聚碳酸酯（PC）熔融指數(shù)測量系統(tǒng)的MSA分析

張瓊 張根山

滄州大化股份有限公司技術(shù)中心 河北 滄州 061000

引言

聚碳酸酯（英語：Polycarbonate，PC，以下簡稱PC）是一種透明材料，有很好的力學性能、阻燃性能和耐高溫性。作為五大工程塑料之一，PC被應用于建筑業(yè)板材、汽車零部件、醫(yī)療器械、航空航天、電子電器、光學透鏡等許多領(lǐng)域，市場前景廣闊。PC性能主要包括熱性能、流變性能、電性能、力學性能及其他物理性能，如密度、黏數(shù)、吸水率等。其性能指標的測量，對PC生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量控制尤其重要。測量系統(tǒng)分析是指通過統(tǒng)計分析的手段，對構(gòu)成測量系統(tǒng)的各個影響因子進行統(tǒng)計變差分析和研究，以得到測量系統(tǒng)是否準確可靠的結(jié)論。測量設備運行狀況、人員操作、檢驗方法、環(huán)境等這些要素都對測量系統(tǒng)本身的精度與可靠性具有重大影響，隨著時間推移，測量系統(tǒng)精度也會退化。

熔融指數(shù)是指在一定溫度和壓力下，熔體在十分鐘內(nèi)通過標準毛細管的重量值，以（g/10min）來表示。熔融指數(shù)是聚合物加工中表征材料可加工性的一個重要指標，在工業(yè)上常采用它來表示熔體黏度的相對值：流動性大，熔融指數(shù)大；流動性差，熔融指數(shù)小。熔融指數(shù)是一項反映熔體流動特性及分子量大小的指標[1]。工業(yè)上常用該值以區(qū)分不同牌號的PC產(chǎn)品，亦用該值來估價丙烯酸類、ABS、聚苯乙烯、聚酰胺等樹脂。一般來說，熔融指數(shù)越低，產(chǎn)品的分子量越高。

鑒于聚碳酸酯是熱塑性樹脂，是在熔融狀態(tài)下加工成制品的，所以熔融指數(shù)是影響其加工性能的重要指標，是選擇塑料加工材料和牌號的一個重要參考依據(jù)，也是PC產(chǎn)品質(zhì)量最主要指標之一。選擇合適的熔融指數(shù)的樹脂，能使選用的原材料更好地適應加工工藝的要求，使成品在成型的可靠性和質(zhì)量方面有所提高，因此熔融指數(shù)檢測準確性的提高，一方面能給產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)提供數(shù)據(jù)參考，另一方面對下游客戶的生產(chǎn)加工有著重要的指導意義。

在測定熔融指數(shù)過程中，測試條件對測定結(jié)果的影響很大。根據(jù)現(xiàn)有的熔體流動速率測定標準如GB/T3682和ISO1133、ASTM D1238等，參照熔融指數(shù)儀的工作原理，測試的基本要素為溫度、砝碼重量、切割時間、口模出料口直徑、環(huán)境、人員操作等。因此，使用MSA的分析方法定期對熔融指數(shù)測量系統(tǒng)進行分析，保證測量系統(tǒng)準確和穩(wěn)定，對PC產(chǎn)品的生產(chǎn)及加工都非常重要。

1 MSA實施方案設計

用系列標準樣品（PC -W18、 PC-W09、 PC -W05）測定聚碳酸酯（PC）材料熔體流動速率。由三名熟練的操作人員進行測量，采用Zwick/Roell熔融指數(shù)測量儀測量聚碳酸酯熔體體積流動速率（ MVR）。

1.1 樣品

本次標準樣品 MVR試驗樣品為聚碳酸酯（PC）顆粒，分別用真空熱封袋包裝，每組10袋（凈含量5 g /袋），共3種30袋，其中： ①第一種（組），待定值標準樣品 PC -W18，綠色袋，10袋（凈含量5 g /袋）；②第二種（組），待定值標準樣品 PC -H09，黃色袋，10袋（凈含量5g/袋）； ③第三種（組），待定值標準樣品 PC -W05，綠色袋，10袋（凈含量5g/袋）。

每組樣品10袋，其中6袋分別用于6次平行定值試驗（每次試驗用一袋），另外4袋用于預試驗、料筒清理或備用。袋上編號為待定值標準樣品的計數(shù)編號，試驗時隨機使用。

1.2 測量

1.2.1 檢查實驗室符合 GB / T 2918—2019《塑料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗的標準環(huán)境》的要求。室溫應控制在23℃±2℃，相對濕度應控制在50%±10%。

1.2.2 試驗按ISO 1133-1:2011《塑料熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動速率（MFR）和熔體體積流動速率（MVR）的測定第2部分：對時間-溫度歷程和（或）濕度敏感性材料的試驗方法》規(guī)定進行，試驗溫度300℃/負荷1.2kg。

1.2.3 標準樣品試驗操作步驟。

1.2.3.1 標準試驗前按照ISO 1133-1:2011的規(guī)定對待定值PC 標準樣品進行預處理，方法如下：

將一組10個真空包裝袋的待定值樣品，隨機取出6袋（進行編號1～6）分別放于六個玻璃皿中，再放入烘箱或真空干燥箱中進行干燥，料層厚度約5～7mm（每袋樣品約5g）。烘箱的烘干溫度為（120±3）℃，烘干時間5h；如使用真空干燥箱，烘干溫度為（120±3）℃，真空度0.02MPa，干燥時間4h。將干燥好的樣品取出，立即置于干燥器內(nèi)，冷卻1h左右至室溫后用于定值試驗[2]。①樣品的預處理過程中，應盡量阻止和減少樣品對水分的吸收。實驗人員須帶干凈的稱量手套操作，以防止試樣通過與皮膚的接觸吸潮，且應盡量避免試樣暴露在空氣中，防止其從大氣中吸潮。②烘干后的樣品，如放置在裝有干燥劑的干燥器內(nèi)，可用于當日4～6h（推薦的）最長24h內(nèi)完成定值試驗，但每組的6次試驗應由3名分析人員連續(xù)完成（即不可分為兩天分別進行試驗）：如放置在未加干燥劑的普通防潮密閉容器內(nèi)的，則需4h內(nèi)完成要求的6次試驗。

1.2.3.2 儀器調(diào)至水平。開機，按要求進行試驗條件的設定。

1.2.3.3 儀器升溫至試驗溫度300℃，將活塞、料簡及口模清理干凈，口模放入料筒底部，料筒和活塞恒溫至少15min 。注意根據(jù)儀器計量檢定或校準證書，設定儀器溫度時可能需要進行溫度修正。連續(xù)測試時，每次加樣前，都應將口模取出并清理干凈。

1.2.3.4 隨機取烘干后的標準樣品 PC-W18約5g，在20s內(nèi)加入料筒，用裝料桿壓實后，立即將活塞插入料筒內(nèi)，不加負荷，不加口模塞，開始計時，進行預熱和 MVR 測定。

1.2.3.5 預熱5min 時，將試驗負荷1.2kg對應的砝碼加到活塞上或進行其他加載操作，讓活塞在重力作用下下降。

1.2.3.6 當活塞桿的下參照標線到達料筒上邊緣時，開始自動測量?；钊课灰?mm計為一段，記錄活塞每下降一段（即位移5mm ）所需的時間，連續(xù)記錄6段的時間（即6個5mm的時間），精確至儀器能夠達到的計時精度，至少為0.1s[3]。

1.2.3.7 記錄活塞下降位移第一個5mm至第六個5mm的各段位移經(jīng)歷的時間，精確至儀器能夠達到的計時精度，至少為0.1s：記錄或計算上述各段位移的MVR值，務必保留4位有效數(shù)字。試驗結(jié)果及情況填入試驗結(jié)果報告單（MVR試驗記錄表，見附表1）。

1.2.3.8 重復步驟1.2.3.4-1.2.3.7，由3名熟練操作的人員分別對3種PC標準樣品（PC-W18、PC-W09、PC-W05）每種進行6次平行（每人進行兩組）試驗，試驗應連續(xù)完成（即不可分為兩天分別進行試驗）。

1.2.3.9 所有試驗結(jié)果及情況填入試驗結(jié)果報告單（MVR試驗記錄表）。

1.3 測量要求

由3名熟練的操作工進行數(shù)據(jù)測量。通過Minitab進行測量順序的設計，對測量結(jié)果進行收集匯總，對試驗過程中環(huán)境、樣品等出現(xiàn)的異常情況下的數(shù)據(jù)進行剔除或修正，然后用Minitab質(zhì)量工具進行統(tǒng)計分析，并對結(jié)果可接受性進行判定。

2 熔融指數(shù)測量結(jié)果

2.1 PC材料熔體流動速率（MVR）的試驗結(jié)果見表1。

表1 測量標準樣品的MVR 試驗結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)判別與刪減

第6段數(shù)據(jù)偏差較大，尋找其特別的原因。發(fā)現(xiàn)因為每袋標準樣品為5g，在取第6段數(shù)據(jù)時樣品量不足使測量條件不穩(wěn)定，所以在統(tǒng)計分析中刪減全部的第6段數(shù)據(jù)。對第1段～第5段測量結(jié)果取平均值作為每次的最終測量數(shù)值。見表2。

表2 標準樣品（PC-W18、PC-W09、PC-W05）測量數(shù)據(jù)匯總表

2.3 質(zhì)量分析

試驗數(shù)據(jù)利用 Minitab軟件的質(zhì)量工具進行分析， 采用量具 R＆R 研究（交叉）和量具線性和偏倚研究獲得標準偏差、過程變異、線性及偏倚結(jié)果。從而判定熔融指數(shù)測量過程是否可以接受。

圖1 PC熔融指數(shù)測量方差分析

2.3.1 量具R&R-方差分析法。熔融指數(shù)儀的標準偏差為0.20，過程變異2.64%＜10%，說明儀器精密度可以接受。

圖2 熔融指數(shù)儀的線性和偏倚

2.3.2 量具線性和偏倚。因為0線落在上述偏倚的95%置信區(qū)間之外，所以偏倚等于0的假設在α=5%的水平上不可以接受。偏倚值均為負值，說明儀器存在系統(tǒng)的負偏差，應予以調(diào)校[4]。

線性百分率（斜率×100 的絕對值）是 2.2，表示測量設備線性占整個過程變異的 2.2%。

參考值的偏倚百分率是12.9，表示測量設備偏倚占整個過程變異的比率小于12.9%。

3 結(jié)束語

用MSA系統(tǒng)設計分別對3組基準物質(zhì)的聚碳酸酯（PC）材料（PC -W18、 PC-W09、 PC -W05）進行試驗，從結(jié)果可以看出：儀器的過程變異2.64%＜10%，其中量具偏倚占整個過程變異的比率小于 12.9%。說明采用Zwick/Roell儀器測量精度可以接受。