微波加熱技術(shù)在分散劑固含量分析中的應(yīng)用

鄭 浩，仲 超，張紅艷，金 鑫

（山東魯泰化學(xué)有限公司，山東 濟(jì)寧272000）

山東魯泰化學(xué)有限公司（以下簡稱“魯泰化學(xué)”），前身為濟(jì)寧金威煤電有限公司，成立于2003 年2 月28 日，位于濟(jì)寧市重點規(guī)劃的六大化工園區(qū)之一的山東省魚臺縣張黃工業(yè)園區(qū)。 魯泰化學(xué)的主導(dǎo)產(chǎn)品為燒堿和聚氯乙烯樹脂， 生產(chǎn)工藝為國內(nèi)主流工藝離子膜電解法制堿工藝和濕式電石法生產(chǎn)工藝，設(shè)計生產(chǎn)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(jī)械性能，電性能，耐化學(xué)腐蝕性能較好的工程塑料之一， 根據(jù)不同規(guī)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(zhì)和軟質(zhì)制品， 廣泛用于日常生活和工業(yè)領(lǐng)域。

1 懸浮法PVC 生產(chǎn)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(shù)改進(jìn)和客觀需要的變動，應(yīng)用范圍常有不同。懸浮聚合方法以其生產(chǎn)工藝簡易、便于控制、便于大規(guī)模生產(chǎn)、產(chǎn)品的適應(yīng)性比較強(qiáng)等特點，已經(jīng)成為聚氯乙烯生產(chǎn)的主要生產(chǎn)工藝， 該公司工藝正是采用懸浮聚合生產(chǎn)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(fā)劑，聚乙烯醇為分散劑，水作為分散和傳熱介質(zhì)，并伴有攪拌進(jìn)行反應(yīng)。

其反應(yīng)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(tài)、顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面，是PVC 樹脂的重要指標(biāo)之一，直接影響到后續(xù)加工中增塑劑、穩(wěn)定劑的吸收速度，進(jìn)而影響產(chǎn)品的成型速度和性能。 懸浮生產(chǎn)工藝中，在攪拌固定的條件下，助劑分散劑的種類、 性質(zhì)和用量直接影響著懸浮聚合物粒度、粒徑分布、顆粒形態(tài)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(shù)的發(fā)展，綜合考慮到保護(hù)與隔離、 降低界面張力與提高分散效果的雙重作用， 現(xiàn)在大都采用兩種及兩種以上分散劑共同添加的復(fù)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(hù)能力的雙重功能的助劑， 可以穩(wěn)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(fù)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(hù)能力），就可以達(dá)到降低界面張力和保護(hù)能力的雙重效果。

魯泰化學(xué)PVC 聚合裝置生產(chǎn)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(jìn)行取樣分析， 提供準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)作為用量參考，以滿足生產(chǎn)需要。

目前國內(nèi)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(nèi)干燥2 h，取出并放在干燥器內(nèi)冷卻至室溫， 置于電子分析天平上稱取總質(zhì)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(zhì)量，g；

B—稱量瓶的質(zhì)量，g；

C—樣品的質(zhì)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(fā)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(chǎn)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(dāng)中發(fā)現(xiàn)原有分析方法，分析過程過長、檢測數(shù)據(jù)出具滯后（從取樣到分析樣品最后得出結(jié)果整個過程至少需要3 h以上）， 已經(jīng)不能及時的給聚合工段提供及時的分析數(shù)據(jù)， 作為分散劑用量參考，無法滿足生產(chǎn)需要。而微波加熱技術(shù)以其分析時間短、出具準(zhǔn)確數(shù)據(jù)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(shù)應(yīng)用在化驗工作中， 國際上始于上世紀(jì)80 年代， 其原理是在2 450 Hz 微波電磁場作用下，產(chǎn)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(chǎn)生高熱，促使固體樣品表層快速破裂，產(chǎn)生新的表面與溶（熔）劑作用，使樣品在數(shù)分鐘內(nèi)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(huán)境沾污機(jī)會少，微波溶（熔）樣的操作也容易，所以國內(nèi)外使用微波加熱技術(shù)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(zhì)量的干燥潔凈的玻璃稱量瓶中，放入微波爐，由于該設(shè)備沒有具體溫度，只有低火，中火，高火三種模式，只能逐個進(jìn)行實驗來找到最合適的模式。

將溫度模式調(diào)整為低火， 在低火模式下5 次不同時間加熱，檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 低火不同時間加熱檢測數(shù)據(jù)

結(jié)論： 分析發(fā)現(xiàn)在低火模式下樣品從5 min 開始到30 min 結(jié)束樣品都沒有到達(dá)恒重。 不僅分析所用時間長還不能提供準(zhǔn)確的分析結(jié)果， 所以該模式不可以使用。

將溫度模式調(diào)整為中火， 在中火模式下5 次不同時間加熱，檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 中火不同時間加熱檢測數(shù)據(jù)

結(jié)論： 經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在中火模式下樣品在20 min時就已經(jīng)達(dá)到恒重，但樣品分析時間還是太長，沒有到微波爐要求的數(shù)分鐘內(nèi)達(dá)到分析要求的效果，所以該模式不可以使用。

將溫度模式調(diào)整為高火， 在高火模式下5 次不同時間加熱，檢測數(shù)據(jù)見表3。

結(jié)論：經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)樣品在高火模式下在10 min時達(dá)到了恒重。 最后比較分析3 種模式下在高火模式時樣品達(dá)到恒重用時最短， 滿足微波爐要求的數(shù)分鐘內(nèi)達(dá)到分析要求的效果。

表3 高火不同時間加熱檢測數(shù)據(jù)

為了在滿足分析樣品結(jié)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(jìn)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(shù)據(jù)見表4。

表4 高火縮短加熱時間檢測數(shù)據(jù)

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

4.2.3 樣品質(zhì)量

本著節(jié)能降耗，節(jié)約挖潛的實際生產(chǎn)理念，在高火模式烘8 min 的固定模式下， 通過采用不同質(zhì)量分散劑進(jìn)行微波處理， 尋找最經(jīng)濟(jì)有效的稱量樣品質(zhì)量。

首先是用電子分析天平稱取試樣0.500 0 g 于已知質(zhì)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(jié)果進(jìn)行的相對偏差數(shù)據(jù)見表5。

表5 稱取0.500 0 g式樣檢測相對偏差數(shù)據(jù)

結(jié)論：經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)稱量樣品為0.500 0 g 時樣品質(zhì)量過小相對偏差較大，不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

用電子分析天平稱取試樣2.000 0 g 于已知質(zhì)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(jié)果進(jìn)行的相對偏差數(shù)據(jù)見表6。

表6 稱取2.000 0 g式樣檢測相對偏差數(shù)據(jù)

結(jié)論：經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)稱量樣品為2.000 0 g 時相對偏差符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

用電子分析天平稱取試樣5.000 0 g 于已知質(zhì)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(jié)果進(jìn)行的相對偏差數(shù)據(jù)見表7。

表7 稱取5.000 0 g式樣檢測相對偏差數(shù)據(jù)

結(jié)論：經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)稱量樣品為5.000 0 g 時相對偏差也符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

用電子分析天平稱取試樣10.000 0 g 于已知質(zhì)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(jié)果進(jìn)行的相對偏差數(shù)據(jù)見表8。

表8 稱取10.000 0 g式樣檢測相對偏差數(shù)據(jù)

結(jié)論： 經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

最后比較分析： 在稱取4 次不同樣品質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但稱取5.000 0 g 時相比稱量樣品質(zhì)量過多， 不利于節(jié)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(jié)論

經(jīng)過上述一系列各種實驗對比， 可以發(fā)現(xiàn)采用微波爐微波加熱技術(shù)， 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(zhì)量少、分析時間短、耗電量低的優(yōu)點，完全可以滿足實際生產(chǎn)準(zhǔn)確、快速、高效的要求，為最優(yōu)方案。在實際操作當(dāng)中，我們采用這種分析方法，進(jìn)行了多次實驗和對比操作，驗證了該方法的可靠性。

5 結(jié)語

使用微波加熱技術(shù)稱取樣品（2.000 0±0.5）g 在高火模式下烘8 min 這種改進(jìn)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(zhǔn)確的為聚合工段提供可靠的數(shù)據(jù)來指導(dǎo)生產(chǎn)， 為以后的化工生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定運行提供了便利條件。