端應用對材料的性能需求及成本需求。按填充物是否來源于生物基，通常可將共混改性聚酯分為淀粉基生物降解聚酯和礦粉基生物降解聚酯。

淀粉基生物降解聚酯因材料柔韌性好，抗穿刺能力強，保墑保濕效果好，廣泛應用于購物袋、垃圾袋、農用地膜等領域。在淀粉基生物降解聚酯加工過程中，為了保證淀粉的良好塑化，通常需要加水作為塑化劑。然而對于淀粉基生物降解聚酯而言，水分含量過高會導致后端加工過程中，材料發生水解，影響終端制品性能。因此控制淀粉基生物降解聚酯的水分含量是淀粉基生物降解聚酯制備過程中的重要環節，如何測試淀粉基生物降解聚酯的水分含量則是確保淀粉基生物降解聚酯水分含量合格的關鍵步驟。

對于塑料材料，常見的水分測試方法包括：卡爾費休水分測試法、烘箱法、壓差法和紅外法。卡爾費休水分測試法雖然能準確測定塑料中的水分含量，但是存在成本較高、測試時間較長、操作復雜和卡爾費休試劑有毒等問題。烘箱法雖然快速簡單，但得到的結果并非含水量而是包含其他低揮發性物質的揮發分含量[2]。壓差法雖然測試結果相對準確，但測試時間長，操作復雜。紅外法具有快速簡便的特點，但測試結果受樣品材質、測試條件影響較大[3-4]。

本文為發揮紅外法快速簡便的特點，以壓差法測試數據為參考，通過試驗設計，分析了影響紅外法測試淀粉基生物降解聚酯水分含量的關鍵因素，并結合實驗結果給出了適合淀粉基生物降解聚酯水分含量測試的測試條件。

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

SF-1壓差法水分測定裝置，上海思爾達科學儀器有限公司，MA 35紅外水分測試儀，Sartorius，淀粉基生物降解聚酯 ECOPOND?C200，來源于珠海金發生物材料有限公司，測試前采用鋁箔包裝，密封保存。

1.2 實驗與分析

1.2.1 壓差法

水的沸點與壓力相關，在接近真空狀態下時，水會以氣態的形式存在，隨著壓力的增加，又重新凝結成水。壓差法是一種比較法，其測試水分的原理在于：先用不同質量的具有已知含水率的標準試樣做試驗，得出不同的水分含量所對應的不同壓力的標示，然后測試待測樣品，試驗結果同樣用壓力標示，在所對應的壓力處，根據標準試樣做得的結果，就可以知道待測樣品的水分含量。

參照標準ISO 15512 Method C，采用壓差法測得的淀粉基生物降解聚酯ECOPOND?C200水分含量數值總體標準偏差很小，數值比較穩定，如表1所示。以壓差法測試的水分含量為依據，分別對紅外法測定淀粉基生物降解聚酯水分含量的實驗條件(樣品質量、烘干溫度和烘干時間)進行研究，以期找到最佳實驗條件。

表1 壓差法測定ECOPOND? C200水分含量Table 1 Moisture content of ECOPOND? C200 with differential pressure method

1.2.2 紅外法

紅外法引用傳統經典物理水分檢測方法(烘箱干燥法)，利用紅外線或遠紅外線輻射器所產生的具有強烈輻射熱和穿透性電磁波，以光的速度直線傳播到被測樣品上，引起被測樣品分子激烈摩擦產生熱，使樣品表層和下層的水分同時蒸發[5]，通過稱重傳感器和紅外線輻射源結合，時時測定樣品的水分含量[5]。與烘箱干燥法相比，紅外法可以在高溫下將樣品均勻地快速干燥，樣品表面不易受損，在測試條件合適的情況下，其檢測結果與烘箱干燥法相比具有良好的一致性，具有可替代性，且檢測效率遠遠高于烘箱法。

紅外法測試樣品水分含量，測試結果受樣品材質、測試條件影響較大，主要影響因素包括：樣品質量、烘干溫度和烘干時間。

(1)樣品質量的選擇

樣品質量是影響紅外法測試樣品水分含量結果的關鍵因素之一，一般以樣品平鋪滿鋁盤的底部，樣品之間無明顯間隙為佳(如圖1 b所示)。如果樣品量過少，難以保證樣品完全鋪滿測試用的鋁盤(如圖1 a所示)，未被樣品遮蓋住的鋁盤會反射紅外射線造成其溫度低于樣品的溫度，樣品會不斷與暴露的鋁盒發生熱交換，從而導致樣品只能吸收能量不均勻，測量數據不穩定。如果樣品量太大，一方面會使樣品形成明顯堆積(如圖1 c所示)，樣品受熱不均勻，且所需要的干燥時間相對較長，影響工作效率；另一方面，會在樣品的表面形成水膜，影響水分的揮發[5]。

圖1 不同樣品質量樣品堆積示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample stacking with different sample quality

固定烘干溫度80 ℃，烘干時間5 min，分別采用樣品質量(15±0.5) g，(20±0.5) g和(25±0.5) g進行樣品水分含量測試，測試數據如表2所示。

表2 不同樣品質量下ECOPOND? C200水分含量Table 2 Moisture content of ECOPOND? C200 with different sample quality

(2)烘干溫度的選擇

淀粉基生物降解聚酯通常以PBAT和PLA作為基礎樹脂，PBAT的熔點通常為110～125 ℃，玻璃化轉變溫度約-32 ℃，PLA的熔點為140～180 ℃，玻璃化轉變溫度約60 ℃，此外二者的維卡軟化點均不超過95 ℃。烘干溫度不宜過高，過高的烘干溫度會導致樣品結塊，影響測試結果；烘干溫度過低，往往需要較長的測試時間，影響工作效率。固定樣品質量(20±0.5) g，烘干時間5 min的情況下，分別選用烘干溫度為80 ℃，85 ℃，90 ℃進行了樣品水分含量測試，測試結果如表3所示。

表3 不同烘干溫度下ECOPOND? C200水分含量Table 3 Moisture content of ECOPOND? C200 with different drying temperatures

(3)烘干時間的選擇

烘干時間取決于烘干溫度，在烘干溫度固定的情況下，烘干時間過短，水分含量測試結果偏低；烘干時間過長，影響工作效率，且水分含量測試結果偏高。固定樣品質量(20±0.5) g，烘干溫度80 ℃的情況下，分別選用烘干時間為3 min，5 min，8 min的進行了樣品水分含量測試，測試結果如表4所示。

表4 不同烘干時間下ECOPOND? C200水分含量Table 4 Moisture content of ECOPOND? C200 with different drying times

(4)正交試驗

為了進一步研究樣品質量、烘干溫度、烘干時間對樣品水分含量測試結果的影響，本文進一步采用正交設計法，測試了不同組合條件下淀粉基生物降解聚酯ECOPOND?C200的水分含量，結果如表5所示。

表5 紅外法測定ECOPOND? C200水分含量Table 5 Moisture content of ECOPOND? C200 with infrared method

2 結果與討論

表2數據表明，當樣品質量為(20±0.5) g時，樣品能較均勻的平鋪在鋁盤中，水分含量測試結果與壓差法更為接近，總體標準偏差相對更小。當樣品質量為(15±0.5) g時，雖然樣品也能較好的平鋪于鋁盤中，但存在明顯的間隙，導致水分含量測試結果較壓差法偏高，且總體標準偏差較樣品質量為(20±0.5) g時大；當樣品質量為(25±0.5) g時，雖然能保證樣品平鋪于鋁盤中無間隙，但樣品出現了明顯的堆積情況，導致測試過程中，水分蒸發相對困難，測試結果較壓差法偏低，平行樣之間的數據波動大。

表3數據表明，固定樣品質量和烘干時間的情況下，烘干溫度越高，樣品水分含量測試結果越大，總體標準偏差也隨烘干溫度的升高而變大。

表4數據表明，固定樣品質量和烘干溫度的情況下，烘干時間越長，樣品水分含量測試結果越大。當烘干時間為3 min時，由于烘干時間過短，樣品中的水分并未完全蒸發，導致水分含量測試結果較壓差法偏低，總體標準偏差較烘干時間5 min時大；當烘干時間為8 min時，過長的烘干時間，導致樣品中水分蒸發的同時，樣品中的一些高沸點成分也隨著烘干時間的延長而逐漸揮發，導致水分含量測試結果較壓差法偏高，總體標準偏差較烘干時間5 min時大。

對比表2、表3和表4的數據，可以發現，當樣品質量和烘干時間合適時，烘干溫度的改變雖然會對測試結果產生影響，但是相對于樣品質量、烘干時間改變，溫度的改變對平行樣間的數據波動影響更小，總體標準偏差更小。

表5中的正交試驗數據表明，無論是提升烘干溫度還是改變樣品質量，當烘干時間為3 min時，樣品水分含量平均值均小于等于300 mg/kg，測試結果均低于壓差法測試結果；當烘干時間為8min時，樣品水分含量平均值均高于650 mg/kg，測試結果均高于壓差法測試結果。固定樣品烘干溫度，改變樣品質量和烘干時間，可以發現，烘干溫度為80 ℃時，同一樣品3次測試結果的總體標準偏差相對烘干溫度為85 ℃和90 ℃時小。

結合表2至表5的數據可以發現，當樣品質量為(20±0.5) g，烘干溫度80 ℃，烘干時間5 min，樣品水分含量測試結果平均值為551 mg/kg，與壓差法測試結果516 mg/kg接近，且平行樣之間的數據偏差小，平行樣測試數據穩定。

3 結 論

本工作以壓差法測試數據作為參考，研究了紅外法測試淀粉基生物降解聚酯水分含量過程中，烘干時間、烘干溫度、樣品質量對測試結果的影響。實驗發現，相對于樣品質量，烘干時間和烘干溫度對樣品水分含量結果影響較大。對于平行樣間的數據穩定性而言，烘干溫度的改變對總體標準偏差的影響小于樣品質量和烘干時間的改變。同時，結合淀粉基生物降解聚酯的特性，選擇了烘干溫度80 ℃，烘干時間5 min，樣品質量(20±0.5) g作為合適的測試條件，測試結果與壓差法測試數據接近，測試數據穩定性好。

本工作的開展對于后續人們研究紅外法測試淀粉基生物降解聚酯水分含量具有參考意義，該方法的建立與完善，將有利于快速、簡便的測試淀粉基生物降解聚酯水分含量，便于生產品質管控。