陳錦國(guó),李 然,李紅華,夏林密
(中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司瓶片生產(chǎn)中心,江蘇儀征211900)
1996年,中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司(簡(jiǎn)稱儀征化纖)30 kt/a瓶片級(jí)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)切片裝置投產(chǎn),在意大利Sinco公司Cobarr[1]分析方法的基礎(chǔ)上,參考纖維級(jí)聚酯切片GB/T 14190—1993[2],儀征化纖起草了瓶用PET樹脂GB 17931—1999[3],并于2003年進(jìn)行了修改,形成了瓶用PET樹脂的現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17931—2003[4]。隨著瓶用PET切片生產(chǎn)能力不斷擴(kuò)大、廠家增多、品種細(xì)分、新品涌現(xiàn),在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn),原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)黏度操作的描述不夠精細(xì),造成其黏度分析方法的重復(fù)性和再現(xiàn)性較差。為此,有必要對(duì)相關(guān)操作細(xì)節(jié)的描述更加具體化,提高瓶用PET切片黏度分析的準(zhǔn)確度。
儀征化纖向全國(guó)塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)申請(qǐng)了瓶用PET切片國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的修訂任務(wù)并獲批。作者根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)修訂過(guò)程中的實(shí)驗(yàn),結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn),參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn),從試樣粉碎、溶解時(shí)間和溫度、溶劑選擇、試樣調(diào)節(jié)等多方面進(jìn)行研究,提出了該標(biāo)準(zhǔn)修訂的建議,以供同行和標(biāo)準(zhǔn)修訂工作組參考。
苯酚、四氯乙烷、丙酮、氯仿:均為分析純,上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn);瓶用PET切片國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試樣:儀征化纖產(chǎn);纖維級(jí)PET切片國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試樣:儀征化纖產(chǎn)。
S6自動(dòng)黏度計(jì):德國(guó)Lauda公司制;RH磁力攪拌器:德國(guó)Ika公司制;AE240分析天平:瑞士Mettler公司制;ZM 1000粉碎機(jī):德國(guó)Retsch公司制。
取瓶用PET切片10~20 g,置于液氮中冷卻10 min,取出試樣后用粉碎機(jī)粉碎,粉碎時(shí)間小于30 s,確保試樣全部粉碎。稱取粉碎后的PET顆粒(0.125±0.001)g于100 mL錐形瓶中,加入25.00 mL苯酚/四氯乙烷(質(zhì)量比3∶2)混合溶劑,在(110±5)℃條件下溶解,溶解時(shí)間小于30 min,超過(guò)45 min則需要重新制備試樣。
試樣冷卻至室溫,轉(zhuǎn)移至毛細(xì)管直徑為0.88 mm的烏氏黏度計(jì),在(25.00±0.02)℃的恒溫水浴中測(cè)試溶液的流動(dòng)時(shí)間,計(jì)算PET切片的特性黏數(shù)([η])。
GB 17931—2003在“試樣制備”中規(guī)定:“取瓶用PET樹脂顆粒充分混合作為實(shí)驗(yàn)室試樣。將約50 g的試樣置于液氮中冷卻約10 min。取出試樣后立即用粉碎機(jī)粉碎,粉碎時(shí)間不超過(guò)30 s”。ASTM D 4603[5]對(duì)于試樣制備的描述為:如果試樣難以溶解,將試樣用粉碎機(jī)或其他工具粉碎至20目顆粒;粉碎時(shí)要防止試樣過(guò)熱,可以用干冰或液氮保護(hù)以保持低溫;粉碎15~20 g的試樣代表整個(gè)待測(cè)樣本。
瓶用PET切片的結(jié)晶度高,難以溶解,且存在皮芯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)[6],因此,采用一定顆粒度范圍的試樣測(cè)試,其結(jié)果與全試樣測(cè)試存在一定差異;并且粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)速不同,粉碎的效果不同,測(cè)試的[η]也不同;同樣的試樣,不同的人粉碎效果及[η]測(cè)試值也有明顯差異;同一個(gè)人粉碎手法的差異也會(huì)導(dǎo)致[η]測(cè)試結(jié)果差異較大[7]。因此,建議國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)試樣制備的方法表述為:取一定量的試樣全部粉碎或壓成薄片,所有顆?;虮∑靹蚝笕孔鳛闇y(cè)試試樣。
GB 17931—2003對(duì)試樣溶解條件的描述為:將裝有試樣的錐形瓶放在(110±10)℃的加熱裝置上進(jìn)行加熱并連續(xù)攪拌,使試樣完全溶解;溶解時(shí)間控制在30 min內(nèi),若超過(guò)此時(shí)間,則需要重新稱樣溶解;試樣完全溶解后冷卻至室溫。
ASTM D 4603對(duì)試樣溶解條件的描述為:將容量瓶放在不銹鋼燒杯中,置于已加熱到(110± 10)℃的磁力攪拌器上;攪拌狀態(tài)下加熱容量瓶15 min,將容量瓶取出觀察試樣是否完全溶解;如果試樣未完全溶解,再加熱30 min,期間每隔10 min觀察溶解情況,試樣仍未溶解完全,則試樣需要重新制備。
ISO 1628—5[8]對(duì)試樣溶解條件的描述為:對(duì)于高結(jié)晶試樣,例如經(jīng)過(guò)固相縮聚用于注塑的切片,其結(jié)晶度高達(dá)65%,要溶解這一類試樣,需要將試樣粉碎,然后在135~140℃下不停攪拌溶解;在135~140℃下,PET會(huì)發(fā)生降解,因此,要避免加熱時(shí)間超過(guò)30 min。
GB/T 14190—2008[9]主要針對(duì)纖維級(jí) PET切片,由于其溶解比較容易,所以對(duì)溶解時(shí)間沒(méi)有要求,對(duì)此描述為:在90~100℃下使試樣全部溶解。一般纖維級(jí)切片在此溫度下15 min可以溶解完全。
試樣溶解時(shí)間和溫度密切相關(guān),溶解溫度高則需要的時(shí)間短,反之則時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)于瓶級(jí)PET切片的溶解時(shí)間對(duì)試樣的[η]測(cè)試結(jié)果有一定的影響。由表1可以看出,溶解時(shí)間越長(zhǎng),測(cè)得的PET切片的[η]越低。
表1 溶解時(shí)間對(duì)瓶用PET切片[η]測(cè)試值的影響Tab.1 Effect of dissolution time on measured[η]value of bottle-grade PET chip
參考以上標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于溫度和時(shí)間的要求,結(jié)合文獻(xiàn)[10]和實(shí)際測(cè)試的經(jīng)驗(yàn),建議修訂后的標(biāo)準(zhǔn)將瓶用PET切片試樣溶解條件表述為:要求試樣在110℃條件下溶解一般不超過(guò)30 min,超過(guò)45 min則需要重新制備試樣。
PET試樣由于末端存在羧基,因此對(duì)水非常敏感。為此,ASTM D 4603和ISO 1628—5標(biāo)準(zhǔn)都編寫了試樣調(diào)節(jié)的內(nèi)容,解決水分對(duì)黏度測(cè)試干擾的問(wèn)題。
ASTM D 4603條款9.2對(duì)于試樣調(diào)節(jié)的描述為:如果懷疑試樣潮濕(暴露于潮濕環(huán)境下水分超過(guò)允許水平),則要將試樣置于烘箱中在(65± 5)℃條件下處理2 h,或直至重量恒定在±0.1%水平。一般瓶用PET切片吸濕的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%,此步驟可忽略。
ASTM D 4603條款9.2特別說(shuō)明:采用干冰保護(hù)粉碎的操作必須要對(duì)試樣進(jìn)行干燥處理。
ISO 1628—5條款6.3對(duì)試樣的描述為:試樣要能代表測(cè)試材料,將試樣置于120℃的真空烘箱中干燥3 h,避免因殘留水分的水解作用造成[η]下降。
GB/T 14190—2008條款5.1.1.4對(duì)試樣調(diào)節(jié)的描述為:若試樣含水量高于0.5%,則需將試樣放在真空干燥箱中,壓力低于133.5 Pa,溫度為105℃,干燥3 h,然后在干燥器中冷卻待測(cè)。或用丙酮清洗除去其表面水分,在80℃烘箱中放置15~20 min,以除去殘余丙酮。
GB 17931—2003對(duì)試樣調(diào)節(jié)沒(méi)有任何描述,而瓶用PET切片試樣制備是在液氮保護(hù)下進(jìn)行的粉碎操作,粉碎后的試樣由于低溫導(dǎo)致吸水,其表面含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)0.5%以上,因此瓶用PET切片黏度分析需要對(duì)試樣調(diào)節(jié)加以關(guān)注。
從表2可以看出,瓶用PET切片中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%時(shí),測(cè)得的[η]值基本正常,水質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.4%時(shí)[η]值明顯偏低,水質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%時(shí),[η]值嚴(yán)重偏低。因此,要關(guān)注瓶用PET切片水含量,確保切片表面水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%,否則,測(cè)試的PET切片[η]值會(huì)嚴(yán)重偏低且平行性變差。
表2 瓶用PET切片表面含水量對(duì)其[η]測(cè)試值的影響Tab.2 Effect of bottle-grade PET chip surface water content on measured[η]value
結(jié)合 ASTM D 4603,ISO 1628—5,GB/T 14190—2008標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容和對(duì)比實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù),建議標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)增加相應(yīng)的內(nèi)容,表述為:用于黏度測(cè)試的試樣粉碎后需干燥處理,方法是用丙酮清洗除去其表面水分,在100℃烘箱中放置10~15 min,以除去殘余丙酮。
根據(jù)PET的[η]測(cè)試原理,試樣溶液應(yīng)為稀溶液,其濃度規(guī)定為0.005 g/mL。ASTM D 4603和ISO 1628—5對(duì)于溶液濃度的確定采用容量瓶定量。GB 17931—2003描述為:用移液管或自動(dòng)加液裝置量取25 mL苯酚/1,1,2,2-四氯乙烷溶劑加入到錐形瓶中。GB/T 14190—2008描述為:把試樣中加入25 mL保持在(25±2)℃的溶劑,蓋上瓶塞置于加熱裝置上加熱。這2種表述均不夠精確,因?yàn)榧尤?5 mL溶劑,再稱入試樣溶解后,溶液的體積因溶劑受熱揮發(fā)等各種原因?qū)嶋H體積不一定是25mL。另外,用移液管和用自動(dòng)加液裝置加入25mL,加入的體積并不一致,因?yàn)槿軇┯幸欢ǖ酿ざ?,用移液管加?5 mL是名義上的體積,實(shí)際體積經(jīng)多次試驗(yàn)證明是24.90 mL,這一點(diǎn)在冬季尤其明顯。
建議在新標(biāo)準(zhǔn)中參考ASTM D 4603和ISO 1628—5標(biāo)準(zhǔn),增加溶液濃度標(biāo)定的內(nèi)容。內(nèi)容表述為:采用加液器加入溶劑可以不需標(biāo)定濃度,如采用移液管加入溶劑,則需采用適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)試樣溶液濃度進(jìn)行標(biāo)定,確保試樣溶液的濃度為0.005 g/mL。
PET的[η]測(cè)試采用的溶劑有多種選擇,ASTM D 4603和GB 17931—2003均采用苯酚/四氯乙烷(質(zhì)量比3∶2)1種溶劑,GB/T 14190—2008采用苯酚/四氯乙烷(質(zhì)量比3∶2)、苯酚/四氯乙烷(質(zhì)量比1∶1)和苯酚/1,2-二氯苯(質(zhì)量比3∶2)3種溶劑,ISO 1628—5采用苯酚/1,2-二氯苯(質(zhì)量比1∶1)、鄰氯苯酚等7種溶劑,并且在附錄中給出不同溶劑測(cè)試的[η]換算關(guān)系公式。目前國(guó)內(nèi)纖維級(jí)PET切片基本采用苯酚/四氯乙烷(質(zhì)量比1∶1)體系,瓶用PET切片國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)僅采用苯酚/四氯乙烷(質(zhì)量比3∶2)體系。苯酚/四氯乙烷質(zhì)量比1∶1溶劑體系與質(zhì)量比3∶2溶劑體系相比,其優(yōu)點(diǎn)是前者冬天不結(jié)晶,后者要采用一定手段防止溶劑結(jié)晶。
建議標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)將苯酚/四氯乙烷(質(zhì)量比1∶1)納入溶劑體系,并與ISO 1628—5標(biāo)準(zhǔn)一樣給出2種溶劑體系的換算公式。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn),苯酚/四氯乙烷質(zhì)量比1∶1溶劑體系的[η]值比質(zhì)量比3∶2體系的[η]值約高0.030 dL/g。
由于毛細(xì)管的尺寸對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響,瓶用PET切片國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)黏度計(jì)的表述為:使用ISO 1628—1中的1B型毛細(xì)管黏度計(jì)(φ為 0.88 mm),并且注明ISO 1628—1中的1B型毛細(xì)管黏度計(jì)(φ為0.88 mm)可以使溶劑的流出時(shí)間在80~200 s。GB/T 14190—2008規(guī)定使用毛細(xì)管直徑為0.88 mm的黏度管,并給出了黏度計(jì)的詳細(xì)示圖。結(jié)合文獻(xiàn)、國(guó)內(nèi)黏度計(jì)制作的具體情況和實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn),建議瓶用PET切片國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)對(duì)黏度計(jì)的要求表述為:毛細(xì)管內(nèi)徑0.8~0.9 mm,空白流動(dòng)時(shí)間在100~120 s。
由于瓶用PET切片的黏度高、結(jié)晶度高,因此溶解比較困難,同時(shí),溶解裝置的溫度波動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果也有明顯的影響。瓶用PET切片國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求在(110±10)℃的加熱裝置上進(jìn)行加熱并連續(xù)攪拌;ASTM D 4603要求在(110±10)℃的磁力攪拌器上溶解;ISO 1628—5要求在135~140℃下不停攪拌溶解。根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn),瓶用PET切片試樣溶解溫度波動(dòng)范圍控制在±5℃比較合理。此外,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中多采用磁力攪拌器加熱,但傳統(tǒng)的磁力攪拌器加熱溶解試樣往往受到加熱臺(tái)表面溫度的穩(wěn)定性及試樣瓶底部的厚度、底部拱起形狀的影響,所以測(cè)試?yán)w維級(jí)PET切片許多廠家采用水浴的溶解方式,可以將試樣溶解誤差大大降低。對(duì)于瓶級(jí)PET切片,水浴溫度不能將試樣完全溶解,需要采用油浴才能溶解。通過(guò)實(shí)驗(yàn),采用甘油作為介質(zhì),以110℃作為溶解溫度,測(cè)試結(jié)果明顯好于傳統(tǒng)方式。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),在110℃油浴條件下,試樣需要溶解20~30 min[10]。因此,建議瓶用PET切片標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)對(duì)溶解方式表述為:推薦油浴,也可以采用等效的裝置,溶液溫度控制為(110±5)℃。
目前國(guó)內(nèi)黏度測(cè)試采用兩種黏度計(jì),一是傳統(tǒng)的烏氏黏度計(jì)法,通過(guò)測(cè)試PET試樣流動(dòng)時(shí)間與純?nèi)軇┝鲃?dòng)時(shí)間之比計(jì)算試樣的[η];二是相對(duì)黏度儀法,通過(guò)測(cè)試PET試樣溶液的壓力與純?nèi)軇┑膲毫χ扔?jì)算試樣[η]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在一般采用相對(duì)壓力黏度計(jì)測(cè)試黏度,并且 GB/T 14190—2008將其作為方法B(相對(duì)黏度儀法)納入標(biāo)準(zhǔn),ASTM D 5225—09[11]亦是采用該儀器的方法標(biāo)準(zhǔn)。2種儀器測(cè)試的原理都源自泊蕭葉公式。因此,建議將相對(duì)黏度儀法納入瓶用PET切片黏度分析方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),以適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步的步伐和市場(chǎng)實(shí)際需求,同時(shí)也與纖維級(jí) GB/T 14190—2008相一致。
GB 17931—2003對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍描述為:本標(biāo)準(zhǔn)適用于以精對(duì)苯二甲酸、乙二醇為主要原料,采用直接酯化連續(xù)縮聚或間歇縮聚生產(chǎn)的均聚PET樹脂和以精對(duì)苯二甲酸、乙二醇及間苯二甲酸為主要原料,采用直接酯化連續(xù)縮聚或間歇縮聚生產(chǎn)的共聚PET樹脂??紤]到PET熔體、基礎(chǔ)切片及下游用戶瓶坯、瓶子和回收瓶用PET切片都要測(cè)試黏度,因此,建議標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)對(duì)適用范圍表述為:本標(biāo)準(zhǔn)適用于均聚和共聚PET切片和制品,其他熱塑性聚酯可以參考適用。
我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)基本沒(méi)有精密度和偏差的表述內(nèi)容,各個(gè)實(shí)驗(yàn)室在采用分析方法標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試試樣時(shí),一般都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自行編寫精密度和偏差的規(guī)定。但由于各個(gè)實(shí)驗(yàn)室水平參差不齊,測(cè)試要求差異較大,結(jié)果各實(shí)驗(yàn)室采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)但測(cè)試結(jié)果不確定度差異較大,所以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在這方面存在欠缺。ASTM D 4603和ISO 1628—5標(biāo)準(zhǔn)在方法中給出了精密度和偏差的數(shù)據(jù)或測(cè)試報(bào)告,GB/T 14190—1993在2008年修訂時(shí)參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的做法,結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況,給出了重復(fù)性和再現(xiàn)性的具體數(shù)據(jù)要求,這兩種做法都是比較先進(jìn)的。因此,瓶用PET切片國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在修訂時(shí)需要增加這部分的內(nèi)容??紤]到瓶用PET切片標(biāo)準(zhǔn)試樣在研制時(shí)有大量的測(cè)試數(shù)據(jù),因此具備ASTM D 4603和ISO 1628—5標(biāo)準(zhǔn)的條件對(duì)各項(xiàng)目給出精密度和偏差的數(shù)據(jù)甚至測(cè)試報(bào)告,相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)備案。
參考GB/T 14190—2008的重復(fù)性和再現(xiàn)性的要求,結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況,建議對(duì)于重復(fù)性和再現(xiàn)性的表述為:在重復(fù)性條件下獲得的2次獨(dú)立測(cè)試的[η]在0.76~0.90 dL/g時(shí),2個(gè)測(cè)試結(jié)果的絕對(duì)差值不超過(guò)重復(fù)性限0.010 dL/g,超過(guò)重復(fù)性限0.010 dL/g的情況不超過(guò)5%;在再現(xiàn)性條件下獲得的2次獨(dú)立測(cè)試的[η]在0.76~0.90 dL/g時(shí),2個(gè)測(cè)試結(jié)果的絕對(duì)差值不大于再現(xiàn)性限0.012 dL/g,超過(guò)再現(xiàn)性限0.012 dL/g的情況不超過(guò)5%。
a.瓶用PET切片黏度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)適用范圍表述為適用于均聚和共聚PET切片及制品,其他熱塑性聚酯可以參考適用。
b.試樣粉碎采用全粉碎或壓片方式。要求試樣在110℃條件下溶解一般不超過(guò)30 min,超過(guò)45 min則需要重新制備試樣。
c.溶解推薦油浴,也可以采用等效的裝置,溶液溫度控制為(110±5)℃。
d.增加試樣調(diào)節(jié)、毛細(xì)管黏度計(jì)尺寸、控制溶液濃度及精密度和偏差的要求;溶劑采用苯酚/四氯乙烷質(zhì)量比1∶1和3∶2兩種體系;將相對(duì)黏度儀法納入標(biāo)準(zhǔn)。
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