聚乙烯醇樹脂黏度測定方法優化探討

楊曉蘭

(中國石化集團重慶川維化工有限公司，重慶 401254)

聚乙烯醇(PVA)是目前已發現的唯一具有水溶性且無毒的高聚物，具有獨特的強力黏接性、氣體阻隔性、耐磨耗性，廣泛應用于紡織、食品、醫藥、建筑、木材加工、造紙、印刷、農業、高分子化工、生物工程等領域[1]。

PVA樹脂的黏度是生產控制和指導用戶使用的一項重要指標，其測定方法主要有國標法和快速法。這兩種方法均是將PVA樣品加水溶解后，再加水補正到一定濃度后進行測定。在推薦性國標GB/T 12010.2-2010《塑料 聚乙烯醇材料(PVAL)第2部分：性能測定》中，配制質量分數分別在4.0% 的一定范圍內的PVA樹脂溶液3份，測定其黏度，同時用重量法測定溶液濃度，然后通過濃度與黏度自然對數關系曲線得出質量分數為4.0% 的PVA樹脂溶液的黏度；而快速法是直接將PVA樣品溶液補正到質量分數4.0% 后，測定其黏度值。由于PVA產品含有乙酸鈉、甲醇、甲酯、水和微量的重金屬等雜質，會對其溶液黏度測定產生一定的影響。現行黏度測定方法扣除了甲醇、甲酯和水等揮發性組分后進行濃度補正，但沒有考慮乙酸鈉的影響，使得黏度測定結果不準確，不能真實反映PVA的性能指標。本文擬對乙酸鈉含量對PVA溶液濃度和黏度的影響及PVA黏度測定方法的優化進行探討。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

1.1.1 儀器

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

1.1.2 試劑

乙酸鈉(分析純,川東化學試劑廠)；各種型號PVA產品(重慶川維化工有限公司)。

1.2 PVA黏度測定操作步驟

1.2.1 國標法操作步驟[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)，準確至0.001 g,放入300 mL燒杯中，加適量水攪拌，加熱使試樣完全溶解，然后冷卻至20℃左右。

2)濃度補正

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

(1)

(2)

式中：mw為所加水的質量，g；m0為PVA試樣的質量，g；wvm為PVA試樣中的揮發分質量分數，%；wNaAC為PVA試樣中的乙酸鈉質量分數，%；c為配制的溶液中PVA的質量分數，%。

3)黏度測定

連接轉子和黏度計，確保轉子垂直。向樣筒內注入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，當讀數穩定時讀數。

4)試液準確質量分數的測定

把預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，準確至0.001 g。吸取約5 g所配制的試液于稱量瓶中，稱量，準確至0.001 g。將其放在沸水浴上蒸發至干，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，準確至0.001 g。重復測定另外兩個試液。

5)質量計算

每份試液的質量分數以ws計，按式(3)計算：

(3)

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

6)繪制曲線并查找樣品黏度

對每一個樣品，按照測定的質量分數和對應的黏度的自然對數繪制曲線，然后從曲線上找出該樣品4.0% 質量分數的黏度值。

1.2.2 快速法操作步驟

1)試樣溶解

稱取燒杯、玻棒和攪拌子的質量，用電子天平稱取8 g試樣，準確至0.001 g,放入300 mL燒杯中，加適量水攪拌，加熱使試樣完全溶解，然后冷卻至20℃左右。

2)濃度補正

冷卻后的試樣，按照公式(1)加水配制成質量分數為4.0%的溶液，溶液補完水后，攪拌均勻，排盡溶液中的氣體。

3)黏度測定

同1.2.1中的(3)。

1.3 實驗方案

1.3.1 乙酸鈉對PVA質量分數和黏度的影響實驗

分別稱取乙酸鈉含量較低的PVA樣品8.0 g 6份，準確至0.001 g, 分別放入300 mL燒杯中，同時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)將溶液質量分數補正至4.0%，充分攪拌，分別用旋轉黏度計測量其黏度，并用重量法測定各溶液濃度，考察乙酸鈉質量分數對樣品溶液濃度及黏度的影響。

1.3.2 不同質量分數計算方式的國標法黏度測試對比實驗

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個質量分數的溶液，測定其質量分數和黏度，并扣除乙酸鈉后計算出純PVA質量分數，即：純PVA溶液質量分數=質量分數×(100-wNaAC)。再分別繪制濃度與黏度的自然對數關系圖，然后再從曲線圖上查出質量分數為4.0%的PVA樹脂溶液的黏度值。考察質量分數計算方式對黏度測定結果的影響。

1.3.3 不同質量分數補正方式的快速法黏度測試對比實驗

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)計算加水量的補正方式，將溶液質量分數補正至4.0%，然后分別用旋轉黏度計測量其黏度，考察質量分數補正方式對黏度測定結果的影響。

2 結果與討論

2.1 乙酸鈉對PVA溶液質量分數和黏度的影響

按照1.3.1的實驗方案進行實驗，測定不同乙酸鈉加入量的PVA溶液質量分數和黏度，并扣除乙酸鈉影響后計算出純PVA質量分數，結果見表1。

表1 樣品中加入乙酸鈉共溶后溶液質量分數和黏度測定結果

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，溶液的質量分數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質量分數基本不變，黏度測定結果無顯著變化，說明外加乙酸鈉只影響溶液的質量分數，但對黏度無影響。

2.2 不同質量分數計算方式對國標法黏度測定結果的影響

按照1.3.2實驗方案進行實驗，測定樣品溶液的質量分數和黏度。1#、2#號樣品質量分數-黏度測定結果分別見表2、表3，1#樣品質量分數-黏度自然對數關系和純PVA質量分數-黏度自然對數關系見圖1、圖2，2#樣品質量分數-黏度自然對數關系及其純PVA質量分數-黏度自然對數關系見圖3、圖4。

表2 1#樣品質量分數-黏度測定結果

表3 2#樣品質量分數-黏度測定結果

圖1 1#樣品質量分數-黏度自然對數關系圖 圖2 1#樣品純PVA溶液質量分數-黏度自然對數關系圖

圖3 2#樣品質量分數-黏度自然對數關系圖 圖4 2#樣品純PVA溶液質量分數-黏度自然對數關系圖

分別從圖1和圖2查出質量分數為4.0% 的溶液黏度值為22.4 mPa·s和22.8 mPa·s,從圖3和圖4查出質量分數為4.0% 的溶液黏度值為30.2 mPa·s和32.7 mPa·s。

綜上所述，采用不同質量分數計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。為更準確測定樣品黏度，質量分數計算方式采用純PVA溶液質量分數=樣品質量分數×(100-wNaAC)更為準確，更能真實體現樣品中純PVA本身產生的黏度值。

2.3 不同質量分數補正方式對快速法黏度測定結果的影響

按照1.3.3實驗方案，將不同型號樣品采用不同質量分數補正方式進行黏度測定實驗，測定結果見表4。

表4 不同型號樣品按兩種質量分數補正方式的黏度測定結果

從表4可看出，對于乙酸鈉含量不同的PVA樣品，按照公式(1)和公式(2)分別計算加水量的方式進行質量分數補正，黏度測定結果存在差異，隨著樣品中乙酸鈉含量的增加，兩種補水方式的黏度相對誤差越來越大。同一樣品按照公式(2)補正方式測定的結果明顯偏高，特別是部分黏度范圍較狹窄的產品，若采用公式(1)很容易出現因黏度不合格而導致產品質量不含格的情況。因此在采用快速法測定 PVA樹脂黏度時，4.0%溶液質量分數的補正方式按照公式(2)進行計算和補正，更能真實體現樣品中 PVA產生的黏度值。

3 結論

1)在純PVA質量分數不變的情況下，試樣中乙酸鈉的質量分數變化對黏度測定值沒有影響。

2) PVA中乙酸鈉含量較高時，需考慮乙酸鈉對黏度值的影響。