压差法水分测定基础学习知识原理.docx

压差法水分测定原理主讲人：姚汉梁教育培训部整理上海思尔达科学仪器常用塑料粒子微量水分的测定方法，有压差法、电解法、卡尔费休法等等。其中压 差法水分测定，以其快速、准确、操作便利、使用本钱低接近于零，而像卡尔费休等 方法，试剂消耗浩大等优点已被广泛应用在化纤、塑料工业的中间工艺过程中。压差 法水分测定装置适用于测定极微量的水分。水在低压状态下的沸点很低，因此，在接近真空的压力状态下，水总会以气态的形 式存在，而随着压力的增加，又会重分散成水。本讲座主要讲的是压差法水分测定的原理，这是一种比较法。先用不同质量的具有 含水率的标准试样做试验，得出不同的水分所对应的不同的压力的标示，然后用待 测样品去做试验，试验结果同样用压力标示，那么，在所对应的压力处，依据原先用标 准试样做得的结果，就可知道该待测样品的含水量。压差法水分测定原理引言1 一个有关水分的试验一块木块，我们想知道它的含水量，最简洁的方法是什么呢?首先称重，这时的重量包括木块的重量和里面所包含的水分的重量; 然后烘干;再称重，这时的重量就只剩下木块的重量了。这块木块的含水量(即水分含量)，即原先这块木块所含有的水分，就是二次称重之差。那末，我们寻常所言的含水率是什么呢？留意这里的“率”其意为“比率”也可简洁理解为“百 分比”这里的含义是，占有百分之几。比方，上面的例子中水分含量/原木块重量=原木块的含水率这是个相对值的概念，如原木块重 200g，烘干后为 190g，那么，其中的水分含量就是 10g，其 含水率为5%。要搞清这二个概念，10g 水是个确定值，而 5%的含水率是相对值。2 .液位的平衡如图 1 所示，在 U 形管内加水，在管口都放开的状况下，二侧的压力是相等的，液位也是相等的。假设使二端管口压力不等，U 形管二侧的液位也不会相等。也就是:(1 )当 U 形管二端放开(压力相等)二液位处于同一水平面。(2) 当 U 形管一端增加压力，二侧液位发生变化，增压端液位 下降，另一端液位上升。液位的平衡与不平衡及其变化的程度，均与 U 形管二端的压力差有关。压差法水分测定的原理1 .测定装置的构造接真它泵图 3 试管测定装置是由压差管图 2、试管图 3二套玻璃装置组合而成。在压差管中，包含了玻璃泡A、B,充注油的 U 形管，以及中阀和边阀，它们一起构成了一个气密系统参见图 4。2 .工作原理请参阅图 41 当中阀开启时，U 形管二侧液面处于同一水平面，二边压力差相等见图 4。2当中阀关闭时，U 形管二侧液面的凹凸取决于中阀二侧的压力变化。3 .试验过程1开启中阀，关闭边阀，在边阀左侧，用真空胶管接上真空规它是能够指示真空程度的装置见 图5a ，同时通过缓冲瓶其原理见后述接上真空泵图 6 ，留意真空规此时应处于图 5a 的位置。系统接好后，如图 7 所示。(2) 启动真空泵，再缓缓开启边阀，系统抽真空。U 形管中参加硅油后第一次抽真空，可能费时需长达小时，由于硅油中混有空气，抽真空时，将 首先把油中的空气抽出。可以明显地观看到油中气泡的形成。(3) 5 分钟后，将真空规逆时针方向缓慢旋转 900，至图 5b 的位置，看真空规中水银在毛细管中的 上升位置，应V100Pa (公司内部标准 w20Pa)。如未到达要求，将真空规顺时针方向缓慢旋转 90o， 恢复到图 5a 的位置后，连续抽真空过几分钟再看。图 5a 的位置，是真空规在被抽真空时的状态，图 5b 的位置是观看被抽真空所到达真空程度的状 态。(4) 如 10 分钟后，还达不到预期的真空效果，应考虑到系统气密故障的可能性，如到达了预期真空 效果，则抽真空过程完毕。除了在观看真空度的状况下，真空规都应恢复(保持)到图 5a 的状态。(5) 关闭边阀(此时也可以关闭真空泵了，但是必需先关闭边阀)。此时中阀仍旧是开启的，管道内 各处压力相等。(6) 关闭中阀。原来整个管道，通过中阀平衡连通各处压力，现在中阀关闭，只能靠 U 形管中的油, 来传递左右二侧的压力了。假设左右二侧压力保持原态不变，油面也保持原态不变，在同一水平面上。如某处有泄漏、即使是稍微的泄漏，也将使二侧压力不平衡(泄漏侧压力增加)，油位发生变化，泄漏 侧油位下降。固然，假设二侧的泄漏量是一样的，液面也不会发生变化，不过，这种可能性几乎没有。图 5a图 5b图 6 真空泵!1z|«+ -注：1.中阀一一用于连通和关断 U 形管的左右侧;2. 边阀 用于连通和关断 U 形管装置与真空泵，以及大气的连接状态;3. 空阀当空阀开通时，可使真空泵、真空规与大气相连，也可使测试装置与大气相连(此时边阀开启)。4 .水分测定过程上述是在试管内是空的状况，接下来表达的，是在试管内参加含有水分的物质后的状况。在试管内参加待测样品，与压差管连接。关闭空阀、开启中阀、边阀，抽真空至 V100Pa (公司内部标准, w20Pa),越小越好。(3) 关闭边阀(后，也可关闭真空泵)。(4) 关闭中阀。次序千万不行搞错，否则，由于 U 形管二侧压力骤变，其中的油将冲向上边的水平管而难以清洗。(5) 加热试管内的样品。加热样品到什么温度是有肯定要求的, 加热的温度越高，水分跑出来固然越快，但也会导致样品分子构造的破坏。一般试管内样品加热的时 间约 10 分钟左右。(6) 在样品加热过程中，水分渐渐逸出，U 形管右侧油位渐渐下降，到肯定程度10 分钟左右趋于稳定。7 U 形管右侧油位的下降程度用 Ah 表示，见图 4与样品中逸出的水重量有关。我们可以依据油 位的变化，推断出样品中的水分含量。为了知道油位的下降和样品中的水分含量的关系，我们要对这 套装置进展标定。5. 水分测定装置的标定（1） 标定目的如前所述，试验时，不同的水分含量在右侧油面上会产生不同的压力，也就是说，油位会有不同 的下降程度Ah。那么，我们就可以建立一个直角坐标见图 8 ，纵坐标为 mW 表示样品中的水分含 量，横坐标为油位的高度变化 Ah 即下降的距离，那么，我们将用不同的水分含量的样品做的试验, 结果以坐标点的形式标注在坐标系中。可以看到，各点可近似地连接为一条直线。在数学中，纵坐标 为 y，横坐标为 X,假设在坐标系中也有这么根斜线，它的方程式为:y=k 其中，K 即为该直线的斜率。在此，我们同样可以把水重量与油位的变化以下式表示:mW = k- A 其中，K 同样为直线的斜率。Ah假设，我们在水分含量的状况下，做了屡次试验，并得到了这一条直线，那么，在以后的正 式样品的测试中，只要记录 U 形管中的液位的变化 Ah,那么，就可很快地求得样品中的含水量 m W = k - A。一般地，m W 的单位用 g 表示，Ah 的单位用 mm 表示。斜率大小由试验装置主要是压差管的内容积打算，压差管 的玻璃球小，斜率平坦，由于内部空间小，少的水分含量就能产生比较大的压力，如球泡较大，要产 生同样大的压力，就需要有比较多的水分含量了。（2） 标定方法首先要找到一种物质，它应当含有固定的含水率，而且在适宜的高温下，内在的水分子能脱离物质逸出而不致破坏其物质本身。一般状况下，以下几种物质可供我们使用: a .钼酸纳钼酸纳的分子式为 Na2M OO4 2H2O，其分子量为 241.92，在它的分 子式中，含有二个结晶水H2O，其分子量为 36，假设以 W 表示每克该物质中的水分的含量即含水率，那么:一2 局。旳分子呈36如在 5mg 的钼酸纳中，就会有结晶水 0.74405mg,也就是说，在适宜的高温形态下一般 200 C 左右，它们会有 0.74405mg 的水逸出，以蒸汽的状态充塞在处于真空状态的水分测定装置的管道和 右边的玻璃球中，继而对右侧油位面产生压力。b .钨酸纳钨酸纳的分子式为 Na2WO4 .2H20,其分子量为 329.75，二个水分 的分子量为 36，那么:麵=鹭100% = 10. 9U%c .硫酸铜要留意，并不是全部含有结晶水的物质，在适宜的温度下，其 结晶水都能从物质中逸出。这里所介绍的硫酸铜就是这样的。硫酸铜的分子式是 CuSO4 5H20，其分子量为 249.6,但其 5 个结 晶水中，只能逸出 4 个，因此，其含水率：的分子量72 二呼=7二£ 曰+ 100%100% = 23.846%刃3。的分子量249.6我们目前使用的是第一种 目酸纳。选定了试验用的标准样品，我们就可以按以下步骤，进展整个装置的标定工作: a.分 4、8、12、16、20mg 左右称取五种量的钼酸纳。称量必需准确到 0.1mg，记录下来。由于称 量很小，因此，称量时宜直接放入试管底部中称取，不要粘到管壁上，严格防止粘落到管口。称量以 后，如不马上试验，应置于枯燥皿中。b.将加热炉筒摇至最低，升温至 200 °C 左右，稳定。C.翻开空阀，将装有钼酸纳的试管的锥孔管口套上压差管右侧直管下的锥口，稍向上用力另 只手帮助，防止压差管断裂, 朝一个方向旋转数十圈，以保证密封。d. 在试管与加热炉筒之间垫入一块隔热垫块。e. 关闭空阀，抽真空，至 V100Pa 公司内部标准 W20Pa。f. 关闭边阀也可再关闭真空泵，关闭中阀。g. 移去隔热垫块，将加热炉筒换上，试管插入炉筒中间的试管套中。试管底部应与试管套底接触。小 心操作，留意不要损坏。h. 油位开头变化，且越来越大，约格外钟，趋于稳定。待变化格外缓慢，不易觉察时，记录油位的变化 Ah。i. 开启中阀，油位恢复平衡，渐渐地开启边阀，再渐渐开启空阀，系统与大气连通。j. 取旋转下试管，换上另一支装有标准样品并已称重、记录的 试管，重复上述步骤，至已预备的试管全部试验完毕。由此，得到了 5 组水分含量m w与油位变化量Ah的数据，将其标注在 mw -Ah 坐标图上，得到五个点，连接起来就是一条近似的直线见图 8，图 9。坐标中 m w 是样品的含水量，其中:W 在这里是，标准样品的含水率，如钼酸纳为 0.14881。m 标准样品的质量，用 0.1mg 精度的天平称得，如 4.0mg。m 与 W 的乘积即为质量的 m 的样品中的水分含量。如 4.0mg 的钼酸纳，内含水分为: 4mg X14.881 %=0.595mg照试验正确，五点可近似连为始终线，就可求得该 mW 的装置的 K 值。如不能近似地连为始终线，就要检查试验中的问题。如样品称重的不正确，气密性不符合等等。假设我们连续增加标准样品的试验用量，我们会觉察，当到达肯定值时，少不再随样品量的增加 而成比例地增加，甚至不再增加，如图 9 实线局部。这说明，由于水重量的增加，对该系统而言已达 到了蒸汽的饱和状态， 假设连续增加，还可观看到玻璃泡壁上消灭雾状水汽分散，这也就是过饱和蒸 汽现象。在此已无使用价值，我们使用的只是直线局部即 A 点以左区域。留意，K 值与环境温度有关, 一般保持在 25° C 左右的环境温度下，以削减测试误差。装配工艺要求1 .机械装配看清图纸和技术要求，严格按图施工，是每一个操作工人的根本素养；凭阅历自以为是，不看图 纸，是工作中的大忌。装配工作，除了必需保证内在技术指标，还必需保证产品的外观。客户对产品 的直观印象将直接关系到客户对该产品的购置欲。因此，从装配工人到技术人员、治理人员，必需是 一丝不苟、认真把关，确保产品质量。(1 )玻璃仪器玻璃仪器装配时要做到轻拿轻放，留意防止裂开。安装固定局部时要垫软垫，要顺其自然，不能 过分用力。玻璃装置安装时要自然妥贴。如不能妥贴放置安装，说明玻璃装置本身质量问题，如是硬 性装配，就可能造成玻璃件的直接裂开，或由于玻璃应力的客观存在，而在运输中、使用中、甚至是 在静止一段时期后自然裂开。(2 )玻璃装置与胶管的连接连接时应先在联接处涂抹硅脂，让玻璃装置联接处得以充分润滑，手扶玻璃件的就近处，然后, 再留神地将胶管缓慢地来盘旋进。上述要求绝不行掉以轻心，否则，稍不留意，就会造成玻璃件的损 坏。(3) 阀塞和阀体的安装阀塞和阀体是加工单位按图纸要求配磨加工的，密封性要求很高。我们安装时要对号入座，不能 搞错，否则，直接影响到气密性，在抽真空时可能达不到要求。我们装配工在装配调试后要把阀塞与阀体用橡皮筋对号定位固定，这样就不会消灭因阀塞和阀体搞错而发生的不应当发生的产品质量问题。(4) 加硅油时要留意，不要沾污其它地方。如沾污了必需清理干净，这是个相当麻烦的事，应充分注 意。污染的产品是确定不能出厂的。2 .气密试验装置装配完毕，即可进展气密试验: 连接真空泵和真空规。(2) 将试管与测试装置连接。(3) 挨次开启中阀和边阀，关闭空阀。抽真空至 V 100Pa (公司内部标准在 10 分钟内抽至 W20Pa)。(5) 关闭边阀(后，也可再关闭真空泵)。(6) 关闭中阀，维持 1 小时，观看 U 形管的油面变化应 v 1mm。(7) 挨次开启中阀，开启边阀，开启空阀。 气密试验达不到要求，其它再好，也等于零。3 .其它装置的装配工艺及试验要求(1)升降装置升降装置必需做到敏捷、平稳、晃动小，晃动过大，将损坏压差玻璃装置。(2)加热筒加热筒与试管套有硅油作导热，使热能能均匀传递到试管上(见图 10 )。图 10试管和试管套的协作间隙有限，如把试管直接插入加热炉炉膛，要么，存在有很大间隙，隔了一层空气，热传递慢且不均匀，要么由于实际上二部件不行能对准, 加热筒上升时的晃动和二部件 的中心偏差，将使玻璃部件裂开。所以我们的设计是将试管插入试管套中，再将试管套浸在油里，在 试管套和炉膛间有充分的间隙，而间隙中布满了硅油，既保证了试管和炉膛的自由协作，又保证热能的均匀传递。油的多少，要掌握得当，加多了要溢出，加少了也不行，原则上是使油在高温 250 C 时 满而不溢为最好。在装配技术要求上给出了加油的量，应严格把握。此外，还要留意硅油的高温老化 问题，硅油长时间处于高温状态下，会越来越稠，粘度增加，影响导热，且容积削减，对传导热能影 响很大。因此，必需常常检查，准时更换，确保装置的质量。4 .隔热垫块在标定试验及正式试验时，加热炉膛已到达设定温度并恒温。在还未进展试验时，试管离炉膛的 距离还是很近的，高温将烘烤试 管，因此，在这二者之间垫入隔热垫块隔热垫块是一块固形的棕色石棉橡胶板，也就是为了使温度 在不需要的时候不要传到试管上去。5.缓冲瓶缓冲瓶见图 11 。为了避开在抽真空时，真空泵突然断电或抽真空停机，使真空泵油倒灌进 玻璃装置，在真空泵与玻璃测试装置之间串入缓冲瓶见图 7，这样，即使在意外状况下，真空泵油 要倒灌入玻璃装置此时，装置中可能处于真空状态，而真空泵的另一侧却是大气压力，也是灌入缓冲瓶而不致影响玻璃测试装置。图 11 缓冲瓶四. SF1 装置的技术指标1 .含水率测定范围SF 1 装置可以测得的最高含水量约为 1.5mg,这样:当试样质量为 3g 时含水率测定范围为 5500PPm ; 当试样质量为 0.5g 时，含水率测定范围为 303000PPm。限定测定范围的原则是，下限值以肉眼能区分为限，上限值以系统不产生过饱和蒸汽即不进入过饱和区-非线性区为度。2 .试验温度范围室 温:显示误差: 温度波动:±3 C 在 80 C、200 C、220 C 点上五. 压差法水分测定的适用范围压差法水分测定只适用于 5 3000PPm 微量水分的测定，不适用于含量较多的水分测定，因此, 它特别适用于: 1.化纤生产工艺过程中的熔融纺丝前的原料含水率测试;2 .真空包装尼龙 6 等的含水率测定;3 .其它适用此法的水分测定。它还不适用于以下材料的测试: 1.在水分逸出时，材料中有其它物质也同时逸出的，且其逸出量会明显影响到水分含量的测试精度的;2.在试验温度下，材料构造发生变化，不能保证水分含量准确测定的。六. 一般材料的参考试验温度聚酯 PET220 C尼龙 66尼龙 6附:真空规的水银加注方法。真空规在未使用以前，里面的水银泡是空的，需要用户在第一次使用前，将水银灌入，请依据下 法操作: 1 .配备漏斗 1 只； 2 .配备内径6 长约 100 m m 橡胶管 1 根如使用胶管前，觉察其内有滑石粉或其它之类的东西,必需要清理干净； 3 .将橡胶管两端分别与漏斗出口和转动式真空规接口处套接好;4 .倾斜 45°，将水银缓慢参加真空规内，灌入量约为 10-12ml 见图 12 。如无漏斗和胶管，可用硬纸自制喇叭口插入真空规接口处，再将水银灌入，但不够便利，一般不采 用;5 .水银灌入真空规后，必需做好清理工作。寻常如图 5a 放置。图 12备注：真空规的使用方法: 真空规如图 5a 放置，在接口处涂以硅脂后用真空胶管与待测系统连接。 抽真空真空规在图 5a 位置。 测量时把真空规逆时针方向转动 90°到图 5b 的位置。此时真空规内刻度板前右侧玻璃管道中的水银面对准刻度上的零线。 真空规内刻度板前的左侧管道内的水银柱上升后，其水银面所指示的刻度即为系统之真空度。