熱塑性塑料管材、管件維卡軟化溫度的測定能力驗證分析研究

【摘 要】 依據(jù)GB/T 8802-2001和中國合格評定國家認可委員會（CNAS）的規(guī)定的程序?qū)κ?nèi)取得該項目資質(zhì)認定的檢驗檢測機構(gòu)進行能力驗證，目的為了評價各參與機構(gòu)該項目的檢測能力與水平。采用Ss<0.3σ準則對制備試樣進行均勻性、穩(wěn)定性檢驗。采用Z比分數(shù)評價各參加機構(gòu)的檢測結(jié)果，指定值為各參加機構(gòu)結(jié)果的中位值，以NIQR（標準化四分位距）作為目標標準偏差。參加的166家機構(gòu)中，145家機構(gòu)為滿意，9家機構(gòu)為有問題，12家機構(gòu)為不滿意。本文詳解了本次能力驗證計劃的實施過程及相關分析匯總情況，評估了各參加實驗室在維卡軟化溫度項目上的檢測能力。

【關鍵詞】 能力驗證 結(jié)果分析 Z比分數(shù)

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2017.07.002

1 能力驗證及維卡軟化溫度項目簡述

能力驗證（Proficiency Testing）是利用實驗室間比對，按照預先制訂的準則來評價參加者能力的活動，是為保證實驗室在特定檢測、測量或校準領域的能力而設計和運作的計劃活動。為進一步加強檢驗檢測機構(gòu)資質(zhì)認定事中、事后監(jiān)管力度，規(guī)范檢驗檢測市場，不斷提升檢驗檢測機構(gòu)資質(zhì)認定制度實施的有效性，根據(jù)《檢驗檢測機構(gòu)資質(zhì)認定管理辦法》（總局163號令）和國家認監(jiān)委《實驗室能力驗證實施辦法》（2006年第9號公告）的有關規(guī)定，由遼寧省質(zhì)監(jiān)局組織開展本次“熱塑性塑料管材、管件維卡軟化溫度的測定能力驗證計劃”，遼寧省質(zhì)檢院作為該計劃的承擔和實施機構(gòu)。

維卡軟化溫度（Vicat Softening Temperature）是表征塑料制品耐熱性能的重要物理性能指標，是以其英文名稱音譯而來。其試驗原理是將熱塑性塑料制品放于油域（一般為甲基硅油）介質(zhì)中，橫截面積為1mm2的標準壓針在標準要求的負荷和升溫速率下，刺入試樣表面1mm深時的即時溫度。該溫度反映了材料使用時發(fā)生軟化變形的溫度臨界點，即材料在一定溫度及一定受力情況下的耐熱性能。其溫度越高，表明材料受熱時的熱變形越小，尺寸穩(wěn)定性也越好。目前我國關于該參數(shù)測定的試驗方法標準共有兩個，分別是GB/T 1633-2000《熱塑性塑料維卡軟化溫度（VST）的測定》和GB/T 8802-2001《熱塑性塑料管材、管件維卡軟化溫度的測定》，兩個標準在試驗的操作以及方法的描述上基本一致，只是在試驗條件上有所區(qū)別，GB/T 1633-2000中有4種試驗條件組合，主要是為了針對不同的熱塑性塑料產(chǎn)品而加以區(qū)分。為了保證所有機構(gòu)的數(shù)據(jù)在本次能力驗證計劃中具有一致性，明確規(guī)定試驗方法為GB/T 8802-2001，避免了實驗室由于采用其他方法造成試驗條件不一致導致的結(jié)果差異。

表1 兩種試驗方法試驗條件的區(qū)別

2 組織能力驗證計劃的預期目地及意義

開展本次能力驗證的預期目的是為了評價各參加機構(gòu)該項目對于標準方法掌握的技術(shù)水平和人員檢測能力，為各機構(gòu)提供一個評估和證明其出具數(shù)據(jù)可靠性的客觀手段。

維卡軟化溫度檢驗是熱塑性塑料制品的常規(guī)檢驗項目，遼寧省獲得該項目認可的機構(gòu)數(shù)量較多，既包括質(zhì)檢技術(shù)機構(gòu)、研究院（所），也包括工程質(zhì)檢站以及檢測公司等。由于其所使用的實驗儀器涉及的參數(shù)較多，一些實驗室疏于對儀器的日常維護保養(yǎng)及計量檢定，同時對標準的理解及實驗的操作不夠深入，造成該項目檢驗能力及水平參差不齊。為了提高各檢測機構(gòu)的檢驗能力水平，增加各機構(gòu)間檢驗結(jié)果的可比性，同時對比各機構(gòu)檢驗結(jié)果間存在的差異，開展本次計劃是極其必要的。通過此次計劃，各參加機構(gòu)不但可以了解自身的檢測能力，還能找到和同類機構(gòu)間的差距，更可促進實驗室進一步提高檢測技術(shù)能力和實驗室管理水平，同時便于省質(zhì)監(jiān)局對該領域獲認可機構(gòu)的監(jiān)管。

3 參加本次能力驗證的機構(gòu)情況

本次能力驗證計劃共計有全省14個城市的166家檢測機構(gòu)報名參加，所覆蓋的行業(yè)領域包括質(zhì)檢院（所）、工程質(zhì)檢中心（站）、研究院（所）、大型企業(yè)所屬檢驗中心、民營檢測公司及交通、水利、院校等行業(yè)專屬的質(zhì)檢機構(gòu)等，詳見圖1。

圖1 行業(yè)系統(tǒng)分布圖

4 試樣的制備與試驗方法

4.1 試樣制備

本次計劃樣品制備選擇的原料樹脂為臺灣奇美實業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的牌號為PA-747S的ABS原料樹脂，將其在90℃的真空干燥箱中處理4h，試樣制備量為5000g，將干燥冷卻后的原料經(jīng)注塑機注塑成150mm×20mm×4mm的樣條，注塑工藝條件為：注塑溫度230℃、220℃、215℃、205℃，注塑壓力50MPa，保持壓力時間40s。

將注塑成型的樣條通過機械加工的方式裁切成10mm×10mm×4mm的試樣，將試樣在標準溫濕度境條件（23℃±2℃，50%RH）下放置72h，隨后采用塑料試樣袋密封包裝，每組兩片。

4.2 試驗方法

從分裝好的試樣中隨機抽取15組用于均勻性試驗，試驗條件如下：

表2 試驗條件

在全部試驗數(shù)據(jù)返回后進行穩(wěn)定性試驗，在剩余的試樣中隨機抽取6組，試驗條件與均勻性試驗條件一致。

本次計劃對報名參加的各機構(gòu)賦予唯一代碼，并以EMS特快專遞方式向其發(fā)放一組試樣。同時還發(fā)放了樣品接受狀態(tài)確認表、作業(yè)指導書、結(jié)果報告單等以保證各參加機構(gòu)在試驗中有所遵循，保證試驗數(shù)據(jù)的可比性，所有參加機構(gòu)在統(tǒng)一的時間節(jié)點前上報試驗結(jié)果，測試結(jié)果以攝氏度為單位，結(jié)果保留1位小數(shù)。

4.3 統(tǒng)計分析和能力評價方法

本次計劃中指定值和能力評定標準差采用穩(wěn)健（Robust）統(tǒng)計技術(shù)確定，即采用穩(wěn)健統(tǒng)計的中位值作為指定值，標準化四分位距（NIQR）作為能力評定標準差。

對參加機構(gòu)檢測結(jié)果進行匯總，通過以下公式計算Z值：

[Z=x-Xσ]

其中：[x]——各參加機構(gòu)的檢測結(jié)果值；

[X]——指定值（本次全部結(jié)果的中位值）；

[σ]——能力評定標準差。

本次能力驗證包含的統(tǒng)計量有最大值、最小值、中位值、極差、標準化四分位間距（NIQR）、結(jié)果數(shù)、變異系數(shù)（CV）等。關于統(tǒng)計量的相關意義及計算方法在CNAS-GL02：2014《能力驗證結(jié)果的統(tǒng)計處理和能力評價指南》中均有相關的介紹。

各參加機構(gòu)的結(jié)果按如下準則進行評價：

|Z|≤2為滿意結(jié)果；

2<|Z|<3為有問題結(jié)果；

|Z|≥3為不滿意結(jié)果（離群值）。

為了直觀清晰的表示各參加機構(gòu)在本次能力驗證中的具體結(jié)果，用柱狀圖的方式將各機構(gòu)的Z值由小到大進行排列，其代碼在各個柱條上均有標示。通過柱狀圖，參加機構(gòu)很容易將其結(jié)果與其他機構(gòu)進行比較，了解其結(jié)果在本次能力驗證中所處的水平，詳見圖2。

5 試驗結(jié)果與統(tǒng)計分析

5.1 均勻性試驗結(jié)果

作為能力驗證用的試驗樣品，其均勻性是否符合要求將直接決定著能力驗證計劃實施的可靠性及準確性。根據(jù)CNAS-GL03：2006《能力驗證樣品均勻性和穩(wěn)定性評價指南》的相關要求，共抽取15組樣品進行了均勻性試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 均勻性檢驗檢測結(jié)果和統(tǒng)計分析結(jié)果

采用CNAS-GL03：2006中規(guī)定的Ss≤0.3σ準則判斷試樣的均勻性，σ是能力驗證計劃中能力評價標準偏差的目標值，在本計劃中直接選用ASTM D1525-2007中規(guī)定的實驗室間的標準偏差作為σ。Ss是均勻性檢驗用的15組試樣共30次測試數(shù)據(jù)的標準偏差，由表3可以看出，Ss≤0.3σ，試樣的均勻性合格，滿足本次計劃的要求。

5.2 穩(wěn)定性試驗結(jié)果

對能力驗證所使用的樣品在全體機構(gòu)反饋結(jié)果后進行穩(wěn)定性試驗也是必不可少的，根據(jù)CNAS-GL03：2006《能力驗證樣品均勻性和穩(wěn)定性評價指南》的相關要求，共抽取6組樣品進行穩(wěn)定性試驗，試驗結(jié)果見表4。

表4 穩(wěn)定性檢驗檢測結(jié)果和統(tǒng)計分析結(jié)果

采用[x-y]≤0.3[σ]準則判定試樣的穩(wěn)定性，[σ]為本次能力驗證計劃的能力評定標準差NIQR，由表4可以看出，試樣的穩(wěn)定性合格，滿足本次計劃的要求。

5.3 能力驗證結(jié)果分析

在能力驗證結(jié)果的統(tǒng)計分析中，最重要的統(tǒng)計量是中位值和NIQR，它們是數(shù)據(jù)是否集中和分散的量度，使用中位值和NIQR是因為它們是穩(wěn)健統(tǒng)計量，即它們不受數(shù)據(jù)中離群值的影響。其中中位值是一組數(shù)據(jù)中的中間值，與整組數(shù)據(jù)的平均值不同，即有一半的數(shù)據(jù)高于它，一半的數(shù)據(jù)低于它，NIQR是一個結(jié)果變異性的量度，它等于四分位間距（IQR）乘以0.7413。

6 技術(shù)分析及建議

6.1 檢驗儀器

本次能力驗證計劃的作業(yè)指導書中對試驗方法標準、檢測條件中的升溫速率、負荷等均做了明確規(guī)定。同時試驗所使用的樣品也是制備完好的，不需要再進行二次加工，避免了由于各實驗室制備樣品而造成的偏差，可以說已經(jīng)在最大程度上降低了試驗的難度，主要就是考察各機構(gòu)對標準的理解程度、試驗的操作以及檢驗儀器的準確程度，其中檢驗儀器設備的準確性是能否在本次計劃中取得滿意結(jié)果的關鍵。

目前，我國制造生產(chǎn)維卡軟化溫度測定儀器的廠家眾多，而且隨著技術(shù)能力的不斷進步，檢測該項目的儀器也越來越智能化，很多高端儀器都已經(jīng)可以做到自動加載負荷、試驗過程中無需人員值守、檢測結(jié)束后自動記錄實驗數(shù)據(jù)及曲線等信息。但是，維卡軟化溫度檢驗儀器涉及的參數(shù)較多，如果實驗儀器本身在升溫速率、千分表的位移及負荷等方面存在誤差，都是影響能力驗證結(jié)果的因素。

6.1.1 溫度及升溫速率的影響

維卡軟化溫度測試最終的數(shù)據(jù)就是即時溫度，檢驗儀器的溫度準確與否直接關系到最終結(jié)果的準確性，這就要求檢驗儀器的溫度傳感器必須精準，而且要保證整個介質(zhì)箱的溫度均勻性。好的檢驗儀器會在介質(zhì)箱內(nèi)部及每個檢驗架上都設有溫度傳感器，以確保采集的溫度數(shù)據(jù)準確無誤。本次能力驗證采用的樣品為ABS塑料，由于樣品與檢測儀器中的液體加熱介質(zhì)的導熱系數(shù)不同，如果設定的升溫速率比實際試驗中的升溫速率慢，那么就會使得試樣的升溫比加熱介質(zhì)的升溫相對滯后，一些檢測的傳感器是放在介質(zhì)中，測得的即時溫度其實是介質(zhì)的溫度，從而導致檢測的結(jié)果偏高，反之結(jié)果則會偏低。

6.1.2 加載負荷（砝碼）的影響

目前維卡軟化溫度測定儀加載負荷基本都是通過砝碼配重的方式，砝碼的質(zhì)量會因各種外在原因而發(fā)生變化，如長期不清理的灰塵、其它試驗用溶液等造成銹蝕等。對于同一樣品在相同的試驗條件下，負荷越大對試樣產(chǎn)生的壓強越大，從而導致在較低溫度下壓針就已刺入試樣，造成測得的維卡軟化溫度偏低，反之，測得的溫度則會偏高。

6.1.3 千分表準確度的影響

千分表作為位移傳感器將測得的變形量數(shù)據(jù)反饋給儀器，當達到1mm的刺入深度，儀器就會記錄那一刻的實時溫度作為試樣的維卡軟化溫度。尤其是隨著試驗中溫度的逐漸升高，樣品的熱變形也逐步加快，即使相差0.1mm的變形量，最終的檢驗結(jié)果也會有很大區(qū)別，由此可以看出，如果千分表準確度不夠，將直接影響位移數(shù)據(jù)的采集，從而影響最終的實驗結(jié)果。

6.1.4 儀器的計量檢定/校準

儀器設備的計量檢定/校準是保證其準確性的重要手段，在本次能力驗證計劃中，實施機構(gòu)建議各參加實驗室提供所使用儀器的在有效期內(nèi)的檢定/校準證書，目的是為了掌握各實驗室所使用的儀器狀況，但通過查看各實驗室提供的證書來看，普遍都存在檢定的參數(shù)不全的問題，而且有個別實驗室未能提供相關證書。從上文的分析可以看出，要保證該項目最終測試結(jié)果的準確性，任何一個參數(shù)都不能忽略。

6.2 環(huán)境條件的影響

按照作業(yè)指導書的要求，試驗前應進行試樣的狀態(tài)調(diào)節(jié)，對試驗的起始溫度也做了規(guī)定，由于熱塑性塑料對溫度較為敏感，檢測時未嚴格按照環(huán)境條件要求也會影響數(shù)據(jù)的準確性。

6.3 相關建議

建議各實驗室應保證所使用的儀器在檢定/校準周期內(nèi)，同時定期進行期間核查，注意儀器的日常維護保養(yǎng)，以保證儀器的各項指標能達到標準要求。加強相關試驗人員的培訓，學習相關的檢測方法標準，加深對標準的理解，提高試驗的操作能力水平。

參考文獻

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作者簡介

劉鴻博，1982年生人，男，漢族，大學本科，遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院機電中心副主任/工程師，研究方向：塑料管道應用技術(shù)研究，機械及金屬材料產(chǎn)品應用研究。