聚乙烯醇樹脂黏度測(cè)定方法優(yōu)化探討

楊曉蘭

(中國(guó)石化集團(tuán)重慶川維化工有限公司，重慶 401254)

聚乙烯醇(PVA)是目前已發(fā)現(xiàn)的唯一具有水溶性且無毒的高聚物，具有獨(dú)特的強(qiáng)力黏接性、氣體阻隔性、耐磨耗性，廣泛應(yīng)用于紡織、食品、醫(yī)藥、建筑、木材加工、造紙、印刷、農(nóng)業(yè)、高分子化工、生物工程等領(lǐng)域[1]。

PVA樹脂的黏度是生產(chǎn)控制和指導(dǎo)用戶使用的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其測(cè)定方法主要有國(guó)標(biāo)法和快速法。這兩種方法均是將PVA樣品加水溶解后，再加水補(bǔ)正到一定濃度后進(jìn)行測(cè)定。在推薦性國(guó)標(biāo)GB/T 12010.2-2010《塑料 聚乙烯醇材料(PVAL)第2部分：性能測(cè)定》中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在4.0% 的一定范圍內(nèi)的PVA樹脂溶液3份，測(cè)定其黏度，同時(shí)用重量法測(cè)定溶液濃度，然后通過濃度與黏度自然對(duì)數(shù)關(guān)系曲線得出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0% 的PVA樹脂溶液的黏度；而快速法是直接將PVA樣品溶液補(bǔ)正到質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.0% 后，測(cè)定其黏度值。由于PVA產(chǎn)品含有乙酸鈉、甲醇、甲酯、水和微量的重金屬等雜質(zhì)，會(huì)對(duì)其溶液黏度測(cè)定產(chǎn)生一定的影響。現(xiàn)行黏度測(cè)定方法扣除了甲醇、甲酯和水等揮發(fā)性組分后進(jìn)行濃度補(bǔ)正，但沒有考慮乙酸鈉的影響，使得黏度測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確，不能真實(shí)反映PVA的性能指標(biāo)。本文擬對(duì)乙酸鈉含量對(duì)PVA溶液濃度和黏度的影響及PVA黏度測(cè)定方法的優(yōu)化進(jìn)行探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

1.1.1 儀器

磁力加熱攪拌器(德國(guó)IKA公司)；黏度計(jì)(LVT型，美國(guó)BROOKFIELD公司)；恒溫水槽(HS-4(B),成都儀器廠)；烘箱(CS101-3ABNR，重慶市永生實(shí)驗(yàn)儀器廠)；電子天平(ME204，瑞士梅特勒公司)。

1.1.2 試劑

乙酸鈉(分析純,川東化學(xué)試劑廠)；各種型號(hào)PVA產(chǎn)品(重慶川維化工有限公司)。

1.2 PVA黏度測(cè)定操作步驟

1.2.1 國(guó)標(biāo)法操作步驟[2]

1)試樣溶解

用電子天平分別稱取7.6 g、8.0 g、8.4 g試樣(PVA，下同)，準(zhǔn)確至0.001 g,放入300 mL燒杯中，加適量水?dāng)嚢瑁訜崾乖嚇油耆芙猓缓罄鋮s至20℃左右。

2)濃度補(bǔ)正

冷卻后的試樣，分別按照公式(1)(考慮乙酸鈉的影響時(shí)用公式(2))加水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%、4.0%和4.2%的PVA溶液。溶液補(bǔ)完水后，攪拌均勻，排盡溶液中的氣體。

(1)

(2)

式中：mw為所加水的質(zhì)量，g；m0為PVA試樣的質(zhì)量，g；wvm為PVA試樣中的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wNaAC為PVA試樣中的乙酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；c為配制的溶液中PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

3)黏度測(cè)定

連接轉(zhuǎn)子和黏度計(jì)，確保轉(zhuǎn)子垂直。向樣筒內(nèi)注入16～20 mL已冷卻至20℃左右的試液，恒溫水槽恒定溫度保持在(20.0±0.1)℃，開啟黏度計(jì)，當(dāng)讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)讀數(shù)。

4)試液準(zhǔn)確質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

把預(yù)先清洗干凈的稱量瓶放入溫度為(105±2)℃的干燥箱中，至少干燥1 h。然后放入干燥器中冷卻至室溫，稱量，準(zhǔn)確至0.001 g。吸取約5 g所配制的試液于稱量瓶中，稱量，準(zhǔn)確至0.001 g。將其放在沸水浴上蒸發(fā)至干，然后放入溫度為(105±2)℃的干燥箱中，至少干燥4 h。干燥后，放在干燥器中冷卻至室溫，稱量，準(zhǔn)確至0.001 g。重復(fù)測(cè)定另外兩個(gè)試液。

5)質(zhì)量計(jì)算

每份試液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以ws計(jì)，按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：m1為烘干前試液和稱量瓶的質(zhì)量，g；m2為烘干后試液和稱量瓶的質(zhì)量，g；m3為稱量瓶的質(zhì)量，g。

6)繪制曲線并查找樣品黏度

對(duì)每一個(gè)樣品，按照測(cè)定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和對(duì)應(yīng)的黏度的自然對(duì)數(shù)繪制曲線，然后從曲線上找出該樣品4.0% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黏度值。

1.2.2 快速法操作步驟

1)試樣溶解

稱取燒杯、玻棒和攪拌子的質(zhì)量，用電子天平稱取8 g試樣，準(zhǔn)確至0.001 g,放入300 mL燒杯中，加適量水?dāng)嚢瑁訜崾乖嚇油耆芙猓缓罄鋮s至20℃左右。

2)濃度補(bǔ)正

冷卻后的試樣，按照公式(1)加水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%的溶液，溶液補(bǔ)完水后，攪拌均勻，排盡溶液中的氣體。

3)黏度測(cè)定

同1.2.1中的(3)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1 乙酸鈉對(duì)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度的影響實(shí)驗(yàn)

分別稱取乙酸鈉含量較低的PVA樣品8.0 g 6份，準(zhǔn)確至0.001 g, 分別放入300 mL燒杯中，同時(shí)向各燒杯中加入一定量乙酸鈉，使mNaAc/mPVA分別為1.00%、2.00%、3.00%、4.00%、5.00%,加水溶解，然后按照公式(1)將溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)補(bǔ)正至4.0%，充分?jǐn)嚢瑁謩e用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量其黏度，并用重量法測(cè)定各溶液濃度，考察乙酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)樣品溶液濃度及黏度的影響。

1.3.2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算方式的國(guó)標(biāo)法黏度測(cè)試對(duì)比實(shí)驗(yàn)

分別選取乙酸鈉含量較低和較高的PVA樣品(1#：w(NaAc)=0.42；2#：w(NaAc)=2.57)，按照1.2.1操作分別配制3個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液，測(cè)定其質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度，并扣除乙酸鈉后計(jì)算出純PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即：純PVA溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)=質(zhì)量分?jǐn)?shù)×(100-wNaAC)。再分別繪制濃度與黏度的自然對(duì)數(shù)關(guān)系圖，然后再?gòu)那€圖上查出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%的PVA樹脂溶液的黏度值。考察質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算方式對(duì)黏度測(cè)定結(jié)果的影響。

1.3.3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)補(bǔ)正方式的快速法黏度測(cè)試對(duì)比實(shí)驗(yàn)

取乙酸鈉含量不同的PVA樣品溶解后，分別采用基于公式(1)和公式(2)計(jì)算加水量的補(bǔ)正方式，將溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)補(bǔ)正至4.0%，然后分別用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量其黏度，考察質(zhì)量分?jǐn)?shù)補(bǔ)正方式對(duì)黏度測(cè)定結(jié)果的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 乙酸鈉對(duì)PVA溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度的影響

按照1.3.1的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定不同乙酸鈉加入量的PVA溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度，并扣除乙酸鈉影響后計(jì)算出純PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見表1。

表1 樣品中加入乙酸鈉共溶后溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度測(cè)定結(jié)果

從表1看出，同樣量的PVA樣品在加入不同量的乙酸鈉與其在加熱條件下溶解后，溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨乙酸鈉的加入量增加逐漸升高，扣除乙酸鈉后溶液中純PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變，黏度測(cè)定結(jié)果無顯著變化，說明外加乙酸鈉只影響溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但對(duì)黏度無影響。

2.2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算方式對(duì)國(guó)標(biāo)法黏度測(cè)定結(jié)果的影響

按照1.3.2實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定樣品溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度。1#、2#號(hào)樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度測(cè)定結(jié)果分別見表2、表3，1#樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度自然對(duì)數(shù)關(guān)系和純PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度自然對(duì)數(shù)關(guān)系見圖1、圖2，2#樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度自然對(duì)數(shù)關(guān)系及其純PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度自然對(duì)數(shù)關(guān)系見圖3、圖4。

表2 1#樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度測(cè)定結(jié)果

表3 2#樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度測(cè)定結(jié)果

圖1 1#樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度自然對(duì)數(shù)關(guān)系圖 圖2 1#樣品純PVA溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度自然對(duì)數(shù)關(guān)系圖

圖3 2#樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度自然對(duì)數(shù)關(guān)系圖 圖4 2#樣品純PVA溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度自然對(duì)數(shù)關(guān)系圖

分別從圖1和圖2查出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0% 的溶液黏度值為22.4 mPa·s和22.8 mPa·s,從圖3和圖4查出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0% 的溶液黏度值為30.2 mPa·s和32.7 mPa·s。

綜上所述，采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算方式繪制曲線后得出樣品的黏度值是不同的，且樣品中乙酸鈉含量越高，差值越大。為更準(zhǔn)確測(cè)定樣品黏度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算方式采用純PVA溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)=樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)×(100-wNaAC)更為準(zhǔn)確，更能真實(shí)體現(xiàn)樣品中純PVA本身產(chǎn)生的黏度值。

2.3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)補(bǔ)正方式對(duì)快速法黏度測(cè)定結(jié)果的影響

按照1.3.3實(shí)驗(yàn)方案，將不同型號(hào)樣品采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)補(bǔ)正方式進(jìn)行黏度測(cè)定實(shí)驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果見表4。

表4 不同型號(hào)樣品按兩種質(zhì)量分?jǐn)?shù)補(bǔ)正方式的黏度測(cè)定結(jié)果

從表4可看出，對(duì)于乙酸鈉含量不同的PVA樣品，按照公式(1)和公式(2)分別計(jì)算加水量的方式進(jìn)行質(zhì)量分?jǐn)?shù)補(bǔ)正，黏度測(cè)定結(jié)果存在差異，隨著樣品中乙酸鈉含量的增加，兩種補(bǔ)水方式的黏度相對(duì)誤差越來越大。同一樣品按照公式(2)補(bǔ)正方式測(cè)定的結(jié)果明顯偏高，特別是部分黏度范圍較狹窄的產(chǎn)品，若采用公式(1)很容易出現(xiàn)因黏度不合格而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不含格的情況。因此在采用快速法測(cè)定 PVA樹脂黏度時(shí)，4.0%溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的補(bǔ)正方式按照公式(2)進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)正，更能真實(shí)體現(xiàn)樣品中 PVA產(chǎn)生的黏度值。

3 結(jié)論

1)在純PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的情況下，試樣中乙酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)黏度測(cè)定值沒有影響。

2) PVA中乙酸鈉含量較高時(shí)，需考慮乙酸鈉對(duì)黏度值的影響。