微波加熱技術在分散劑固含量分析中的應用

鄭 浩，仲 超，張紅艷，金 鑫

（山東魯泰化學有限公司，山東 濟寧272000）

山東魯泰化學有限公司（以下簡稱“魯泰化學”），前身為濟寧金威煤電有限公司，成立于2003 年2 月28 日，位于濟寧市重點規劃的六大化工園區之一的山東省魚臺縣張黃工業園區。 魯泰化學的主導產品為燒堿和聚氯乙烯樹脂， 生產工藝為國內主流工藝離子膜電解法制堿工藝和濕式電石法生產工藝，設計生產能力分別為36 萬t/a 燒堿和37 萬t/a 聚氯乙烯樹脂。 聚氯乙烯樹脂屬于物理機械性能，電性能，耐化學腐蝕性能較好的工程塑料之一， 根據不同規格聚氯乙烯高聚物，采用不同塑化配方和加工方法，可制成硬質和軟質制品， 廣泛用于日常生活和工業領域。

1 懸浮法PVC 生產工藝

VCM 聚合方法有溶液聚合法、 本體聚合法、乳液聚合法和懸浮聚合法，每種聚合方法，由于其本身技術改進和客觀需要的變動，應用范圍常有不同。懸浮聚合方法以其生產工藝簡易、便于控制、便于大規模生產、產品的適應性比較強等特點，已經成為聚氯乙烯生產的主要生產工藝， 該公司工藝正是采用懸浮聚合生產PVC 樹脂。氯乙烯的懸浮聚合是以偶氮化合物（ 如AIBN、ABVN）或過氧化合物（如EHP、DCPD、BPPD）等為引發劑，聚乙烯醇為分散劑，水作為分散和傳熱介質，并伴有攪拌進行反應。

其反應式為：

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

懸浮法聚氯乙烯樹脂的顆粒特性包括平均粒徑、粒徑分布、顆粒形態、顆粒內部結構等方面，是PVC 樹脂的重要指標之一，直接影響到后續加工中增塑劑、穩定劑的吸收速度，進而影響產品的成型速度和性能。 懸浮生產工藝中，在攪拌固定的條件下，助劑分散劑的種類、 性質和用量直接影響著懸浮聚合物粒度、粒徑分布、顆粒形態等顆粒特性，成為控制顆粒特性的主要因素。隨著懸浮聚合技術的發展，綜合考慮到保護與隔離、 降低界面張力與提高分散效果的雙重作用， 現在大都采用兩種及兩種以上分散劑共同添加的復合分散體系。

2 分散劑作用及種類

分散劑是能起到降低界面張力和保護能力的雙重功能的助劑， 可以穩定在聚合釜中由攪拌形成的單體微珠，并且能阻止油珠相互聚焦或合并。只是單一分散劑往往難以同時很好的滿足這兩方面的要求， 但是由兩種及以上分散劑復合使用（其一以降低界面張力為主，另一則是以高分子量組成，以提高保護能力），就可以達到降低界面張力和保護能力的雙重效果。

魯泰化學PVC 聚合裝置生產能力為37 萬t/a，110 m3聚合釜6 臺，108 m3聚合釜4 臺，70 m3聚合釜4 臺， 每一種型號的分散劑在使用時都需要2 個分散劑儲槽用來配置和儲存， 所以每天都需要高頻次的對各種分散劑進行取樣分析， 提供準確的分析數據作為用量參考，以滿足生產需要。

目前國內常用的分散劑主要有以下種類。

（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），淺黃色晶狀粉末，比重1.19～1.31，粘度50.0～60.0 cps。

（3）聚乙烯醇（4535）， 淺黃色晶狀粉末，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 原分散劑固含量分析方法

3.1 儀器

（1）玻璃稱量瓶（Φ70 mm×35 mm）。

（2）電熱對流式烘箱恒溫（110±2）℃。

（3）電子分析天平（感量0.1 mg）。

（4）水銀溫度計（精確至1 ℃）。

（5）吸管。

3.2 分析步驟

將干燥潔凈的玻璃稱量瓶置于電子分析天平上精確稱重（B）（精確至0.000 1 g），用吸管移取分散劑試樣（2±0.5） g（精確至0.000 1 g）稱量（C）后，放到（110±2）℃電熱對流式干燥箱內干燥2 h，取出并放在干燥器內冷卻至室溫， 置于電子分析天平上稱取總質量（A）。

3.3 計算

總含固量X（%）＝[100·（A-B）]/C

式中：A—干燥后稱量瓶和殘渣的質量，g；

B—稱量瓶的質量，g；

C—樣品的質量，g。

要求：平行兩份偏差小于0.2%。

3.4 更改分析方法原因

隨著該公司不斷發展，聚合工段一期、二期、三期相繼投入使用，由于所采用的具體工藝不同，因此添加的助劑也不盡相同。 目前魯泰公司每天產出樹脂約35釜，需添加各類助劑十余種，所需分散劑的用量和種類也增加不少， 隨之帶來取樣頻次的不斷增加，在實際操作當中發現原有分析方法，分析過程過長、檢測數據出具滯后（從取樣到分析樣品最后得出結果整個過程至少需要3 h以上）， 已經不能及時的給聚合工段提供及時的分析數據， 作為分散劑用量參考，無法滿足生產需要。而微波加熱技術以其分析時間短、出具準確數據快速的特點足以滿足工作需要。

4 微波加熱檢測方法

4.1 原理

微波加熱技術應用在化驗工作中， 國際上始于上世紀80 年代， 其原理是在2 450 Hz 微波電磁場作用下，產生每秒24.5 億次的超高頻率震蕩，使樣品與溶（熔）劑混合物分子間相互碰撞、摩擦、擠壓，重新排列組合，因而產生高熱，促使固體樣品表層快速破裂，產生新的表面與溶（熔）劑作用，使樣品在數分鐘內分解完全。 微波是一種高頻率的電磁波，具有反射、穿透、吸收三種特性。 由于所用試樣量比較少，因而試劑空白低，環境沾污機會少，微波溶（熔）樣的操作也容易，所以國內外使用微波加熱技術都比較廣泛。

4.2 實驗過程分析

4.2.1 分析儀器

（1）玻璃稱量瓶（Φ70 mm×35 mm）。

（2）微波爐（格蘭仕，G70F20N3P-ZS）。

（3）電子分析天平（感量0.1 mg）。

（4）吸管。

4.2.2 火力選擇

用電子分析天平稱取試樣 （2±0.5）g （精確至0.000 1 g）于已知質量的干燥潔凈的玻璃稱量瓶中，放入微波爐，由于該設備沒有具體溫度，只有低火，中火，高火三種模式，只能逐個進行實驗來找到最合適的模式。

將溫度模式調整為低火， 在低火模式下5 次不同時間加熱，檢測數據見表1。

表1 低火不同時間加熱檢測數據

結論： 分析發現在低火模式下樣品從5 min 開始到30 min 結束樣品都沒有到達恒重。 不僅分析所用時間長還不能提供準確的分析結果， 所以該模式不可以使用。

將溫度模式調整為中火， 在中火模式下5 次不同時間加熱，檢測數據見表2。

表2 中火不同時間加熱檢測數據

結論： 經分析發現在中火模式下樣品在20 min時就已經達到恒重，但樣品分析時間還是太長，沒有到微波爐要求的數分鐘內達到分析要求的效果，所以該模式不可以使用。

將溫度模式調整為高火， 在高火模式下5 次不同時間加熱，檢測數據見表3。

結論：經過分析發現樣品在高火模式下在10 min時達到了恒重。 最后比較分析3 種模式下在高火模式時樣品達到恒重用時最短， 滿足微波爐要求的數分鐘內達到分析要求的效果。

表3 高火不同時間加熱檢測數據

為了在滿足分析樣品結果可靠的情況下盡可能減少分析時間， 在高火模式下對時間進一步精確縮短， 精確到每一分鐘。 高火模式下5 次不同時間加熱，檢測數據見表4。

表4 高火縮短加熱時間檢測數據

最后結論：在高火模式下樣品達到恒重時8 min時間最合適，可以達到分析要求。

4.2.3 樣品質量

本著節能降耗，節約挖潛的實際生產理念，在高火模式烘8 min 的固定模式下， 通過采用不同質量分散劑進行微波處理， 尋找最經濟有效的稱量樣品質量。

首先是用電子分析天平稱取試樣0.500 0 g 于已知質量的干燥潔凈的玻璃稱量瓶中放入微波爐，高火模式下烘8 min，對5 次分析結果進行的相對偏差數據見表5。

表5 稱取0.500 0 g式樣檢測相對偏差數據

結論：經分析發現當稱量樣品為0.500 0 g 時樣品質量過小相對偏差較大，不符合標準規定。

用電子分析天平稱取試樣2.000 0 g 于已知質量的干燥潔凈的玻璃稱量瓶中，放入微波爐，高火模式下烘8 min，對5 次分析結果進行的相對偏差數據見表6。

表6 稱取2.000 0 g式樣檢測相對偏差數據

結論：經分析發現當稱量樣品為2.000 0 g 時相對偏差符合標準要求。

用電子分析天平稱取試樣5.000 0 g 于已知質量的干燥潔凈的玻璃稱量瓶中放入微波爐， 高火模式下烘8 min，對5 次分析結果進行的相對偏差數據見表7。

表7 稱取5.000 0 g式樣檢測相對偏差數據

結論：經分析發現當稱量樣品為5.000 0 g 時相對偏差也符合標準規定。

用電子分析天平稱取試樣10.000 0 g 于已知質量的干燥潔凈的玻璃稱量瓶中，放入微波爐，高火模式下烘8 min，對5 次分析結果進行的相對偏差數據見表8。

表8 稱取10.000 0 g式樣檢測相對偏差數據

結論： 經分析發現當稱量樣品為10.000 0 g 時稱量樣品過多，相對偏差最大為0.35%，不符合標準規定。

最后比較分析： 在稱取4 次不同樣品質量對比下，只有稱取2.000 0 g 和5.000 0 g 時相對偏差符合標準規定，但稱取5.000 0 g 時相比稱量樣品質量過多， 不利于節約成本， 因此最后選擇稱量樣品為（2.000 0±0.5）g（精確至0.000 1 g）。

4.3 結論

經過上述一系列各種實驗對比， 可以發現采用微波爐微波加熱技術， 在用電子分析天平稱取樣品（2.000 0±0.5）g，于高火模式下烘8 min，具有取樣品質量少、分析時間短、耗電量低的優點，完全可以滿足實際生產準確、快速、高效的要求，為最優方案。在實際操作當中，我們采用這種分析方法，進行了多次實驗和對比操作，驗證了該方法的可靠性。

5 結語

使用微波加熱技術稱取樣品（2.000 0±0.5）g 在高火模式下烘8 min 這種改進后的分析方法， 解決了原分析方法中分析時間長，耗電量高的問題，能夠及時準確的為聚合工段提供可靠的數據來指導生產， 為以后的化工生產連續穩定運行提供了便利條件。