紫外可见分光光度计测定POM塑料中甲醛含量的不确定度评价
2021-05-10赵芳萍王友顺
赵芳萍， 匡 莉， 王友顺
（上海金发科技发展有限公司 国高材高分子材料产业创新中心有限公司，上海 201714）
聚甲醛（POM）是具有高密度、高结晶度的通用工程塑料，具有类似金属的硬度、强度和钢性，可取代铝、镁、铜等金属材料在汽车工业上的应用。POM 材料在汽车上的应用位置主要包括发动机、底盘、车身、座椅安全带部件、门把手、门锁、电子电气设备等[1]。
由于分子结构的原因，POM 热稳定性较差，受热容易分解产生易挥发的甲醛气体，有刺激性气味[2]，且长期接触对身体会引起一系列不良反应，甚至致癌。
塑料中甲醛的检测方法主要以分光光度法为检测手段，通过对样品中的甲醛进行加热散发并用蒸馏水吸收，再与乙酰丙酮、乙酸铵反应，利用外标法定量计算出样品中甲醛含量。目前利用紫外可见分光光度计测定POM塑料中甲醛含量的不确定度研究尚未见文献报道，因此本文依据JJF 1059.1-2012标准对此方法进行不确定度评定，分析结果不确定度的主要来源，从而提高测定结果的准确性。
1 实验
1.1 仪器与材料
紫外可见分光光度计，TU-1900，北京普析公司；分析天平，TP-214，美国丹佛仪器公司。
POM，金发科技股份有限公司；甲醛标准物质，o2si；乙酰丙酮，AR，国药集团化学试剂有限公司；乙酸铵，AR，国药集团化学试剂有限公司。
1.2 实验依据
实验按照VDA 275-1994《汽车内饰件甲醛测定―改进烧瓶法》标准开展。
1.3 实验方法
1.3.1 甲醛散发与吸收
剪取尺寸为40 mm×100 mm的试样，在试样上边缘钻1～2 mm直径的孔洞，称量；将50 mL蒸馏水倒入干净的聚乙烯瓶，试样固定在挂钩上后悬挂于聚乙烯瓶内，密闭并置于60℃烘箱内恒温3 h；然后取出，在室温下冷却60 min后拿出试样。
1.3.2 含水率测试
依据DIN EN 322测试含水率。剪取尺寸为40 mm×100 mm的试样，立即称重，将试样放入（103±2℃）的烘箱内，直至恒重。干燥后，将试样迅速取出，置于含有变色硅胶的干燥皿内，冷却至室温后，称重。
1.3.3 反应
用10 mL移液管准确吸取10.00 mL水溶液（1.3.1）移至50 mL具塞玻璃瓶中，用10 mL移液管分别移取10.00 mL乙酰丙酮溶液和10.00 mL乙酸铵溶液加入具塞玻璃瓶中，盖好塞子后摇匀，将玻璃瓶放入40℃水浴中恒温15 min，然后取出放置在室温下避光冷却1 h。用紫外可见分光光度计在412 nm波长下测定溶液的吸光度。
2 结果与讨论
2.1 不确定度来源
甲醛测定结果计算公式如式（1）表示。
式中：Cs为试样水溶液的甲醛浓度，μg/mL；V为试样吸收液的体积（50 mL），mL；H为试样的含水率，%；m为试样的质量，g；F为分析结果的计算参数，kg，F=10。
使用紫外可见分光光度计测定POM塑料中甲醛含量引入的不确定度主要来源有：质量称量引入的不确定度，重复性试验引入的不确定度，试样水溶液的甲醛浓度引入的不确定度，吸收液体积引入的不确定度，含水率测试引入的不确定度。
2.2 质量称量引入的不确定度
根据分析天平的校准证书提供信息，包含概率为95%时即k＝2，扩展不确定度为0.000 2 g，则称取12.161 3 g试样质量引入的相对标准不确定度为urel(m)＝0.000 2/(2×12.161 3)＝0.000 82%。
2.3 重复性试验引入的不确定度
对样品进行10次甲醛含量的重复测定，结果如表1所示。
表1 样品中甲醛含量重复测定结果
（续表1）
根据贝塞尔公式计算甲醛含量测试值的标准偏差，如式（2）。
由此可计算样品重复测试引入的相对标准不确定度，如式（3）。
2.4 试样水溶液的甲醛浓度引入的不确定度
试样水溶液的甲醛浓度的不确定度主要来源于：甲醛标准溶液的不确定度，标准溶液配制引入的不确定度，标线拟合引入的不确定度，仪器引入的不确定度。
2.4.1 甲醛标准溶液的不确定度
根据甲醛标准物质证书查得，1 000 mg/L浓度的扩展不确定度为2.23 mg/L（k＝2），所以其相对标准不确定度urel（标液）＝2.23/(2×1 000) ＝0.111 5%。
2.4.2 标准溶液配制引入的不确定度
系列标准工作溶液浓度点为0.75、1.5、3、7.5、15 μg/mL，涉及到移液枪与容量瓶的校准、温度、人员操作三个方面引入的不确定度，各量器引入的不确定度如表2所示。
以5 mL容量瓶为例说明各容器相对标准不确定度计算过程。①根据校准证书得到5 mL容量瓶的扩展不确定U＝0.008 mL（k＝2）的相对标准不确定度urel(1)＝0.008/(2×5)＝0.000 8；②温度：5 mL容量瓶在20℃校准，实验室温度范围为（20±4）℃，该影响引入的不确定度通过估算该范围内体积膨胀系数来进行计算。液体的体积膨胀明显大于容量瓶的体积膨胀，因此只需要考虑前者即可。水的体积膨胀系数为2.2×10-4/℃，根据均匀分布，由温度引入的相对不确定度为③人员操作：经过重复性测量统计，得到相对标准偏差0.18%，相对不确定度为urel(3) ＝0.001 8。综合以上三个方面，5 mL容量瓶引入的相对标准不确定度为
表2 各量器引入的不确定度
实验过程中量器引入的相对标准不确定度如式（4）所示。
2.4.3 标线拟合引入的不确定度
甲醛标准曲线通过线性拟合得到吸光度（y）与浓度（x）的方程为y＝0.082 926x＋0.004 428，相关系数 r2＝0.999 975。按照线性拟合直线的不确定度评估公式计算标准工作曲线引入的不确定度，式（5）为计算公式。
其中，s为残差标准偏差，
式中：b为拟合的标准直线方程斜率，根据拟合的方程可知b＝0.082 926；N为样品的重复测量次数，本实验N＝5；n为标准溶液测定次数，本实验n＝5；m为吸光度的平均值带入标准曲线方程求得的甲醛浓度值；为所有测试点甲醛浓度的平均值；mi为单个测试点甲醛的浓度；Ai为吸光度值；Ai’为将甲醛浓度带入拟合方程式求得的吸光度值。
表3 标准曲线吸光度与浓度
根据表3计算可得s(A)与u（拟合），如式（6）和（7）所示。
相对标准不确定度为urel（拟合）＝u（拟合）/Cs＝0.030 24/1.219 5＝2.48%
2.4.4 仪器引入的不确定度
根据紫外可见分光光度计校准证书，其透射比扩展不确定度U＝0.5%，k＝2，由此得到相对不确定度为urel(UV) ＝0.005/2＝0.25%。
2.4.5试样水溶液的甲醛浓度引入的不确定度合成
表4 Cs引入的不确定度分量
由试样水溶液的甲醛浓度引入的不确定度合成如式（8）所示。
2.5 吸收液体积引入的不确定度
吸收液体积为50 mL，采用50 mL容量瓶，则urel(V)＝0.090 7%。
2.6 含水率测试引入的不确定度
含水率测试的样品质量为21.0078g，称量用分析天平的扩展不确定度U＝0.000 2 g，k＝2，则相对不确定度urel(H) ＝0.000 2/(21.0078×2)＝0.000 48%。
2.7 合成标准不确定度
结合表5各不确定度分量可得到合成相对标准不确定度，如式（9）所示。
则POM塑料中甲醛含量的合成标准不确定度如式（10）所示。
表5 不确定度分量
2.8 扩展不确定度
95%置信水平，包含因子k＝2，扩展不确定度U＝2u(W)＝2×0.127 mg/kg＝0.254 mg/kg，所以，POM塑料中甲醛含量可表示为（5.015±0.254）mg/kg（k＝2）。
3 结论
本文建立了紫外可见分光光度计测定POM塑料中甲醛含量的不确定度评定数学模型，从质量称量、重复性试验、试样水溶液的甲醛浓度、吸收液体积以及含水率测试五个方面分析测定过程中不确定度来源，并分别对其进行量化和和合成。最终评价结果是：甲醛含量为5.015 mg/kg，扩展不确定度为0.254 mg/kg，因此POM中甲醛含量为（5.015±0.254）mg/kg（k＝2）。实验所引入的不确定度中试样水溶液的甲醛浓度测试引入的不确定度对最终结果影响最大，占 90.82%，而线性拟合分量引入的不确定度贡献最大，占比75.58%，其次是标液配制和仪器引入的不确定度分量，分别占13.41%和7.62%，因此在实际测量过程中，应重视仪器和量具的检定与核查，增加标准工作曲线的更新频次，以及规范试验操作步骤以提高测试结果的准确性；另一方面，称量、标液、含水率测试所引入的不确定度非常小，可忽略不计。
