PET切片微量水份測試溫度的確定*

李雪梅，薛孝川，鄭建華，黃潔希，林 海

（廣東省化學(xué)纖維研究所，廣東 廣州510245）

分析測試

PET切片微量水份測試溫度的確定*

李雪梅，薛孝川，鄭建華，黃潔希，林 海

（廣東省化學(xué)纖維研究所，廣東 廣州510245）

采用壓差法測定PET切片干燥后殘存的微量水分，對實(shí)驗(yàn)原理公式進(jìn)行了推導(dǎo)，對k值進(jìn)行了標(biāo)定，通過對不同測試溫度下切片含水率和特性黏度的測定來確定最佳測試溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，190～210℃為對應(yīng)切片微量含水實(shí)驗(yàn)的測試溫度范圍，其中210℃為最佳溫度，水份測試達(dá)到平衡所用時(shí)間較短為30 min，且切片的特性黏度仍處于可接受范圍。

聚酯切片；水份測試；壓差法；測試溫度

切片含水對紡絲過程和成品絲的質(zhì)量都有嚴(yán)重的影響[1]，含水量超標(biāo)可造成紡絲中聚酯大分子水解，可紡性下降，形成氣泡絲，造成毛絲和斷頭，不利于穩(wěn)態(tài)紡絲，而且紡絲過程含水量的差異還易導(dǎo)致成品絲在后續(xù)產(chǎn)品中染色不均[2]，因而切片含水率的大小一直是紡絲工藝的一個(gè)重要指標(biāo)。GB/T14190-2008《纖維級聚酯切片 (PET)試驗(yàn)方法》中提到的水份的試驗(yàn)方法有重量法和鹵素水分儀法，且兩種測試方法的試驗(yàn)溫度均為120℃[3]，這對于在實(shí)際生產(chǎn)中聚酯切片干燥溫度達(dá)到150～170℃的情況下，切片經(jīng)過干燥，只有微量水分存在（1.5×10-4以下），此時(shí)想要測量干燥后切片的含水率大小，國標(biāo)中的方法并不適用。對此，本文采用壓差法測量 PET切片中微量含水[4-5]，并對實(shí)驗(yàn)溫度的選定進(jìn)行了詳細(xì)探討，為實(shí)際生產(chǎn)中干燥后切片含水率的測定提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與原料

PET切片，RAMA PET-SD2010，半消光，Guangdong IVL PET Polymer Co.Ltd.；高真空硅酯，長城7501，江陰家寶石化；二水鉬酸鈉（Na2MoO4·2H2O），分析純，上?；瘜W(xué)試劑廠；苯酚，分析純，上?；瘜W(xué)試劑廠；1，1，2，2-四氯乙烷，分析純，上?；瘜W(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中涉及的主要儀器設(shè)備如表1所示。

表1 主要儀器設(shè)備

將一定含水量的切片放入密封真空環(huán)境中，通過加熱到一定溫度使切片中的水分完全脫除，脫除的水分在密封真空系統(tǒng)中以水蒸氣的形式存在，使密封真空系統(tǒng)的壓力升高、體積變大，這時(shí)可以通過壓力體積的變化來衡量脫除水份的多少。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT可以推導(dǎo)得出：

當(dāng)體積的變化轉(zhuǎn)化為液柱高度的變化時(shí)：△V·=S橫截面·△h

公式 （1）推導(dǎo)得出：

式中，T—實(shí)驗(yàn)溫度，K；R—比例常數(shù)，J/（mol·K）；M—水的摩爾質(zhì)量，g/mol；P1—平衡狀態(tài)的壓力，Pa；V1—平衡狀態(tài)的體積，mm3；m1—平衡狀態(tài)下的水蒸氣質(zhì)量，g；m—切片的質(zhì)量，g；w—切片的含水率；△h—液柱平衡前后高度的變化，mm；P0、V0、m0—初始狀態(tài)的壓力、體積、水蒸氣質(zhì)量，密封真空系統(tǒng)中P0、m0取0。

因此，根據(jù)式 （3），當(dāng)k和m已知時(shí)，可以根據(jù)△h的值算出切片的含水率w。

1.4 微量水分測定儀k值的標(biāo)定

專項(xiàng)體能訓(xùn)練中的基礎(chǔ)訓(xùn)練對網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員來說至關(guān)重要，只有具備扎實(shí)的基礎(chǔ)，才能確保專項(xiàng)體能訓(xùn)練的順利開展。一般情況下，基礎(chǔ)訓(xùn)練不需要消耗過多的身體能量，最關(guān)鍵的作用是對網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員身體的整體狀態(tài)進(jìn)行良好的調(diào)整與優(yōu)化，保證能夠更好地適應(yīng)后續(xù)強(qiáng)度較大的專項(xiàng)體能訓(xùn)練，有效幫助運(yùn)動(dòng)員緩解身體方面所帶來的壓力。因此，想要達(dá)到滿意的專項(xiàng)體能訓(xùn)練效果，就必須要高度重視基礎(chǔ)項(xiàng)目的訓(xùn)練，在各個(gè)訓(xùn)練階段，按照網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員自身實(shí)際情況，來實(shí)施相應(yīng)的基礎(chǔ)訓(xùn)練，將關(guān)節(jié)的柔韌性盡可能展開，防止運(yùn)動(dòng)員在后續(xù)訓(xùn)練中關(guān)節(jié)出現(xiàn)損傷。

圖1為壓差法微量水分測定儀示意圖，如圖1所示儀器的k值標(biāo)定[6]步驟如下：接通儀器電源，升溫至210℃恒定；稱取4 mg二水鉬酸鈉 （Na2MoO4·2H2O）于試管中，將試管安裝于儀器右側(cè)測量接口D處 （如圖1所示），用真空高溫硅酯涂抹接口處，旋緊試管，確保密封良好；打開閥門A、B，關(guān)閉閥門C，打開真空泵，將密閉系統(tǒng)抽真空至麥?zhǔn)险婵毡韷毫ψx數(shù)小于40 Pa，然后關(guān)閉閥門B，關(guān)閉真空泵；記錄硅油U型管左邊刻度的讀數(shù)h0；關(guān)閉閥門A，慢慢升高加熱箱至沒入試管三分之二；每10 min記錄一次硅油U型管左邊刻度h1（h1-h0=△h），直至刻度穩(wěn)定，△h最大；慢慢降低加熱箱，打開閥門A，讓U型管兩邊液柱齊平后再打開閥門B，最后緩緩打開閥門C，慢慢往系統(tǒng)中放入空氣；取下試驗(yàn)完成后的試管，倒出樣品。

圖1 壓差法微量水分測定儀示意圖

用同樣的方法測量8 mg、12 mg、16 mg、20 mg二水鉬酸鈉 （Na2MoO4·2H2O）樣品的△h最大值，二水鉬酸鈉 （Na2MoO4·2H2O）的含水率將以上值代入式（3）中，可以得到 （m·w）相對于△h的直線，直線的斜率即為k值。

1.5 切片中含水率的測定

室溫下分別取6份2 g PET濕切片于試管內(nèi)，置于150℃烘箱烘2 h；取烘好的裝有PET切片的試管，快速接到涂有高溫硅酯的D端口處，旋緊試管，確保密封良好；然后用與1.4同樣的測試步驟，分別測定實(shí)驗(yàn)溫度為180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃時(shí)，U型管液柱每隔10 min的△h值，直至平衡；用1.4中標(biāo)定所得到的k值，將△h代入式 （3），計(jì)算得到不同實(shí)驗(yàn)溫度下測得的PET切片含水率w。

1.6 特性黏度的測定

分別取以上不同實(shí)驗(yàn)溫度下，含水實(shí)驗(yàn)完成后的PET切片，按照GB/T14190-2008 《纖維級聚酯切片 (PET)試驗(yàn)方法》中提到的特性黏度 （毛細(xì)管黏度計(jì)）試驗(yàn)方法[3]，測定含水實(shí)驗(yàn)完成后的PET切片的特性黏度η；為了做對比，取于150℃烘2 h之后的PET切片 （未進(jìn)行含水實(shí)驗(yàn)的切片），用同樣的方法測特性黏度[η0]。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)定k值的結(jié)果

表2為依據(jù)1.4的實(shí)驗(yàn)方法，不同質(zhì)量二水鉬酸鈉所測得的△h值，由二水鉬酸鈉的含水率w=0.14881得到 （m·w），然后依據(jù)公式（3）， （m·w）對△h進(jìn)行直線擬合，所得結(jié)果如圖2所示。

表2 不同質(zhì)量二水鉬酸鈉所測得的△h值

圖2 k值的標(biāo)定擬合直線

式中，w—切片的含水率；△h—液柱平衡前后高度的變化，mm；m—切片的質(zhì)量，g。

2.2 切片中含水率的分析

依據(jù)1.5的實(shí)驗(yàn)方法和公式 （4），得到PET切片在不同實(shí)驗(yàn)溫度下，所測得的含水率隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖3所示。

圖2中擬合直線的斜率3.564×10-5即為k值，代入公式 （3）可得切片含水率的計(jì)算公式：

圖3 不同實(shí)驗(yàn)溫度下PET切片含水率隨時(shí)間的變化平衡曲線

由圖3平衡曲線可以看出，隨著時(shí)間的增加，PET切片中脫除的水份逐漸增加，直到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，之后出現(xiàn)兩種情況：（1）180℃、190℃、200℃、210℃實(shí)驗(yàn)溫度下的曲線逐漸趨于平衡，表明PET切片水份的脫除達(dá)到某個(gè)平衡值，180℃為6.0×10-5，190℃、200℃、210℃為1.05×10-4，而180℃溫度不夠高，并不能使切片中的所有水分完全烘脫出來，這是因?yàn)镻ET切片脫水先是表面和縫隙中較易脫除的自由水，然后才是切片中較難脫除的平衡水；（2）220℃、230℃實(shí)驗(yàn)溫度下，平衡曲線拐點(diǎn)過后曲線出現(xiàn)緩慢升高，意味著PET切片中還在緩慢脫除氣體出來，此時(shí)脫除的為高溫引起PET切片發(fā)生聚合后釋放的小分子氣體。

因此，初步判斷190～210℃為該實(shí)驗(yàn)中所用型號PET切片微量含水實(shí)驗(yàn)可接受實(shí)驗(yàn)溫度范圍，且210℃為最佳測試溫度。如圖4所示，實(shí)驗(yàn)溫度越高達(dá)到平衡所需的時(shí)間越短，有利于提高實(shí)驗(yàn)效率，190℃時(shí)60 min平衡曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)達(dá)到平衡含水率1.05×10-4，200℃時(shí)40 min平衡曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)達(dá)到平衡含水率0.97×10-4，210℃時(shí)30 min平衡曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)達(dá)到平衡含水率0.98×10-4，含水率 ±1.0 ×10-5屬于可以接受的誤差范圍。

圖4 190℃、200℃、210℃條件下PET切片含水率隨時(shí)間的變化平衡曲線

2.3 切片的黏度變化

為進(jìn)一步驗(yàn)證PET切片在上述實(shí)驗(yàn)中不同溫度下水份的脫除，按照1.6所述實(shí)驗(yàn)方法測定其特性黏度，所得結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，未進(jìn)行含水實(shí)驗(yàn)的PET切片的特性黏度η0=0.66 dL/g，含水實(shí)驗(yàn)中PET切片在真空下加熱脫除水份后，其特性黏度都有不同程度的增加，且含水實(shí)驗(yàn)溫度越高，特性黏度增加值越大，這是因?yàn)闇囟仍礁呙摮乃菰蕉?，?dāng)溫度升高到210℃時(shí)特性黏度增加到0.68 dL/g，比η0=0.66 dL/g增加了0.02 dL/g，達(dá)到特性黏度波動(dòng)可以接受的上線；當(dāng)溫度升高到220℃、230℃時(shí)特性黏度增加到0.7 dL/g和0.72 dL/g，此時(shí)特性黏度的增加不僅因?yàn)樗值拿摮€因?yàn)楦邷匾鸬腜ET分子的聚合。

圖5 不同溫度含水率實(shí)驗(yàn)后PET切片的特性黏度

因此，再次驗(yàn)證210℃為該實(shí)驗(yàn)中所用型號PET切片微量含水實(shí)驗(yàn)可接受的最高實(shí)驗(yàn)溫度。

3 結(jié)論

190～210℃為實(shí)驗(yàn)中所用型號PET切片微量含水實(shí)驗(yàn)可接受實(shí)驗(yàn)溫度范圍。溫度太小不利于切片中所有水分的脫除，造成測試結(jié)果偏??；而溫度太高，切片在脫除水分的同時(shí)會(huì)因?yàn)楦邷匕l(fā)生聚合釋放出小分子氣體，造成測試實(shí)驗(yàn)難達(dá)到平衡且測試結(jié)果偏大。

210℃為實(shí)驗(yàn)中所用型號PET切片微量含水實(shí)驗(yàn)的最佳溫度，此時(shí)達(dá)到平衡含水量所用時(shí)間較短為30 min，且切片的特性黏度仍處于黏度波動(dòng)可以接受的范圍。

[1] 時(shí)文.超高速紡生產(chǎn)滌綸低縮絲的工藝探討 [J].合成技術(shù)及應(yīng)用， 2013，28（1）:37-41.

[2] 李允成，徐心華.滌綸長絲生產(chǎn)[M].第二版.北京:中國紡織出版社，1994:27-29.

[3] 中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì).纖維級聚酯切片 (PET)試驗(yàn)方法:GB/T14190-2008[S].北京:中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2008:2-15.

[4] 孫晶，馬靜媛，魏佳.壓差法測定聚酯切片含水率的影響因素 [J].聚酯工業(yè)， 2000（2）:48-49.

[5] 姚漢樑.壓差法水分測定 [J].合成纖維，2005，34（1）:15-17.

[6] 王吉,梁軍,張杰.壓差法測定微量水份K值的實(shí)驗(yàn)體會(huì) [J].合成纖維,1997（6）:53-54.

CONFIRM OF THE TESTING TEMPERATURE FOR MICRO MOISTURE CONTENT IN PET CHIP

LI Xue-mei，XUE Xiao-chuan，ZHEN Jian-hua，HUANG Jie-xi，LIN Hai
(Guangdong Province Chemical Fiber Research Institute，Guangzhou Guangdong 510245，China)

Tested the micro moisture of after-drying PET chip by pressure-difference method，deduced the experiment formula，calibrated the k value，confirmed the best testing temperature by moisture-content experiment and intrinsic viscosity experiment.Results show that，190～210℃is the appropriate testing temperature range，among which，210℃ is the best for shorten testing time to 30 min while intrinsic viscosity still keep tolerable.

polyester chip，moisture testing，pressure-difference method，testing temperature.

TQ340.7

B

10.3969／j.issn.1672-500x.2016.04.007

1672-500X(2016)04-0032-05

2016-11-09

李雪梅 （1987-），女，四川簡陽人，碩士，從事功能性化纖材料的研究工作。

廣東省屬科研機(jī)構(gòu)改革創(chuàng)新領(lǐng)域項(xiàng)目 （2014B070705011）