微波加热技术在分散剂固含量分析中的应用

郑 浩，仲 超，张红艳，金 鑫

（山东鲁泰化学有限公司，山东 济宁272000）

山东鲁泰化学有限公司（以下简称“鲁泰化学”），前身为济宁金威煤电有限公司，成立于2003 年2 月28 日，位于济宁市重点规划的六大化工园区之一的山东省鱼台县张黄工业园区。 鲁泰化学的主导产品为烧碱和聚氯乙烯树脂， 生产工艺为国内主流工艺离子膜电解法制碱工艺和湿式电石法生产工艺，设计生产能力分别为36 万t/a 烧碱和37 万t/a 聚氯乙烯树脂。 聚氯乙烯树脂属于物理机械性能，电性能，耐化学腐蚀性能较好的工程塑料之一， 根据不同规格聚氯乙烯高聚物，采用不同塑化配方和加工方法，可制成硬质和软质制品， 广泛用于日常生活和工业领域。

1 悬浮法PVC 生产工艺

VCM 聚合方法有溶液聚合法、 本体聚合法、乳液聚合法和悬浮聚合法，每种聚合方法，由于其本身技术改进和客观需要的变动，应用范围常有不同。悬浮聚合方法以其生产工艺简易、便于控制、便于大规模生产、产品的适应性比较强等特点，已经成为聚氯乙烯生产的主要生产工艺， 该公司工艺正是采用悬浮聚合生产PVC 树脂。氯乙烯的悬浮聚合是以偶氮化合物（ 如AIBN、ABVN）或过氧化合物（如EHP、DCPD、BPPD）等为引发剂，聚乙烯醇为分散剂，水作为分散和传热介质，并伴有搅拌进行反应。

其反应式为：

nCH2=CHCl—（CH2-CHCl）n+96.3～108.9 kJ/mol

悬浮法聚氯乙烯树脂的颗粒特性包括平均粒径、粒径分布、颗粒形态、颗粒内部结构等方面，是PVC 树脂的重要指标之一，直接影响到后续加工中增塑剂、稳定剂的吸收速度，进而影响产品的成型速度和性能。 悬浮生产工艺中，在搅拌固定的条件下，助剂分散剂的种类、 性质和用量直接影响着悬浮聚合物粒度、粒径分布、颗粒形态等颗粒特性，成为控制颗粒特性的主要因素。随着悬浮聚合技术的发展，综合考虑到保护与隔离、 降低界面张力与提高分散效果的双重作用， 现在大都采用两种及两种以上分散剂共同添加的复合分散体系。

2 分散剂作用及种类

分散剂是能起到降低界面张力和保护能力的双重功能的助剂， 可以稳定在聚合釜中由搅拌形成的单体微珠，并且能阻止油珠相互聚焦或合并。只是单一分散剂往往难以同时很好的满足这两方面的要求， 但是由两种及以上分散剂复合使用（其一以降低界面张力为主，另一则是以高分子量组成，以提高保护能力），就可以达到降低界面张力和保护能力的双重效果。

鲁泰化学PVC 聚合装置生产能力为37 万t/a，110 m3聚合釜6 台，108 m3聚合釜4 台，70 m3聚合釜4 台， 每一种型号的分散剂在使用时都需要2 个分散剂储槽用来配置和储存， 所以每天都需要高频次的对各种分散剂进行取样分析， 提供准确的分析数据作为用量参考，以满足生产需要。

目前国内常用的分散剂主要有以下种类。

（1）聚乙烯醇KA（PVA-7507P），白色粉末，比重1.20～1.30，粘度（36.0±2.0）cps。

（2）聚乙烯醇KB（PVA-7524），浅黄色晶状粉末，比重1.19～1.31，粘度50.0～60.0 cps。

（3）聚乙烯醇（4535）， 浅黄色晶状粉末，比重1.18～1.21，粘度5.5～7.5 cps。

（4）聚乙烯醇RB（KURARAY POVAL PVA LM-10HD），白色粉末，比重1.18～1.20，粘度1.6 cps。

（5）聚乙烯醇（KP-08），白色粉末，比重1.2～1.30，粘度6.0～9.0 cps。

3 原分散剂固含量分析方法

3.1 仪器

（1）玻璃称量瓶（Φ70 mm×35 mm）。

（2）电热对流式烘箱恒温（110±2）℃。

（3）电子分析天平（感量0.1 mg）。

（4）水银温度计（精确至1 ℃）。

（5）吸管。

3.2 分析步骤

将干燥洁净的玻璃称量瓶置于电子分析天平上精确称重（B）（精确至0.000 1 g），用吸管移取分散剂试样（2±0.5） g（精确至0.000 1 g）称量（C）后，放到（110±2）℃电热对流式干燥箱内干燥2 h，取出并放在干燥器内冷却至室温， 置于电子分析天平上称取总质量（A）。

3.3 计算

总含固量X（%）＝[100·（A-B）]/C

式中：A—干燥后称量瓶和残渣的质量，g；

B—称量瓶的质量，g；

C—样品的质量，g。

要求：平行两份偏差小于0.2%。

3.4 更改分析方法原因

随着该公司不断发展，聚合工段一期、二期、三期相继投入使用，由于所采用的具体工艺不同，因此添加的助剂也不尽相同。 目前鲁泰公司每天产出树脂约35釜，需添加各类助剂十余种，所需分散剂的用量和种类也增加不少， 随之带来取样频次的不断增加，在实际操作当中发现原有分析方法，分析过程过长、检测数据出具滞后（从取样到分析样品最后得出结果整个过程至少需要3 h以上）， 已经不能及时的给聚合工段提供及时的分析数据， 作为分散剂用量参考，无法满足生产需要。而微波加热技术以其分析时间短、出具准确数据快速的特点足以满足工作需要。

4 微波加热检测方法

4.1 原理

微波加热技术应用在化验工作中， 国际上始于上世纪80 年代， 其原理是在2 450 Hz 微波电磁场作用下，产生每秒24.5 亿次的超高频率震荡，使样品与溶（熔）剂混合物分子间相互碰撞、摩擦、挤压，重新排列组合，因而产生高热，促使固体样品表层快速破裂，产生新的表面与溶（熔）剂作用，使样品在数分钟内分解完全。 微波是一种高频率的电磁波，具有反射、穿透、吸收三种特性。 由于所用试样量比较少，因而试剂空白低，环境沾污机会少，微波溶（熔）样的操作也容易，所以国内外使用微波加热技术都比较广泛。

4.2 实验过程分析

4.2.1 分析仪器

（1）玻璃称量瓶（Φ70 mm×35 mm）。

（2）微波炉（格兰仕，G70F20N3P-ZS）。

（3）电子分析天平（感量0.1 mg）。

（4）吸管。

4.2.2 火力选择

用电子分析天平称取试样 （2±0.5）g （精确至0.000 1 g）于已知质量的干燥洁净的玻璃称量瓶中，放入微波炉，由于该设备没有具体温度，只有低火，中火，高火三种模式，只能逐个进行实验来找到最合适的模式。

将温度模式调整为低火， 在低火模式下5 次不同时间加热，检测数据见表1。

表1 低火不同时间加热检测数据

结论： 分析发现在低火模式下样品从5 min 开始到30 min 结束样品都没有到达恒重。 不仅分析所用时间长还不能提供准确的分析结果， 所以该模式不可以使用。

将温度模式调整为中火， 在中火模式下5 次不同时间加热，检测数据见表2。

表2 中火不同时间加热检测数据

结论： 经分析发现在中火模式下样品在20 min时就已经达到恒重，但样品分析时间还是太长，没有到微波炉要求的数分钟内达到分析要求的效果，所以该模式不可以使用。

将温度模式调整为高火， 在高火模式下5 次不同时间加热，检测数据见表3。

结论：经过分析发现样品在高火模式下在10 min时达到了恒重。 最后比较分析3 种模式下在高火模式时样品达到恒重用时最短， 满足微波炉要求的数分钟内达到分析要求的效果。

表3 高火不同时间加热检测数据

为了在满足分析样品结果可靠的情况下尽可能减少分析时间， 在高火模式下对时间进一步精确缩短， 精确到每一分钟。 高火模式下5 次不同时间加热，检测数据见表4。

表4 高火缩短加热时间检测数据

最后结论：在高火模式下样品达到恒重时8 min时间最合适，可以达到分析要求。

4.2.3 样品质量

本着节能降耗，节约挖潜的实际生产理念，在高火模式烘8 min 的固定模式下， 通过采用不同质量分散剂进行微波处理， 寻找最经济有效的称量样品质量。

首先是用电子分析天平称取试样0.500 0 g 于已知质量的干燥洁净的玻璃称量瓶中放入微波炉，高火模式下烘8 min，对5 次分析结果进行的相对偏差数据见表5。

表5 称取0.500 0 g式样检测相对偏差数据

结论：经分析发现当称量样品为0.500 0 g 时样品质量过小相对偏差较大，不符合标准规定。

用电子分析天平称取试样2.000 0 g 于已知质量的干燥洁净的玻璃称量瓶中，放入微波炉，高火模式下烘8 min，对5 次分析结果进行的相对偏差数据见表6。

表6 称取2.000 0 g式样检测相对偏差数据

结论：经分析发现当称量样品为2.000 0 g 时相对偏差符合标准要求。

用电子分析天平称取试样5.000 0 g 于已知质量的干燥洁净的玻璃称量瓶中放入微波炉， 高火模式下烘8 min，对5 次分析结果进行的相对偏差数据见表7。

表7 称取5.000 0 g式样检测相对偏差数据

结论：经分析发现当称量样品为5.000 0 g 时相对偏差也符合标准规定。

用电子分析天平称取试样10.000 0 g 于已知质量的干燥洁净的玻璃称量瓶中，放入微波炉，高火模式下烘8 min，对5 次分析结果进行的相对偏差数据见表8。

表8 称取10.000 0 g式样检测相对偏差数据

结论： 经分析发现当称量样品为10.000 0 g 时称量样品过多，相对偏差最大为0.35%，不符合标准规定。

最后比较分析： 在称取4 次不同样品质量对比下，只有称取2.000 0 g 和5.000 0 g 时相对偏差符合标准规定，但称取5.000 0 g 时相比称量样品质量过多， 不利于节约成本， 因此最后选择称量样品为（2.000 0±0.5）g（精确至0.000 1 g）。

4.3 结论

经过上述一系列各种实验对比， 可以发现采用微波炉微波加热技术， 在用电子分析天平称取样品（2.000 0±0.5）g，于高火模式下烘8 min，具有取样品质量少、分析时间短、耗电量低的优点，完全可以满足实际生产准确、快速、高效的要求，为最优方案。在实际操作当中，我们采用这种分析方法，进行了多次实验和对比操作，验证了该方法的可靠性。

5 结语

使用微波加热技术称取样品（2.000 0±0.5）g 在高火模式下烘8 min 这种改进后的分析方法， 解决了原分析方法中分析时间长，耗电量高的问题，能够及时准确的为聚合工段提供可靠的数据来指导生产， 为以后的化工生产连续稳定运行提供了便利条件。