紡織品萃取液pH值自動化測試相關問題的探討

在日常生活中，人們每天都要使用、接觸紡織產品，紡織品pH值若過低或過高均會破壞人體皮膚表面弱酸性環境，引起瘙癢，使皮膚容易受到病菌的侵害，進一步引發皮炎等癥狀。因此國家強制標準GB 18401—2010《國家紡織產品基本安全技術規范》[1]對紡織產品的pH值有明確要求，嬰幼兒紡織產品需符合A類要求（4.0～7.5），直接接觸皮膚的紡織產品至少符合B類要求（4.0～8.5），非直接接觸皮膚的紡織產品至少符合C類要求（4.0～9.0），并指定紡織產品的pH值測試方法為GB/T 7573—2009《紡織品水萃取液pH值的測定》[2]。作為一個強制性的檢測項目，pH值是檢測數量最多的檢驗項目之一。

隨著時代的進步，我們的工業已經進入了自動化時代和信息化時代。通過自動化及信息化手段，實現檢測項目的自動化，能夠極大地解放人力，提高檢驗效率，具有深遠的意義。測試方法GB/T 7573—2009適用于各種紡織品，測試步驟較少且不需根據樣品的纖維成分、組織結構、顏色進行調整，因此該方法測試時一般是通過批量處理的方式進行，該方法實現自動化的可行性較高，目前已有針對這方面的研究，但研究方向主要集中在樣品萃取及萃取液批量測試上，對該方法其他環節的自動化研究較少。

1 GB/T 7573—2009各環節的要點及目前對其實現自動化的研究進展

要實現檢驗的自動化，需分析該測試方法的各個環節。GB/T 7573—2009檢驗流程主要有以下環節：pH計的校準、樣品的處理及稱量、萃取介質的配制及分裝、樣品的萃取、電極的潤洗及測試。

1.1 pH計的校準

pH值為溶液中氫離子濃度的負對數（pH=-log10[c(H+)/(mol/L)]）其數值用以表征溶液中的酸堿程度。對于溶液X，測出伽伐尼電池的電動勢Ex。pH值由測量電池的電動勢而得，該電池通常由飽和甘汞電極為參比電極，玻璃電極（氫離子選擇性電極）為指示電極所組成。根據能斯特方程，在25℃時，溶液中每變化1個pH單位，電位差改變為59.16mV，此電位差在儀器中通過換算即可得到溶液pH值。由于玻璃電極生產過程中不可避免的誤差，以及電極在使用過程中出現的讀數漂移，使得玻璃電極測量溶液pH時所得結果與實際pH值可能存在差異，因此需定期對pH電極進行校準。緩沖溶液具備一定的緩沖容量和抗稀釋能力，其pH值比較穩定，所以一般使用其對pH電極進行校準，修正儀器的讀數。現市面上的pH計一般都帶有內置的校準功能，可根據校準結果自動將測試溶液的電位差轉化成pH值。

按GB/T 7573—2009要求，使用的緩沖溶液pH值在4、7和9左右，標準附錄提供的緩沖溶液分別是鄰苯二甲酸氫鉀溶液、磷酸二氫鉀和磷酸氫二鈉溶液，四硼酸鈉溶液。

由于不同型號的電極對校準結果要求不同，而且若pH因長時間使用或意外故障導致校準結果不滿足要求需要對其進行更換后重新校準，建議校準環節以人手操作的方式進行，避免因電極校準出現樣品測量結果偏離。

1.2 樣品的處理及稱量

現針對檢測樣品自動稱量的研究相對較少，針對固體自動稱量的研究目前主要集中在生產及加工領域。內蒙古民族大學劉光宇等根據銅基粉末冶金材料特性設計出一套自動稱量系統，能夠實現高精度高效率自動稱量，為摩擦塊冷壓成型提供滿足質量要求的原料[5]。河源職業技術學院賀小艷為實現奶粉生產的自動配料、自動稱量、自動監控，提高生產企業自動化程度，設計一種基于DSP芯片TMS320F2812的自動配料稱量控制系統[6]。阿拉善職業技術學院田智慧等為了實現配料稱量過程的自動化控制，數據的實時監控，提高配料環節的生產效率以及稱量包裝精度，設計了一套自動稱量配料控制系統[7]。貴州師范大學張正勛等設計一種基于單片機控制的中藥材自動取藥機，在抓藥過程無人工參與，避免了人為誤差、降低勞動強度，提高了抓取中藥的效率[8]。

目前針對固體自動稱量的研究主要集中在生產及加工領域，研究方向基本是從大批量原料中準確定量進行分配，運作模式是“一”（大量）對“多”（重復小量）。但此模式不完全適用于檢測領域。

檢測領域與生產及加工領域最大的不同點在于，檢測領域的運作模式是“多”（不同樣品）對“更多”（不同樣品重復測試），而且由于樣品不同，檢測樣品的過程需要考慮到測試過程中避免交叉污染。按GB/T 7573—2009要求，樣品需裁剪為約5mm×5mm的大小，目的是萃取過程樣品能夠迅速潤濕。然后將裁剪好的樣品稱取（2.00±0.05）g轉移至250mL具塞玻璃瓶中。樣品的裁剪步驟目前可通過氣動裁樣機及粉碎機或其他可以將紡織面料裁剪為小塊的設備實現儀器操作。但若需實現將裁剪后的樣品定量轉移至容器，因部分紡織面料容易產生靜電，樣品的裁剪、稱量及轉移過程中容易因靜電粘附在容器上，需考慮以氣流或其他方式將粘附樣品進行清除，防止交叉污染。

1.3 萃取介質的配制及分裝

按GB/T 7573—2009要求，可以選擇符合GB/T 6682三級水要求的試驗用水或者以之配制的0.1mol/L的氯化鉀溶液作為萃取介質。因標準注明“當某種樣品使用水和氯化鉀溶液的測定結果發生爭議時，推薦采用氯化鉀溶液作為萃取介質的測定結果”，建議選擇氯化鉀溶液作為萃取介質。

溶液的配制及分裝裝置目前市面上有多種型號，該種裝置的技術比較成熟，但該種裝置在使用過程中仍可能出現一些問題。氯化鉀作為強酸強堿鹽，化學穩定性較好，但其鹽溶液對金屬有腐蝕性，鐵材質的部件接觸氯化鉀溶液容易出現銹蝕現象，污染溶液，不銹鋼材質短時間接觸氯化鉀溶液未出現銹蝕現象，但長時間使用亦有該現象出現。因此，建議配制及分裝裝置中接觸溶液的相關部件選用非金屬部件，其化學性質對鹽溶液穩定，使用過程中不會污染溶液。

現針對溶液分液裝置的研究較多。中國礦業大學鄭誠等為解決浮選藥劑添加過程中自動化程度低、加藥精度低、藥劑消耗量大等問題，研制了一種主要由儲藥箱、除雜裝置和防護柜體組成，以蠕動泵為執行機構的浮選自動加藥裝置[9]。神華寧夏煤業集團王海峰為解決浮選過程中人工加藥的不準確性和不穩定性，研究采用蠕動泵為執行機構構建浮選自動加藥系統，并進行試驗探究其精度。經過大量的試驗表明，在選擇以200 mL為標準校準時，捕收劑的誤差精度小于4%，起泡劑的誤差精度小于1%[10]。陜西科技大學黃寶柱圍繞高精度定量閥的機械結構及控制單元設計、加減速定位控制和位置閉環智能控制三個方面展開研究工作，選擇定位精度相對較高的步進電機作為驅動部件，然后結合減速器、閥體等零部件，設計了高精度定量閥的整體機械結構[11]。

現大部分蠕動泵及電磁閥的分液裝置都是通過設定分液時間進行流量的控制，溶液的流速對分液量有影響。裝有溶液的容器在溶液的“分裝—配制—分裝”過程中，溶液的液面高低會出現變化，部分分液裝置在容器不同液面高度時，分液的流速不一致，致使最終分液的體積出現差異，使用該種裝置時需留意此影響。

1.4 樣品的萃取

按GB/T 7573—2009要求，樣品萃取過程中要保證樣品內部與萃取液之間進行充分的液體交換，標準對振蕩頻率定了最低要求，為往復式至少60次/min，旋轉式至少30周/min。

對容易潤濕的樣品，往復式60次/min及旋轉式30周/min的振蕩頻率能使萃取液充分潤濕樣品，即使提高振蕩頻率，萃取效果及測試結果不會出現明顯變化。但部分較難潤濕的樣品（如經拒水處理），低頻率的振蕩方式不能使其充分潤濕，此類樣品的振蕩頻率不能選擇標準中的最低值。

進行自動化測試時，選擇振蕩參數需考慮此因素。

1.5 電極的潤洗及測試

按GB/T 7573—2009要求，3份萃取液的第一份是不記錄測試數據，其作用對測試電極做潤洗，消除上一份樣品測試及清洗的干擾，然后測試第二及第三份萃取液，以其測試數據作為測試結果。

按標準的操作流程，樣品萃取后，需將萃取液需從250mL具塞玻璃瓶中倒入燒杯中，再使用pH電極測試，此舉的目的將提高溶液的液面（萃取液在250mL具塞玻璃瓶中液面僅有約1cm）。

進行自動化測試時，由于電極需要進行長時間的自動測試，因此其測試數據的準確性及穩定性顯得十分重要，建議在連續測試的過程中穿插標準樣品進行準確性評估，確保結果不會因電極讀數漂移出現異常。由于樣品萃取液，特別是堿性樣品的萃取液，若長時間暴露在空氣環境下，空氣中二氧化碳氣體可能對結果造成影響，測試時需考慮此因素。

針對此環節的自動化運作目前研究不是很多。中紡協（北京）檢驗技術服務有限公司賀志鵬等發明了一種紡織品pH值自動測試設備，樣品箱內設有若干層隔板，每個隔板上可滑動設有樣品架，樣品架在隔板上限位滑動，每個樣品架均連接一個振蕩裝置，振蕩裝置設于樣品箱外側，自動取液機構將待測液吸取后放置到每個試管內，pH值自動測定機構對待測液體進行pH測定[12]。北京和眾視野科技有限公司彭湘洲等研究了一種紡織品pH值自動測試及評級系統實用新型，包括底座、沖洗裝置、pH計電極、旋轉軸、帶有數據傳輸功能的pH計主機、計算機、控制盒、水泵控制裝置、測試工位[13]。

實驗室之前試驗以100mL的三角瓶對樣品進行萃取，然后在小三角瓶直接測量溶液的pH值。通過比對數據發現，部分按GB/T 7573—2009測試的樣品結果與此方法的測試結果有明顯差異，差異集中在pH結果在7～8的樣品（按GB/T 7573—2009測試），通過分析，可能是由于100mL的三角瓶在裝入樣品及100mL萃取介質后，三角瓶已基本填滿，但250mL三角瓶在裝入樣品及100mL萃取介質后，容器內仍有較多空氣存在，弱堿性樣品萃取過程中容易被密封容器中的帶二氧化碳的空氣中和，而100mL的三角瓶則沒有發生其中和現象。

2 測試程序結合及自動化測試的展望

實現檢測項目的自動化，能夠極大地解放人力，提高檢驗效率，具有深遠的意義，目前在此方面已經有不少的研究，但對標準GB/T 7573—2009自動化的研究，研究方向主要集中在樣品萃取及萃取液批量測試上，對該方法其他環節的自動化研究較少，對整個測試項目的各環節自動化設備進行整合交互的研究則更少，具有良好的發展前景。若要實現此目的，需要通過機械及軟件程序對各測試步驟進行整合及交換，需要花費較多時間對機械設計及調試、軟件編寫進行仔細的整合，在進行這方面的研究時，亦要重視相關檢驗細節，以確保自動化設備的測試結果與標準操作一致，并能保持穩定。