纺织品萃取液pH值自动化测试相关问题的探讨

在日常生活中，人们每天都要使用、接触纺织产品，纺织品pH值若过低或过高均会破坏人体皮肤表面弱酸性环境，引起瘙痒，使皮肤容易受到病菌的侵害，进一步引发皮炎等症状。因此国家强制标准GB 18401—2010《国家纺织产品基本安全技术规范》[1]对纺织产品的pH值有明确要求，婴幼儿纺织产品需符合A类要求（4.0～7.5），直接接触皮肤的纺织产品至少符合B类要求（4.0～8.5），非直接接触皮肤的纺织产品至少符合C类要求（4.0～9.0），并指定纺织产品的pH值测试方法为GB/T 7573—2009《纺织品水萃取液pH值的测定》[2]。作为一个强制性的检测项目，pH值是检测数量最多的检验项目之一。

随着时代的进步，我们的工业已经进入了自动化时代和信息化时代。通过自动化及信息化手段，实现检测项目的自动化，能够极大地解放人力，提高检验效率，具有深远的意义。测试方法GB/T 7573—2009适用于各种纺织品，测试步骤较少且不需根据样品的纤维成分、组织结构、颜色进行调整，因此该方法测试时一般是通过批量处理的方式进行，该方法实现自动化的可行性较高，目前已有针对这方面的研究，但研究方向主要集中在样品萃取及萃取液批量测试上，对该方法其他环节的自动化研究较少。

1 GB/T 7573—2009各环节的要点及目前对其实现自动化的研究进展

要实现检验的自动化，需分析该测试方法的各个环节。GB/T 7573—2009检验流程主要有以下环节：pH计的校准、样品的处理及称量、萃取介质的配制及分装、样品的萃取、电极的润洗及测试。

1.1 pH计的校准

pH值为溶液中氢离子浓度的负对数（pH=-log10[c(H+)/(mol/L)]）其数值用以表征溶液中的酸碱程度。对于溶液X，测出伽伐尼电池的电动势Ex。pH值由测量电池的电动势而得，该电池通常由饱和甘汞电极为参比电极，玻璃电极（氢离子选择性电极）为指示电极所组成。根据能斯特方程，在25℃时，溶液中每变化1个pH单位，电位差改变为59.16mV，此电位差在仪器中通过换算即可得到溶液pH值。由于玻璃电极生产过程中不可避免的误差，以及电极在使用过程中出现的读数漂移，使得玻璃电极测量溶液pH时所得结果与实际pH值可能存在差异，因此需定期对pH电极进行校准。缓冲溶液具备一定的缓冲容量和抗稀释能力，其pH值比较稳定，所以一般使用其对pH电极进行校准，修正仪器的读数。现市面上的pH计一般都带有内置的校准功能，可根据校准结果自动将测试溶液的电位差转化成pH值。

按GB/T 7573—2009要求，使用的缓冲溶液pH值在4、7和9左右，标准附录提供的缓冲溶液分别是邻苯二甲酸氢钾溶液、磷酸二氢钾和磷酸氢二钠溶液，四硼酸钠溶液。

由于不同型号的电极对校准结果要求不同，而且若pH因长时间使用或意外故障导致校准结果不满足要求需要对其进行更换后重新校准，建议校准环节以人手操作的方式进行，避免因电极校准出现样品测量结果偏离。

1.2 样品的处理及称量

现针对检测样品自动称量的研究相对较少，针对固体自动称量的研究目前主要集中在生产及加工领域。内蒙古民族大学刘光宇等根据铜基粉末冶金材料特性设计出一套自动称量系统，能够实现高精度高效率自动称量，为摩擦块冷压成型提供满足质量要求的原料[5]。河源职业技术学院贺小艳为实现奶粉生产的自动配料、自动称量、自动监控，提高生产企业自动化程度，设计一种基于DSP芯片TMS320F2812的自动配料称量控制系统[6]。阿拉善职业技术学院田智慧等为了实现配料称量过程的自动化控制，数据的实时监控，提高配料环节的生产效率以及称量包装精度，设计了一套自动称量配料控制系统[7]。贵州师范大学张正勋等设计一种基于单片机控制的中药材自动取药机，在抓药过程无人工参与，避免了人为误差、降低劳动强度，提高了抓取中药的效率[8]。

目前针对固体自动称量的研究主要集中在生产及加工领域，研究方向基本是从大批量原料中准确定量进行分配，运作模式是“一”（大量）对“多”（重复小量）。但此模式不完全适用于检测领域。

检测领域与生产及加工领域最大的不同点在于，检测领域的运作模式是“多”（不同样品）对“更多”（不同样品重复测试），而且由于样品不同，检测样品的过程需要考虑到测试过程中避免交叉污染。按GB/T 7573—2009要求，样品需裁剪为约5mm×5mm的大小，目的是萃取过程样品能够迅速润湿。然后将裁剪好的样品称取（2.00±0.05）g转移至250mL具塞玻璃瓶中。样品的裁剪步骤目前可通过气动裁样机及粉碎机或其他可以将纺织面料裁剪为小块的设备实现仪器操作。但若需实现将裁剪后的样品定量转移至容器，因部分纺织面料容易产生静电，样品的裁剪、称量及转移过程中容易因静电粘附在容器上，需考虑以气流或其他方式将粘附样品进行清除，防止交叉污染。

1.3 萃取介质的配制及分装

按GB/T 7573—2009要求，可以选择符合GB/T 6682三级水要求的试验用水或者以之配制的0.1mol/L的氯化钾溶液作为萃取介质。因标准注明“当某种样品使用水和氯化钾溶液的测定结果发生争议时，推荐采用氯化钾溶液作为萃取介质的测定结果”，建议选择氯化钾溶液作为萃取介质。

溶液的配制及分装装置目前市面上有多种型号，该种装置的技术比较成熟，但该种装置在使用过程中仍可能出现一些问题。氯化钾作为强酸强碱盐，化学稳定性较好，但其盐溶液对金属有腐蚀性，铁材质的部件接触氯化钾溶液容易出现锈蚀现象，污染溶液，不锈钢材质短时间接触氯化钾溶液未出现锈蚀现象，但长时间使用亦有该现象出现。因此，建议配制及分装装置中接触溶液的相关部件选用非金属部件，其化学性质对盐溶液稳定，使用过程中不会污染溶液。

现针对溶液分液装置的研究较多。中国矿业大学郑诚等为解决浮选药剂添加过程中自动化程度低、加药精度低、药剂消耗量大等问题，研制了一种主要由储药箱、除杂装置和防护柜体组成，以蠕动泵为执行机构的浮选自动加药装置[9]。神华宁夏煤业集团王海峰为解决浮选过程中人工加药的不准确性和不稳定性，研究采用蠕动泵为执行机构构建浮选自动加药系统，并进行试验探究其精度。经过大量的试验表明，在选择以200 mL为标准校准时，捕收剂的误差精度小于4%，起泡剂的误差精度小于1%[10]。陕西科技大学黄宝柱围绕高精度定量阀的机械结构及控制单元设计、加减速定位控制和位置闭环智能控制三个方面展开研究工作，选择定位精度相对较高的步进电机作为驱动部件，然后结合减速器、阀体等零部件，设计了高精度定量阀的整体机械结构[11]。

现大部分蠕动泵及电磁阀的分液装置都是通过设定分液时间进行流量的控制，溶液的流速对分液量有影响。装有溶液的容器在溶液的“分装—配制—分装”过程中，溶液的液面高低会出现变化，部分分液装置在容器不同液面高度时，分液的流速不一致，致使最终分液的体积出现差异，使用该种装置时需留意此影响。

1.4 样品的萃取

按GB/T 7573—2009要求，样品萃取过程中要保证样品内部与萃取液之间进行充分的液体交换，标准对振荡频率定了最低要求，为往复式至少60次/min，旋转式至少30周/min。

对容易润湿的样品，往复式60次/min及旋转式30周/min的振荡频率能使萃取液充分润湿样品，即使提高振荡频率，萃取效果及测试结果不会出现明显变化。但部分较难润湿的样品（如经拒水处理），低频率的振荡方式不能使其充分润湿，此类样品的振荡频率不能选择标准中的最低值。

进行自动化测试时，选择振荡参数需考虑此因素。

1.5 电极的润洗及测试

按GB/T 7573—2009要求，3份萃取液的第一份是不记录测试数据，其作用对测试电极做润洗，消除上一份样品测试及清洗的干扰，然后测试第二及第三份萃取液，以其测试数据作为测试结果。

按标准的操作流程，样品萃取后，需将萃取液需从250mL具塞玻璃瓶中倒入烧杯中，再使用pH电极测试，此举的目的将提高溶液的液面（萃取液在250mL具塞玻璃瓶中液面仅有约1cm）。

进行自动化测试时，由于电极需要进行长时间的自动测试，因此其测试数据的准确性及稳定性显得十分重要，建议在连续测试的过程中穿插标准样品进行准确性评估，确保结果不会因电极读数漂移出现异常。由于样品萃取液，特别是碱性样品的萃取液，若长时间暴露在空气环境下，空气中二氧化碳气体可能对结果造成影响，测试时需考虑此因素。

针对此环节的自动化运作目前研究不是很多。中纺协（北京）检验技术服务有限公司贺志鹏等发明了一种纺织品pH值自动测试设备，样品箱内设有若干层隔板，每个隔板上可滑动设有样品架，样品架在隔板上限位滑动，每个样品架均连接一个振荡装置，振荡装置设于样品箱外侧，自动取液机构将待测液吸取后放置到每个试管内，pH值自动测定机构对待测液体进行pH测定[12]。北京和众视野科技有限公司彭湘洲等研究了一种纺织品pH值自动测试及评级系统实用新型，包括底座、冲洗装置、pH计电极、旋转轴、带有数据传输功能的pH计主机、计算机、控制盒、水泵控制装置、测试工位[13]。

实验室之前试验以100mL的三角瓶对样品进行萃取，然后在小三角瓶直接测量溶液的pH值。通过比对数据发现，部分按GB/T 7573—2009测试的样品结果与此方法的测试结果有明显差异，差异集中在pH结果在7～8的样品（按GB/T 7573—2009测试），通过分析，可能是由于100mL的三角瓶在装入样品及100mL萃取介质后，三角瓶已基本填满，但250mL三角瓶在装入样品及100mL萃取介质后，容器内仍有较多空气存在，弱碱性样品萃取过程中容易被密封容器中的带二氧化碳的空气中和，而100mL的三角瓶则没有发生其中和现象。

2 测试程序结合及自动化测试的展望

实现检测项目的自动化，能够极大地解放人力，提高检验效率，具有深远的意义，目前在此方面已经有不少的研究，但对标准GB/T 7573—2009自动化的研究，研究方向主要集中在样品萃取及萃取液批量测试上，对该方法其他环节的自动化研究较少，对整个测试项目的各环节自动化设备进行整合交互的研究则更少，具有良好的发展前景。若要实现此目的，需要通过机械及软件程序对各测试步骤进行整合及交换，需要花费较多时间对机械设计及调试、软件编写进行仔细的整合，在进行这方面的研究时，亦要重视相关检验细节，以确保自动化设备的测试结果与标准操作一致，并能保持稳定。