Способ подготовки проб полистирола для определения содержания цинка методом атомно-эмиссионной спектроскопии
METHOD FOR PREPARING POLYSTYRENE SAMPLES FOR DETERMINING CONTENT OF ZINC USING ATOMIC-EMISSION SPECTROSCOPY

Изобретение относится к области аналитической химии, и может найти применение в лабораториях, осуществляющих аналитический контроль технологических производств, связанных с получением полистирола.
Простейший способ пробоподготовки полимеров для определения цинка методом атомно-эмиссионной спектроскопии состоит в прямом термическом разложении образцов (ГОСТ Р 54545-2011 «Каучуки синтетические. Определение общей и водорастворимой золы». М.: Стандартинформ, 2013 г.). Для этого пробу известной массы нагревают в воздушной атмосфере при соответствующей температуре в кварцевом или фарфоровом тигле в муфельной печи. Полученную золу, состоящую из оксидов или карбонатов металлов, анализируют методом атомно-эмиссионной спектроскопии.
Недостатком такого способа пробоподготовки является невозможность его применения при низкой зольности образца 0,005-0,01 мас. %.
Известен способ пробоподготовки, заключающийся в кислотном озолении, при котором определяемый элемент предварительно переводят в нелетучие соединения (обычно в сульфаты), а затем прокаливают. По одному из вариантов кислотного озоления навеску полимера нагревают в тигле в присутствии серной кислоты сначала с помощью газовой горелки, следя за тем, чтобы не было потерь образца. Когда реакция пойдет более спокойно, увеличивают пламя горелки и продолжают нагревать до полного испарения серной кислоты. Полученный остаток затем выдерживают в муфельной печи до полного выгорания углеродсодержащих веществ и достижения постоянной массы (ГОСТ 19816.4-91, ИСО 247-90 «Каучук и резина. Определение золы». М.: Издательство стандартов, 1992 г.). После озоления пробы проводят спектральный анализ золы, которая представляет собой порошок, состоящий из смеси солей.
Недостатками данного способа являются трудоемкость и длительность, связанные с проведением дополнительной процедуры перевода определяемого элемента в сульфаты взаимодействием с серной кислотой. Кроме того, при использовании недостаточно чистой кислоты существует опасность искажения результатов анализа.
2
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ, включающий пробоподготовку анализируемых образцов полистирола путем озоления в муфельной печи до углеродистого остатка (по причине очень низкой зольности полимера) при температуре 450°C в течение 6 ч (О.Л. Ахсанова, P.M. Загитов, О.М. Трифонова. «Атомно - эмиссионное определение цинка в полистироле». Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. №4. С. 22). При этом время разогрева до номинальной температуры 1100°C составляет 170 минут, что соответствует скорости подъема температуры 7,0°C/мин (согласно паспорту ИЕВУ.681118.001 ПС). Полученные образцы углеродистого остатка перемешивают с графитовым буфером с добавками, взятыми в количестве 1 мас. % CsCl и 0,25 мас. % PbO.
Недостатком данного способа является его длительность, связанная с низкой температурой озоления. Кроме того, получаемые образцы углеродистого остатка различаются между собой по степени дисперсности. Поэтому при выполнении спектрального анализа в канале электрода каждый раз будет помещаться разное количество образца, и вызванная этим обстоятельством ошибка может оказаться значительной особенно при определении цинка в диапазоне 0,0001-0,004 мас. %.
Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа, снижающего длительность пробоподготовки и повышающего точность определения цинка методом атомно-эмиссионной спектроскопии.
Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в известном способе подготовки проб, включающем термоокислительную деструкцию образца полимера до углеродистого остатка, углеродистый остаток получают нагреванием образца полимера в муфельной печи со скоростью 1-7°C/мин до 450-550°C и выдерживанием в диапазоне указанных температур в течение 10-30 минут, для анализа используют фракцию полученного углеродистого остатка с размером частиц менее 0,14 мм, которую перемешивают с графитовым буфером с размером частиц графита менее 0,14 мм и добавкой 1-10 мас. % фторполимера с содержанием 60 мас. % фтора.
Предложенный температурный режим проведения пробоподготовки, а именно, нагрев со скоростью 1-7°C/мин до 450-550°C и озоление в диапазоне этих температур в течение 10-30 минут, является оптимальным и позволяет получить углеродистый остаток определенной структуры, что в совокупности с использованием для анализа фракции углеродистого остатка с размером частиц менее 0,14 мм, перемешанной с буфером с размером частиц графита менее 0,14 мм и добавкой 1-10 мас. % фторполимера, позволяет снизить ошибку измерения цинка и повысить точность его определения. При этом добавка в графитовый буфер фторполимера с содержанием 60 мас. % фтора вследствие ее вовлечения в термохимические процессы и процессы массопереноса, протекающие в электрической дуге при выполнении атомно-эмиссионного анализа, способствует стабилизации условий формирования аналитического сигнала определяемого элемента цинка.
Заявляемое изобретение имеет следующие отличительные признаки:
- озоление в муфельной печи до углеродистого остатка проводят при температуре 450-550°C;
- до температуры озоления печь нагревают со скоростью 1-7°C/мин;
- озоление проводят в течение 10-30 минут;
- от полученного углеродистого остатка отбирают фракцию с размером частиц менее 0,14 мм;
- отобранную фракцию углеродистого остатка перемешивают с графитовым буфером с размером частиц графита менее 0,14 мм и добавкой 1-10 мас. % фторполимера.
Наличие отличительных признаков по сравнению с прототипом свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
Использование новых отличительных признаков позволяет снизить длительность пробоподготовки, обеспечить представительность анализируемого образца и повысить точность определения цинка при снижении ошибки измерения. Подобный эффект не был достигнут ни в одном аналогичном изобретении и не описан в литературе. Таким образом, введение новых технических признаков позволило получить новый результат, и следовательно, изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемое изобретение соответствует критерию патентноспособности «промышленная применимость», что подтверждается нижеприведенным примером конкретного выполнения.
Пример 1. В предварительно доведенные до постоянной массы при температуре (500±5)°C и взвешенные три фарфоровых тигля помещают по (5,0000±0,0005) г полистирола, накрывают фарфоровыми крышками, ставят в муфельную печь, нагревают до (500±5)°C со скоростью 2°C/мин и выдерживают в течение 20 минут. Тигли вынимают щипцами, охлаждают в эксикаторе с осушителем до комнатной температуры, взвешивают с записью результата в граммах до четвертого десятичного разряда и рассчитывают массу полученного углеродистого остатка: из массы тигля с навеской остатка вычитают массу пустого прокаленного тигля. Полученный остаток усредняют путем растирания в течение 10 минут в агатовой или яшмовой ступке. От усредненного остатка отбирают фракцию для анализа путем пропускания его через лабораторное сито с просеивающим элементом в виде металлической сетки с размером квадратной ячейки 0,1 мм и вычисляют массовую долю фракции, которая должна быть не менее 80-100%. В противном случае крупные частицы, оставшиеся на сите, повторно растирают в ступке, просеивают и повторяют эту операцию до получения необходимого значения массовой доли фракции с размером частиц менее 0,1 мм. Берут навеску отобранной фракции массой (0,0400±0,0005)г и переносят в агатовую или яшмовую ступку. В эту же ступку добавляют (0,1600±0,0005)г графитового буфера с размером частиц графита менее 0,1 мм, растирают полученную смесь в течение 10 минут и анализируют методом атомно-эмиссионной спектроскопии.
Результаты атомно-эмиссионного спектрального анализа образцов, подготовленных по примеру 1 и по прототипу, представлены в табл. 1.
Из данных, приведенных в табл. 1, следует, что предлагаемый способ пробоподготовки позволяет снизить относительную суммарную погрешность анализа с 15,3% до 8,0% при доверительной вероятности Р=0,95.
В таблице 2 приведены результаты осуществления способа по примерам 2-13, осуществляемых аналогично описанному в примере 1, но при различных значениях заявляемых параметров.
Таким образом, использование предлагаемого способа подготовки проб в сравнении с прототипом позволяет снизить длительность лимитирующей стадии, озоления, в 12-36 раз с 6 часов до 10-30 минут и повысить точность определения цинка при снижении ошибки измерения до 8% отн., за счет чего обеспечивается более оперативный и достоверный контроль за содержанием цинка в полимерах.