聚碳酸酯（PC）熔融指数测量系统的MSA分析

张琼 张根山

沧州大化股份有限公司技术中心 河北 沧州 061000

引言

聚碳酸酯（英语：Polycarbonate，PC，以下简称PC）是一种透明材料，有很好的力学性能、阻燃性能和耐高温性。作为五大工程塑料之一，PC被应用于建筑业板材、汽车零部件、医疗器械、航空航天、电子电器、光学透镜等许多领域，市场前景广阔。PC性能主要包括热性能、流变性能、电性能、力学性能及其他物理性能，如密度、黏数、吸水率等。其性能指标的测量，对PC生产企业质量控制尤其重要。测量系统分析是指通过统计分析的手段，对构成测量系统的各个影响因子进行统计变差分析和研究，以得到测量系统是否准确可靠的结论。测量设备运行状况、人员操作、检验方法、环境等这些要素都对测量系统本身的精度与可靠性具有重大影响，随着时间推移，测量系统精度也会退化。

熔融指数是指在一定温度和压力下，熔体在十分钟内通过标准毛细管的重量值，以（g/10min）来表示。熔融指数是聚合物加工中表征材料可加工性的一个重要指标，在工业上常采用它来表示熔体黏度的相对值：流动性大，熔融指数大；流动性差，熔融指数小。熔融指数是一项反映熔体流动特性及分子量大小的指标[1]。工业上常用该值以区分不同牌号的PC产品，亦用该值来估价丙烯酸类、ABS、聚苯乙烯、聚酰胺等树脂。一般来说，熔融指数越低，产品的分子量越高。

鉴于聚碳酸酯是热塑性树脂，是在熔融状态下加工成制品的，所以熔融指数是影响其加工性能的重要指标，是选择塑料加工材料和牌号的一个重要参考依据，也是PC产品质量最主要指标之一。选择合适的熔融指数的树脂，能使选用的原材料更好地适应加工工艺的要求，使成品在成型的可靠性和质量方面有所提高，因此熔融指数检测准确性的提高，一方面能给产品生产企业提供数据参考，另一方面对下游客户的生产加工有着重要的指导意义。

在测定熔融指数过程中，测试条件对测定结果的影响很大。根据现有的熔体流动速率测定标准如GB/T3682和ISO1133、ASTM D1238等，参照熔融指数仪的工作原理，测试的基本要素为温度、砝码重量、切割时间、口模出料口直径、环境、人员操作等。因此，使用MSA的分析方法定期对熔融指数测量系统进行分析，保证测量系统准确和稳定，对PC产品的生产及加工都非常重要。

1 MSA实施方案设计

用系列标准样品（PC -W18、 PC-W09、 PC -W05）测定聚碳酸酯（PC）材料熔体流动速率。由三名熟练的操作人员进行测量，采用Zwick/Roell熔融指数测量仪测量聚碳酸酯熔体体积流动速率（ MVR）。

1.1 样品

本次标准样品 MVR试验样品为聚碳酸酯（PC）颗粒，分别用真空热封袋包装，每组10袋（净含量5 g /袋），共3种30袋，其中： ①第一种（组），待定值标准样品 PC -W18，绿色袋，10袋（净含量5 g /袋）；②第二种（组），待定值标准样品 PC -H09，黄色袋，10袋（净含量5g/袋）； ③第三种（组），待定值标准样品 PC -W05，绿色袋，10袋（净含量5g/袋）。

每组样品10袋，其中6袋分别用于6次平行定值试验（每次试验用一袋），另外4袋用于预试验、料筒清理或备用。袋上编号为待定值标准样品的计数编号，试验时随机使用。

1.2 测量

1.2.1 检查实验室符合 GB / T 2918—2019《塑料试样状态调节和试验的标准环境》的要求。室温应控制在23℃±2℃，相对湿度应控制在50%±10%。

1.2.2 试验按ISO 1133-1:2011《塑料热塑性塑料熔体质量流动速率（MFR）和熔体体积流动速率（MVR）的测定第2部分：对时间-温度历程和（或）湿度敏感性材料的试验方法》规定进行，试验温度300℃/负荷1.2kg。

1.2.3 标准样品试验操作步骤。

1.2.3.1 标准试验前按照ISO 1133-1:2011的规定对待定值PC 标准样品进行预处理，方法如下：

将一组10个真空包装袋的待定值样品，随机取出6袋（进行编号1～6）分别放于六个玻璃皿中，再放入烘箱或真空干燥箱中进行干燥，料层厚度约5～7mm（每袋样品约5g）。烘箱的烘干温度为（120±3）℃，烘干时间5h；如使用真空干燥箱，烘干温度为（120±3）℃，真空度0.02MPa，干燥时间4h。将干燥好的样品取出，立即置于干燥器内，冷却1h左右至室温后用于定值试验[2]。①样品的预处理过程中，应尽量阻止和减少样品对水分的吸收。实验人员须带干净的称量手套操作，以防止试样通过与皮肤的接触吸潮，且应尽量避免试样暴露在空气中，防止其从大气中吸潮。②烘干后的样品，如放置在装有干燥剂的干燥器内，可用于当日4～6h（推荐的）最长24h内完成定值试验，但每组的6次试验应由3名分析人员连续完成（即不可分为两天分别进行试验）：如放置在未加干燥剂的普通防潮密闭容器内的，则需4h内完成要求的6次试验。

1.2.3.2 仪器调至水平。开机，按要求进行试验条件的设定。

1.2.3.3 仪器升温至试验温度300℃，将活塞、料简及口模清理干净，口模放入料筒底部，料筒和活塞恒温至少15min 。注意根据仪器计量检定或校准证书，设定仪器温度时可能需要进行温度修正。连续测试时，每次加样前，都应将口模取出并清理干净。

1.2.3.4 随机取烘干后的标准样品 PC-W18约5g，在20s内加入料筒，用装料杆压实后，立即将活塞插入料筒内，不加负荷，不加口模塞，开始计时，进行预热和 MVR 测定。

1.2.3.5 预热5min 时，将试验负荷1.2kg对应的砝码加到活塞上或进行其他加载操作，让活塞在重力作用下下降。

1.2.3.6 当活塞杆的下参照标线到达料筒上边缘时，开始自动测量。活塞每位移5mm计为一段，记录活塞每下降一段（即位移5mm ）所需的时间，连续记录6段的时间（即6个5mm的时间），精确至仪器能够达到的计时精度，至少为0.1s[3]。

1.2.3.7 记录活塞下降位移第一个5mm至第六个5mm的各段位移经历的时间，精确至仪器能够达到的计时精度，至少为0.1s：记录或计算上述各段位移的MVR值，务必保留4位有效数字。试验结果及情况填入试验结果报告单（MVR试验记录表，见附表1）。

1.2.3.8 重复步骤1.2.3.4-1.2.3.7，由3名熟练操作的人员分别对3种PC标准样品（PC-W18、PC-W09、PC-W05）每种进行6次平行（每人进行两组）试验，试验应连续完成（即不可分为两天分别进行试验）。

1.2.3.9 所有试验结果及情况填入试验结果报告单（MVR试验记录表）。

1.3 测量要求

由3名熟练的操作工进行数据测量。通过Minitab进行测量顺序的设计，对测量结果进行收集汇总，对试验过程中环境、样品等出现的异常情况下的数据进行剔除或修正，然后用Minitab质量工具进行统计分析，并对结果可接受性进行判定。

2 熔融指数测量结果

2.1 PC材料熔体流动速率（MVR）的试验结果见表1。

表1 测量标准样品的MVR 试验结果

2.2 数据判别与删减

第6段数据偏差较大，寻找其特别的原因。发现因为每袋标准样品为5g，在取第6段数据时样品量不足使测量条件不稳定，所以在统计分析中删减全部的第6段数据。对第1段～第5段测量结果取平均值作为每次的最终测量数值。见表2。

表2 标准样品（PC-W18、PC-W09、PC-W05）测量数据汇总表

2.3 质量分析

试验数据利用 Minitab软件的质量工具进行分析， 采用量具 R＆R 研究（交叉）和量具线性和偏倚研究获得标准偏差、过程变异、线性及偏倚结果。从而判定熔融指数测量过程是否可以接受。

图1 PC熔融指数测量方差分析

2.3.1 量具R&R-方差分析法。熔融指数仪的标准偏差为0.20，过程变异2.64%＜10%，说明仪器精密度可以接受。

图2 熔融指数仪的线性和偏倚

2.3.2 量具线性和偏倚。因为0线落在上述偏倚的95%置信区间之外，所以偏倚等于0的假设在α=5%的水平上不可以接受。偏倚值均为负值，说明仪器存在系统的负偏差，应予以调校[4]。

线性百分率（斜率×100 的绝对值）是 2.2，表示测量设备线性占整个过程变异的 2.2%。

参考值的偏倚百分率是12.9，表示测量设备偏倚占整个过程变异的比率小于12.9%。

3 结束语

用MSA系统设计分别对3组基准物质的聚碳酸酯（PC）材料（PC -W18、 PC-W09、 PC -W05）进行试验，从结果可以看出：仪器的过程变异2.64%＜10%，其中量具偏倚占整个过程变异的比率小于 12.9%。说明采用Zwick/Roell仪器测量精度可以接受。