Xác định hàm lượng nước trong chất dẻo theo ISO 15512
Trong ngành kỹ thuật nhựa, thuật ngữ “xác định hàm lượng nước” chỉ các quy trình phân tích dùng để đo lượng nước có trong vật liệu nhựa tại thời điểm thử nghiệm. Tiêu chuẩn quốc tế chính về phép xác định này là ISO 15512:2019, áp dụng cho nhựa dạng bột, dạng hạt và sản phẩm hoàn thiện. Theo danh mục chính thức của ISO, tiêu chuẩn này vẫn còn hiệu lực; ISO đã rà soát và xác nhận ấn bản năm 2019 vào năm 2024. [1][3]
Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn hẹp hơn so với thoạt nhìn. ISO 15512 không đề cập đến quá trình hấp thụ nước lâu dài của polyme trong môi trường ẩm hoặc khi ngâm trong nước. Thay vào đó, tiêu chuẩn quy định việc xác định hàm lượng nước có sẵn trong mẫu tại thời điểm phân tích. Bản thân tiêu chuẩn nêu rõ sự khác biệt này khi khẳng định rằng các phương pháp trong tiêu chuẩn không dùng để khảo sát động học và trạng thái cân bằng của quá trình hấp thụ nước theo ISO 62. Sự phân biệt này rất quan trọng vì hàm lượng nước và độ hấp thụ nước phục vụ các mục đích đánh giá khác nhau trong công nghiệp. [1][3][4]
Trong thực tế, việc xác định hàm lượng nước rất quan trọng vì độ ẩm dư có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của quá trình gia công, chất lượng sản phẩm và sự phân hủy polyme. Độ ẩm trong nguyên liệu đầu vào có thể gây ra hiện tượng tạo bọt, khó tháo khuôn, biến động độ nhớt, bọt khí, vệt sọc, lỗ rỗng và khuyết tật tại đường hàn, còn việc sấy sơ bộ không đầy đủ có thể ảnh hưởng đến các công đoạn tiếp theo như phủ bề mặt hoặc mạ. Một số loại nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật, bao gồm polycarbonate, polyamide, polyarylate và polyester, thường phải được sấy khô trước khi gia công ở trạng thái nóng chảy. [5]
Xác định hàm lượng nước trong nhựa
Theo ISO 15512, hàm lượng nước được biểu thị bằng phần khối lượng của nước, tính bằng phần trăm. Khái niệm này được xác định theo phương pháp phân tích cụ thể chứ không mang tính trừu tượng: mỗi phương pháp xác định lượng nước được giải phóng, chiết, chuẩn độ hoặc phát hiện bằng phương thức khác trong các điều kiện phân tích quy định. Điều này khác với các hiện tượng liên quan đến độ ẩm của polyme theo nghĩa rộng hơn, có thể bao gồm khuếch tán, hấp thu, trương nở và lão hóa dài hạn. Hướng dẫn của NPL về độ ẩm trong vật liệu polyme xếp các hiện tượng rộng hơn này vào phạm vi phép thử hấp thụ và khuếch tán, thay vì xác định trực tiếp hàm lượng nước. [1][4]
Sự phân biệt này cũng lý giải vì sao ISO 15512 và ISO 62 bổ trợ cho nhau chứ không thay thế nhau. ISO 15512 giúp giải đáp các câu hỏi phục vụ kiểm soát quá trình, chẳng hạn như “Hiện lô vật liệu nhựa hoặc thành phẩm này chứa bao nhiêu nước?” Ngược lại, ISO 62 đề cập đến cách chất dẻo hấp thụ nước theo thời gian trong các điều kiện tiếp xúc được kiểm soát và, trong một số trường hợp, cách xác định đặc tính khuếch tán ẩm. [1][3][4]
Hàm lượng nước trong polyme và nhựa
Việc xác định hàm lượng nước đặc biệt quan trọng đối với các polyme có tính hút ẩm hoặc nhạy với sự thủy phân. Cẩm nang về nhựa Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften phân loại nhựa nhiệt dẻo thành ba trường hợp: thường không cần sấy, độ ẩm chủ yếu gây ảnh hưởng do hiện tượng hấp thụ nước, hoặc độ ẩm có thể dẫn đến phân hủy do thủy phân ở nhiệt độ gia công. Đối với trường hợp cuối cùng, cẩm nang liệt kê polycarbonate và một số loại polyester, còn polyamide là trường hợp mà cả ảnh hưởng do hấp thụ nước lẫn độ nhạy trong quá trình gia công đều đáng lưu ý. [5]
Cũng trong cẩm nang này có một ví dụ dành riêng cho PET. Trong phần về nguyên liệu PET, tài liệu nêu rõ hạt PET phải được sấy khô để ngăn ngừa suy giảm do thủy phân; đồng thời nhấn mạnh rằng phép xác định Karl Fischer đặc biệt phù hợp để đo độ ẩm và đề cập đến các phương pháp thích hợp cho quy trình công nghiệp. Điều này cho thấy việc xác định hàm lượng nước không chỉ là một phép thử trong phòng thí nghiệm mà còn là công đoạn liên quan trực tiếp đến độ ổn định của nhựa nóng chảy, khả năng duy trì độ nhớt nội tại và tính năng của thành phẩm. [5]
ISO 15512:2019 và phạm vi áp dụng
ISO 15512:2019 do Tiểu ban SC 5 về tính chất hóa lý thuộc Ban kỹ thuật ISO/TC 61 về chất dẻo biên soạn. Theo bản tiếng Anh đã công bố, ấn bản thứ năm thay thế ISO 15512:2016; thay đổi kỹ thuật chính là bổ sung hai phương pháp thay thế, Phương pháp D và E.
Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn bao gồm chất dẻo ở dạng bột, hạt và thành phẩm. Tiêu chuẩn quy định các giới hạn phát hiện sau: 0,1 % đối với Phương pháp A, 0,01 % đối với Phương pháp B và C, 0,01 % đối với Phương pháp D và 0,001 % đối với Phương pháp E. Tiêu chuẩn cũng lưu ý rằng các giới hạn phát hiện này phụ thuộc vào khối lượng mẫu tối đa có thể sử dụng. Nói cách khác, đây không phải là các mức được bảo đảm áp dụng chung, bất kể khối lượng mẫu hay nền mẫu. [1]
Một điểm khác cần lưu ý là không phải phương pháp nào cũng phù hợp như nhau với mọi nền mẫu. Tiêu chuẩn nêu rằng Phương pháp D phù hợp với một số vật liệu, gồm PA, PC, PP, PE, nhựa epoxy, PET, polyester, PTFE, PVC, PLA và PAI, nhưng đặc biệt không khuyến nghị sử dụng phương pháp này cho các mẫu có thể giải phóng amoniac. Ngược lại, Phương pháp A, B và E được mô tả là nhìn chung phù hợp với mọi loại chất dẻo và mọi mức hàm lượng nước. [1]
Các phương pháp quy định trong ISO 15512
ISO 15512 quy định năm phương pháp khác nhau để xác định hàm lượng nước trong chất dẻo. Các nguyên lý phân tích khác biệt đáng kể; nhờ đó, tiêu chuẩn này phù hợp với nhiều loại nền mẫu và dải hàm lượng nước khác nhau. [1]
Phương pháp A sử dụng methanol khan để chiết, sau đó xác định lượng nước đã chiết bằng phương pháp chuẩn độ Karl Fischer. Phương pháp này áp dụng cho mọi loại chất dẻo và hạt có kích thước nhỏ hơn 4 mm × 4 mm × 3 mm, đồng thời cũng có thể dùng cho một số loại bột tiền polyme không tan trong methanol. Cơ sở phân tích theo tiêu chuẩn của phương pháp này là ISO 760 về phương pháp Karl Fischer tổng quát. [1][2]
Phương pháp B1 và Phương pháp B2 đều dựa trên kỹ thuật hóa hơi. Ở Phương pháp B1, mẫu được gia nhiệt trong lò ống; lượng nước thoát ra được dòng khí khô hoặc dòng nitơ đưa đến buồng chuẩn độ, nơi hàm lượng nước được xác định bằng chuẩn độ Karl Fischer hoặc phép đo điện lượng. Phương pháp B2 áp dụng nguyên lý cơ bản tương tự, nhưng quá trình hóa hơi diễn ra trong lọ mẫu được gia nhiệt thay vì trong lò ống. [1]
Phương pháp C là phương pháp chân không dùng áp kế. Mẫu được gia nhiệt trong điều kiện chân không và hàm lượng nước được xác định dựa trên mức tăng áp suất đo được. Tiêu chuẩn nêu rõ phương pháp này không phù hợp với các mẫu nhựa chứa các hợp chất dễ bay hơi khác với hàm lượng đủ cao để làm tăng đáng kể áp suất hơi ở nhiệt độ phòng. Vì vậy, cần định kỳ kiểm tra sự hiện diện của các chất dễ bay hơi này, đặc biệt đối với các loại hoặc cấp vật liệu mới. [1]
Phương pháp D là phương pháp nhiệt điện lượng, sử dụng buồng đo chứa điphotpho pentaoxit. Nước trong mẫu được hóa hơi rồi được dòng không khí khô hoặc nitơ vận chuyển đến buồng cảm biến và định lượng bằng phép đo điện lượng. Phương pháp này cũng có hạn chế chung là các hợp chất dễ bay hơi có thể gây nhiễu; đặc biệt, phương pháp không phù hợp khi có amoniac hoặc amin vì chúng có thể phản ứng với lớp phủ P2O5 mang tính axit trên cảm biến. [1]
Phương pháp E là phương pháp dựa trên canxi hiđrua. Nước được giải phóng nhờ kết hợp gia nhiệt và chân không, sau đó phản ứng với canxi hiđrua tạo thành hiđro và canxi hiđroxit; độ tăng áp suất sinh ra được dùng để định lượng. Tiêu chuẩn nêu rõ rằng các cấu tử dễ bay hơi không phản ứng với canxi hiđrua sẽ ngưng tụ trong bẫy lạnh nên không ảnh hưởng đến phép đo. [1] (ISO)
Xử lý mẫu, lựa chọn nhiệt độ và khả năng so sánh kết quả
Một trong những điểm thực tiễn quan trọng nhất của ISO 15512 không nằm ở bản thân từng phương pháp mà ở phần mở đầu. Tiêu chuẩn nêu rõ rằng kết quả xác định hàm lượng nước trong nhựa thường khó so sánh giữa các phòng thí nghiệm, đồng thời chỉ ra rằng bao gói mẫu, cách thao tác mẫu cùng sự khác biệt về thiết bị và thông số cài đặt là những nguyên nhân chính. Tiêu chuẩn khuyến nghị sử dụng túi kín không thấm hơi nước hoặc bình thủy tinh chuyên dụng và, nếu có thể, thao tác mẫu trong môi trường nitơ khô hoặc không khí khô. [1]
Quan điểm này phù hợp với các hướng dẫn tổng quát hơn về phép đo độ ẩm. Hướng dẫn về độ ẩm của NPL nhấn mạnh rằng để thu được dữ liệu đáng tin cậy về hàm lượng ẩm trong vật liệu polyme, cần bảo đảm các điều kiện mang tính đại diện, đồng thời xem xét kỹ những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ẩm cũng như chất lượng phép đo. Vì vậy, yêu cầu của ISO 15512 về bao gói cẩn thận và tuân thủ nghiêm ngặt quy trình không phải là chi tiết thứ yếu mà là một phần trong cơ sở đo lường của phương pháp. [4]
Lựa chọn nhiệt độ là một vấn đề then chốt khác. ISO 15512 không quy định một nhiệt độ áp dụng chung cho các phương pháp hóa hơi. Tiêu chuẩn lưu ý rằng phương pháp đo áp suất chân không thường sử dụng nhiệt độ 200 °C, nhưng nhiệt độ này có thể quá cao đối với một số polyme trùng ngưng vì các phản ứng ngưng tụ hoặc phân hủy có thể sinh ra nước. Nếu nhiệt độ quá thấp, nước sẽ không hóa hơi hoàn toàn; nếu quá cao, quá trình phân tích có thể sinh thêm nước thay vì chỉ đo hàm lượng nước vốn có. Vì vậy, Phụ lục B được dành riêng cho việc lựa chọn nhiệt độ và thời gian gia nhiệt tối ưu. [1]
Ưu điểm và hạn chế của tiêu chuẩn
Một ưu điểm lớn của ISO 15512 là tiêu chuẩn này không bắt buộc áp dụng một nguyên lý phân tích duy nhất cho mọi loại nhựa. Thay vào đó, tiêu chuẩn quy định các phương pháp chiết, hóa hơi, đo áp suất, nhiệt-điện lượng và sử dụng canxi hiđrua trong một khuôn khổ tiêu chuẩn hóa thống nhất. Tính linh hoạt này rất hữu ích vì các loại nhựa khác nhau đáng kể về dạng vật lý, hàm lượng nước, độ bay hơi của phụ gia và đặc tính nhiệt. [1]
Tiêu chuẩn này cũng có những giới hạn rõ ràng. Đây là tiêu chuẩn về hàm lượng nước, không phải tiêu chuẩn toàn diện về ứng xử lâu dài của vật liệu trong môi trường ẩm. Một số phương pháp nhạy với các chất bay hơi gây nhiễu, một số phương pháp đòi hỏi phải tối ưu hóa nhiệt độ một cách cẩn thận, còn dữ liệu về độ chụm của một số phương pháp vẫn chưa đầy đủ. [1]
Vì vậy, việc xác định hàm lượng nước trong nhựa cần được xem là một phần của hệ thống kiểm soát độ ẩm toàn diện hơn. ISO 15512 đề cập đến phép phân tích trực tiếp lượng nước hiện có trong bột, hạt hoặc sản phẩm hoàn thiện. Khi trọng tâm chuyển sang khả năng hấp thụ nước theo thời gian, sự khuếch tán qua chiều dày vật liệu hoặc độ hấp thụ nước ở trạng thái cân bằng khi tiếp xúc với môi trường ẩm, ISO 62 và các hướng dẫn liên quan sẽ là khuôn khổ phù hợp hơn. [1][3][4]
Tài liệu tham khảo
[1] Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế. ISO 15512:2019 — Chất dẻo — Xác định hàm lượng nước. Mục trong danh mục chính thức và trang thông tin về tình trạng hiện hành của tiêu chuẩn. (ISO)
[2] Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế. ISO 760:1978 — Xác định nước — Phương pháp Karl Fischer (phương pháp chung). (ISO)
[3] Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế. ISO 62:2008 — Chất dẻo — Xác định độ hấp thụ nước. (ISO)
[4] Duncan, B. C.; Broughton, W. R., Hấp thụ và khuếch tán độ ẩm trong vật liệu polyme, National Physical Laboratory, Hướng dẫn thực hành tốt số 102.
[5] Eyerer, P.; Elsner, P.; Hirth, T., chủ biên, Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, ấn bản lần thứ 6, Springer, 2005.
Câu hỏi thường gặp và câu trả lời ngắn gọn
Phép xác định hàm lượng nước trong nhựa là gì?
Đây là phép phân tích nhằm xác định lượng nước hiện có trong mẫu nhựa, thường được biểu thị bằng phần khối lượng của nước, tính bằng phần trăm; theo ISO 15512, phép phân tích này áp dụng cho bột, hạt và thành phẩm. [1]
ISO 15512 khác ISO 62 ở điểm nào?
ISO 15512 xác định hàm lượng nước tại thời điểm phân tích, trong khi ISO 62 đề cập đến đặc tính hấp thụ nước, bao gồm khả năng hấp thụ nước trong điều kiện tiếp xúc được kiểm soát và, khi phù hợp, các đặc tính liên quan đến quá trình khuếch tán. [1][3][4]
Phương pháp nào theo ISO 15512 có giới hạn phát hiện thấp nhất được công bố?
Theo tiêu chuẩn, Phương pháp E, tức phương pháp canxi hiđrua, phù hợp để xác định hàm lượng nước thấp đến 0,001 %, trong đó giới hạn này phụ thuộc vào khối lượng mẫu tối đa có thể sử dụng. [1]
