壓差法水分測定原理

壓差法水分測定原理主講人：姚漢梁教育培訓部整理上海思爾達科學儀器有限公司前言常用塑料粒子微量水分的測定方法，有壓差法、電解法、卡爾費休法等等。其中壓差法水分測定，以其快速、準確、操作方便、使用成本低（接近于零，而像卡爾費休等方法，試劑耗費龐大）等優(yōu)點已被廣泛應用在化纖、塑料工業(yè)的中間工藝過程中。壓差法水分測定裝置適用于測定極微量的水分。水在低壓狀態(tài)下的沸點很低，因此，在接近真空的壓力狀態(tài)下，水總會以氣態(tài)的形式存在，而隨著壓力的增加，又會重新凝結成水。本講座主要講的是壓差法水分測定的原理，這是一種比較法。先用不同質(zhì)量的具有已知含水率的標準試樣做試驗，得出不同的水分所對應的不同的壓力的標示，然后用待測樣品去做試驗，試驗結果同樣用壓力標示，那么，在所對應的壓力處，根據(jù)原先用標準試樣做得的結果，就可知道該待測樣品的含水量。壓差法水分測定原理引言1．一個有關水分的實驗一塊木塊，我們想知道它的含水量，最簡單的方法是什么呢？首先稱重，這時的重量包括木塊的重量和里面所包含的水分的重量；然后烘干；再稱重，這時的重量就只剩下木塊的重量了。這塊木塊的含水量（即水分含量），即原先這塊木塊所含有的水分，就是二次稱重之差。那末，我們平時所言的含水率是什么呢？注意這里的“率”，其意為“比率”，也可簡單理解為“百分比”，這里的含義是，占有百分之幾。比如，上面的例子中水分含量/原木塊重量＝原木塊的含水率這是個相對值的概念，如原木塊重200g，烘干后為190g，那么，其中的水分含量就是10g，其含水率為5％。要搞清這二個概念，10g水是個絕對值，而5％的含水率是相對值。2．液位的平衡圖1如圖1所示，在U形管內(nèi)加水，在管口都敞開的情況下，二側的壓力是相等的，液位也是相等的。如果使二端管口壓力不等，U形管二側的液位也不會相等。也就是：（1）當U形管二端敞開（壓力相等）二液位處于同一水平面。（2）當U形管一端增加壓力，二側液位發(fā)生變化，增壓端液位下降，另一端液位上升。液位的平衡與不平衡及其變化的程度，均與U形管二端的壓力差有關。壓差法水分測定的原理1．測定裝置的結構圖2圖3試管測定裝置是由壓差管（圖2）、試管（圖3）二套玻璃裝置組合而成。在壓差管中，包含了玻璃泡A、B，充注油的U形管，以及中閥和邊閥，它們一起構成了一個氣密系統(tǒng)（參見圖4）。2．工作原理圖4請參閱圖4（1）當中閥開啟時，U形管二側液面處于同一水平面，二邊壓力差相等（見圖4）。（2）當中閥關閉時，U形管二側液面的高低取決于中閥二側的壓力變化。3．實驗過程（1）開啟中閥，關閉邊閥，在邊閥左側，用真空膠管接上真空規(guī)（它是能夠指示真空程度的裝置）（見圖5a），同時通過緩沖瓶（其原理見后述）接上真空泵（圖6），注意真空規(guī)此時應處于圖5a的位置。系統(tǒng)接好后，如圖7所示。（2）啟動真空泵，再緩緩開啟邊閥，系統(tǒng)抽真空。U形管中加入硅油后第一次抽真空，可能費時需長達小時，因為硅油中混有空氣，抽真空時，將首先把油中的空氣抽出?？梢悦黠@地觀察到油中氣泡的形成。（3）5分鐘后，將真空規(guī)逆時針方向緩慢旋轉90o，至圖5b的位置，看真空規(guī)中水銀在毛細管中的上如不馬上實驗，應置于干燥皿中。b.將加熱爐筒搖至最低，升溫至200℃左右，穩(wěn)定。c.打開空閥，將裝有鉬酸納的試管的錐孔（管口）套上壓差管右側直管下的錐口，稍向上用力（另一只手協(xié)助，防止壓差管斷裂），朝一個方向旋轉數(shù)十圈，以保證密封。d.在試管與加熱爐筒之間墊入一塊隔熱墊塊。e.關閉空閥，抽真空，至＜100Pa（公司內(nèi)部標準≤20Pa）。f.關閉邊閥（也可再關閉真空泵），關閉中閥。g.移去隔熱墊塊，將加熱爐筒換上，試管插入爐筒中間的試管套中。試管底部應與試管套底接觸。小心操作，注意不要損壞。h.油位開始變化，且越來越大，約十分鐘，趨于穩(wěn)定。待變化十分緩慢，不易覺察時，記錄油位的變化Δh。i.開啟中閥，油位恢復平衡，慢慢地開啟邊閥，再慢慢開啟空閥，系統(tǒng)與大氣連通。j.?。ㄐD）下試管，換上另一支裝有標準樣品并已稱重、記錄的試管，重復上述步驟，至已準備的試管全部試驗完畢。由此，得到了5組水分含量（m·w）與油位變化量（Δh）的數(shù)據(jù)，將其標注在m·w－Δh坐標圖上，得到五個點，連接起來就是一條近似的直線（見圖8，圖9）。坐標中m·w是樣品的含水量，其中：W－在這里是，標準樣品的含水率，如鉬酸納為0.14881。m－標準樣品的質(zhì)量，用0.1mg精度的天平稱得，如4.0mg。m與W的乘積即為質(zhì)量的m的樣品中的水分含量。如4.0mg的鉬酸納，內(nèi)含水分為：4mg×14.881％=0.595mg如實驗正確，五點可近似連為一直線，就可求得該m·W的裝置的K值。如不能近似地連為一直線，就要檢查實驗中的問題。如樣品稱重的不正確，氣密性不符合等等。如果我們繼續(xù)增加標準樣品的試驗用量，我們會發(fā)現(xiàn)，當達到一定值時，Δh不再隨樣品量的增加而成比例地增加，甚至不再增加，如圖9實線部分。這表明，由于水分量的增加，對該系統(tǒng)而言已達到了蒸汽的飽和狀態(tài)，如果繼續(xù)增加，還可觀察到玻璃泡壁上出現(xiàn)霧狀水汽凝結，這也就是過飽和蒸汽現(xiàn)象。在此已無使用價值，我們使用的只是直線部分即A點以左區(qū)域。注意，K值與環(huán)境溫度有關，一般保持在250C左右的環(huán)境溫度下，以減少測試誤差。圖9裝配工藝要求1．機械裝配看清圖紙和技術要求，嚴格按圖施工，是每一個操作工人的基本素質(zhì)；憑經(jīng)驗自以為是，不看圖紙，是工作中的大忌。裝配工作，除了必須保證內(nèi)在技術指標，還必須保證產(chǎn)品的外觀?？蛻魧Ξa(chǎn)品的直觀印象將直接關系到客戶對該產(chǎn)品的購買欲。因此，從裝配工人到技術人員、管理人員，必須是一絲不茍、認真把關，確保產(chǎn)品質(zhì)量。（1）玻璃儀器玻璃儀器裝配時要做到輕拿輕放，注意防止破碎。安裝固定部分時要墊軟墊，要順其自然，不能過分用力。玻璃裝置安裝時要自然妥貼。如不能妥貼放置安裝，說明玻璃裝置本身質(zhì)量問題，如是硬性裝配，就可能造成玻璃件的直接破碎，或由于玻璃應力的客觀存在，而在運輸中、使用中、甚至是在靜止一段時期后自然破裂。（2）玻璃裝置與膠管的連接連接時應先在聯(lián)接處涂抹硅脂，讓玻璃裝置聯(lián)接處得以充分潤滑，手扶玻璃件的就近處，然后，再小心地將膠管緩慢地來回旋進。上述要求絕不可掉以輕心，否則，稍不注意，就會造成玻璃件的損壞。（3）閥塞和閥體的安裝閥塞和閥體是加工單位按圖紙要求配磨加工的，密封性要求很高。我們安裝時要對號入座，不能搞錯，否則，直接影響到氣密性，在抽真空時可能達不到要求。我們裝配工在裝配調(diào)試后要把閥塞與閥體用橡皮筋對號定位固定，這樣就不會出現(xiàn)因閥塞和閥體搞錯而發(fā)生的不應該發(fā)生的產(chǎn)品質(zhì)量問題。（4）加硅油時要注意，不要沾污其它地方。如沾污了必須清理干凈，這是個相當麻煩的事，應充分注意。污染的產(chǎn)品是絕對不能出廠的。2．氣密試驗裝置裝配完畢，即可進行氣密試驗：連接真空泵和真空規(guī)。將試管與測試裝置連接。順序開啟中閥和邊閥，關閉空閥。抽真空至＜100Pa（公司內(nèi)部標準在10分鐘內(nèi)抽至≤20Pa）。關閉邊閥（后，也可再關閉真空泵）。關閉中閥，維持1小時，觀察U形管的油面變化應＜1mm。順序開啟中閥，開啟邊閥，開啟空閥。氣密試驗達不到要求，其它再好，也等于零。3．其它裝置的裝配工藝及試驗要求升降裝置升降裝置必須做到靈活、平穩(wěn)、晃動小，晃動過大，將損壞壓差玻璃裝置。加熱筒加熱筒與試管套有硅油作導熱，使熱能能均勻傳遞到試管上（見圖10）。圖10試管和試管套的配合間隙有限，如把試管直接插入加熱爐爐膛，要么，存在有很大間隙，隔了一層空氣，熱傳遞慢且不均勻，要么由于實際上二部件不可能對準，加熱筒上升時的晃動和二部件的中心偏差，將使玻璃部件破裂。所以我們的設計是將試管插入試管套中，再將試管套浸在油里，在試管套和爐膛間有充分的間隙，而間隙中充滿了硅油，既保證了試管和爐膛的自由配合，又保證熱能的均勻傳遞。油的多少，要控制得當，加多了要溢出，加少了也不行，原則上是使油在高溫250℃時滿而不溢為最好。在裝配技術要求上給出了加油的量，應嚴格掌握。此外，還要注意硅油的高溫老化問題，硅油長時間處于高溫狀態(tài)下，會越來越稠，粘度增加，影響導熱，且容積減少，對傳導熱能影響很大。因此，必須經(jīng)常檢查，及時更換，確保裝置的質(zhì)量。4．隔熱墊塊在標定試驗及正式試驗時，加熱爐膛已達到設定溫度并恒溫。在還未進行試驗時，試管離爐膛的距離還是很近的，高溫將烘烤試管，因此，在這二者之間墊入隔熱墊塊（隔熱墊塊是一塊固形的棕色石棉橡膠板），也就是為了使溫度在不需要的時候不要傳到試管上去。5．緩沖瓶緩沖瓶（見圖11）。為了避免在抽真空時，真空泵突然斷電（或抽真空停機），使真空泵油倒灌進玻璃裝置，在真空泵與玻璃測試裝置之間串入緩沖瓶（見圖7），這樣，即使在意外情況下，真空泵油要倒灌入玻璃裝置（此時，裝置中可能處于真空狀態(tài)，而真空泵的另一側卻是大氣壓力），也是灌入緩沖瓶而不致影響玻璃測試裝置。圖11緩沖瓶SF－1裝置的技術指標1．含水率測定范圍SF－1裝置可以測得的最高含水量約為1.5mg,這樣：當試樣質(zhì)量為3g時含水率測定范圍為5～500PPm；當試樣質(zhì)量為0.5g時，含水率測定范圍為30～3000PPm。限定測定范圍的原則是，下限值以肉眼能分辨為限，上限值以系統(tǒng)不產(chǎn)生過飽和蒸汽（即不進入過飽和區(qū)－非線性區(qū)）為度。2．實驗溫度范圍室溫：～250℃顯示誤差：±3℃（在80℃、200℃、220℃點上）溫度波動：±2℃壓差法水分測定的適用范圍壓差法水分測定只適用于5～3000PPm微量水分的測定，不適用于含量較多的水分測定，因此，它特別適用于：1．化纖生產(chǎn)工藝過程中的熔融紡絲前的原料含水率測試；2．真空包裝尼龍6等的含水率測定；3．其它適用此法的水分測定。它還不適用于以下材料的測試：1.在水分逸出時，材料中有其它物質(zhì)也同時逸出的，且其逸出量會明顯影響到水分含量的測試精度的；2.在試驗溫度下，材料結構發(fā)生變化，不能保證水分含量準確測定的。六．一般材料的參考試驗溫度聚酯PET──220℃尼龍66──220℃尼龍6──180℃附：真空規(guī)的水銀加注方法。真空規(guī)在未使用以前，里面的水銀泡是空的，需要用戶在第一次使用前，將水銀灌入，請依據(jù)下法操作：1．配備漏斗1只；2．配備內(nèi)徑Φ6長約100mm橡膠管1根（如使用膠管前，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)有滑石粉或其它之類的東西，必須要清理干凈）；3．將橡膠管兩端分別與漏斗出口和轉動式真空規(guī)接口處套接好；4．傾斜450，將水銀緩慢加入真空規(guī)內(nèi)，灌入量約為10-12ml（見圖12）。