测试条件对聚酯切片含水率测试结果的影响

张 洁

(江苏恒科新材料有限公司,江苏 南通 226368)

聚酯切片中的水分包括切片表面吸附水分、扩散进切片内部的水分,还包括内部氢键与羟基、羧基结合的水分。影响聚酯切片水分含量的因素包括切片的干燥程度、储存时间、空气湿度、环境稳定性等。聚酯切片的水分含量对其纺丝性能及纤维质量有一定的影响[1]。聚酯切片在熔融状态下对水分非常敏感且极易发生水解,水解会导致其熔体羧基含量增加,相对分子质量分布变宽,相对分子质量下降,因此熔体黏度也随之降低;且水分在高温下气化而存在于熔体中,会使单丝中夹带水蒸气,形成“气泡丝”,造成毛丝和断头,从而影响纺丝性能及纤维质量[2]。因此,在涤纶生产中应严格控制干燥后的聚酯切片的含水率,使其符合纺丝工艺的要求。

干切片含水率的测试方法包括烘干失重法、压差法、电解法、卡尔费休法。其中,卡尔费休法与电解法所用设备成本高,耗材价格贵,在化纤行业中应用较少[3];烘干失重法的缺点是除水分之外,在烘干条件下挥发的物质也一并计算在内,容易使测试结果偏高[4];压差法测定含水率以测试准确度高、测试时间短、测试方法简便且适用于测定极微量的与原料内部分子结构结合的水分而得以广泛应用[5]。

压差法测试条件包括测试温度、测试时间、环境温度等,测试条件对聚酯切片含水率的测试结果有一定的影响。作者以干燥后的阳离子聚酯切片为测试样,采用压差法测试其含水率,讨论测试条件对含水率测试结果的影响程度,得到较佳测试条件,确保含水率测试结果的准确性。

1 实验

1.1 试样

阳离子改性聚酯切片:干燥后含水率小于30 μg/g,江苏恒科新材料有限公司产。

1.2 测试仪器

SF-1型压差法微量水分测定仪:主要由测量部分、加热部分、温控部分组成;测量部分是一套U形玻璃管道与真空泵、真空规的组合件,真空泵在测试前打开抽真空使测量部分在测试前处于高度真空状态;加热部分由加热器与试管浮动对中装置的炉膛及升降台组成,将升降台上移,使试管插入其中,即可对试样加热;温控部分由单片微型计算机控制温度,由轻触开关设定;常州八方力士纺织仪器有限公司制。

1.3 测试原理及测试方法

测试原理:SF-1型压差法微量水分测定仪是利用真空环境加热试样,使切片中的结合水气化,在真空U型管中,左右两侧的液位是平衡的,当有一边产生额外的压力后,便会产生液位差,再根据读取的液位差计算含水率。

测试流程:开启电源开关,设置温度,待温度稳定后打开G阀与J阀并关闭F阀;在接口处涂抹真空硅脂并将装载干燥试样的试管套入接口密封,关闭F阀,启动真空泵抽真空使真空度小于20 Pa;依次关闭J阀、G阀,关闭真空泵,提升加热筒,使试管插入筒内并加热测试,试样至U形管内液位标尺指示的液位差保持恒定时读取U形管内的液位变化值,放下加热筒,缓慢、平稳地打开G阀,再打开J阀,取下试管。

测试条件:每只试管内阳离子聚酯切片质量为8～9 g,测试温度为120～220 ℃,测试时间为5～30 min,环境温度为(24.5±1.0)℃,相对湿度为(65±5)%。

含水率的计算:按式(1)计算切片的含水率。

W=(K·∆h)/m

(1)

式中:W为切片的含水率,∆h为平衡前后液位高度的变化值,m为切片的质量,K为含水系数。

相对误差的计算:根据日常测试中取连续50次含水率测试结果,计算得出含水率约定真值[6](多次测量值的平均值)为20.07 μg/g。再根据含水率约定真值与含水率实际测量值计算相对误差,以表征测试结果的准确性。相对误差为(实际值与约定真值之差)/约定真值×100%,相对误差小于10%表明测试结果误差小、准确性高。

2 结果与讨论

2.1 测试温度对含水率准确性的影响

在测试环境温度为24.5℃(K为34.37)、测试时间为15 min、真空度为小于等于20 Pa的条件下,分别在120,130,140,150,160,170,180,190,200,210,220 ℃的测试温度下测试,并计算切片含水率,切片含水率随测试温度的变化趋势见图1。

图1 切片含水率随测试温度的变化趋势

由图1可以看出,在其他测试条件不变的情况下,随着测试温度升高,切片含水率逐渐增加,当测试温度达190～220 ℃时,切片含水率的增加趋势趋于平缓。这是因为在较低测试温度下,切片中的水分无法在15 min内完全气化,不能测得切片的实际含水率,而在测试温度达190～220 ℃时切片中水分的脱除基本上达到平衡,因而切片含水率变化不大。

根据切片含水率实际测量值与含水率约定真值(20.07 μg/g)计算不同测试温度下含水率测试结果的相对误差。由表1可知:在测试温度为190～220 ℃时,含水率实际测量值与含水率约定真值的相对误差小于10%;在测试温度为200 ℃时含水率的相对误差最小,为6.0%。这说明在测试温度为190～220 ℃下测试切片含水率,测试结果误差小、准确性高。因此,为了确保切片含水率测试结果的准确性,在其他测试条件一定的情况下,测试温度设定在190～220 ℃为宜。

表1 测试温度对切片含水率准确性的影响

2.2 测试时间对含水率准确性的影响

在测试环境温度为24.5 ℃(K为34.37)、真空度小于等于20 Pa、测试温度分别为190,200,210,220 ℃的条件下,改变测试时间,分别在测试时间为5,10,15,20,25,30 min时读取U形管液柱的∆h,计算切片含水率。由图2可以看出:测试温度越高,切片含水率随测试时间的变化曲线出现拐点达到平衡的时间越早;在测试温度190 ℃下,测试时间为20 min时含水率变化曲线出现拐点,出现拐点之前含水率呈明显上升趋势,测试时间为20～25 min时含水率达到平衡;在测试温度200 ℃下,测试时间为15 min时含水率变化曲线出现拐点,出现拐点之前含水率呈明显上升趋势,测试时间为15～20 min时含水率达到平衡;在测试温度210～220 ℃下,测试时间为10 min时含水率变化曲线出现拐点,出现拐点之前含水率呈明显上升趋势,测试时间为10～14 min时含水率达到平衡,且含水率实际值与含水率约定真值的相对误差小于10%,测试结果误差小、准确性高;另外,在测试温度220 ℃下,含水率变化曲线在拐点后快速上升,这是因为测试温度过高会引起切片大分子降解释放小分子气体,且测试时间延长后切片会黏结成块状,不易于实验后续处理。因此,测试切片含水率时为确保测试结果准确性的同时兼顾测试效率,选择测试温度为210 ℃、测试时间为10 min较适宜。

图2 不同测试温度下切片含水率随测试时间的变化趋势

2.3 环境温度对含水率准确性的影响

环境温度对K值有一定的影响,K值是U形管液柱的∆h与含水率关系直线的斜率,通过标定得出[7]。本实验使用钼酸钠标定并计算K值,钼酸钠的含水率为0.148 81 μg/g。在测试温度210 ℃、测试时间10 min、真空度小于等于20 Pa的条件下,改变环境温度,在环境温度分别为10.5,20.5,24.5 ℃下测试切片含水率,计算不同环境温度下的K值,并根据含水率约定真值(20.07 μg/g)计算不同环境温度下含水率的相对误差,结果见表2。由表2可知:测试环境温度对K值的影响较大,随着环境温度升高,K值增大;K值与含水率成正比,环境温度升高,含水率增加;在环境温度为10.5,20.5,24.5 ℃时,含水率实际值与约定真值的相对误差分别为34.8%、14.4%、8.2%,由此可见环境温度为24.5 ℃时含水率的相对误差小于10%,测试结果误差小、准确性高。因此,其他测试条件一定的情况下,为了确保含水率的准确性,测试环境温度应维持在24.5 ℃左右。

表2 环境温度对含水率准确性的影响

3 结论

a.随着测试温度升高,聚酯切片含水率逐渐增加,当测试温度达190～220 ℃时,切片含水率的增加趋势趋于平缓;在测试温度为200 ℃时切片含水率的相对误差最小,为6.0%,测试结果误差小、准确性高。

b.测试温度越高,切片含水率随测试时间的变化出现拐点达到平衡的时间越早,在测试温度为210～220 ℃、测试时间为10 min时切片含水率出现拐点;测试温度为210 ℃、测试时间为10 min时切片含水率的相对误差最小。

c.测试环境温度升高,K值增大,切片含水率增加;环境温度为24.5 ℃时切片含水率的相对误差小于10%,测试结果误差小、准确性高。

d.采用压差法测试聚酯切片含水率,较佳的测试条件为测试温度210 ℃、测试时间10 min、环境温度24.5 ℃,切片含水率的相对误差小于10%,测试结果误差小、准确性高。