重量法測定碳黑的碘值的製作方法
2023-04-29 23:01:11 1
專利名稱：重量法測定碳黑的碘值的製作方法
碳黑是一種無定形的碳，它有各種用途，包括作為顏料和許多橡膠製品的補強劑與增強劑。通常，工業上利用烴類蒸汽的部分燃燒或熱分解製造碳黑。
由於它的碳原子的無定形本性，碳黑的物理性質彼此有差異。碳黑的具體用途取決於這些物理性質，具體地說，取決於它的化學組成、顏料性質、表面積、細分狀態、吸附活性、膠體性質等。
由於碳黑的物理性質變化無常，產品的高度均一性就很重要。一種特別有用的鑑定碳黑的方法是測定其碘吸附值。碘吸附值與碳黑的表面積有關，一般與氮氣表面積一致，雖然它同樣受揮發物、表面孔性及可提取物的影響。
在工業上製備碳黑時，必須進行監測，以確保該批生產的碳黑屬於所要求的規格之列。這種監測通常是通過取樣測定碘吸附值來進行。近年來，作為對摻入碳黑的最終產品質量控制的一個方面，碳黑碘值的準確度變得日益重要。碳黑的碘吸附值一般是按照工業上採用的標準容量法測定，該法公布在ASTMD1510中。
根據該試驗方法，將合適的碳黑樣品在125℃的烘箱中乾燥1小時。然後將碳黑稱重，精確到0.0001克。接著，將碳黑樣品用25毫升0.0473N的碘溶液(預先標定過)處理。將混合物加蓋搖動，隨後離心。倒出上層清液，用移液管吸取20毫升注入燒瓶中。用0.0394N的硫代硫酸鈉溶液(預先標定過)滴定此溶液。當溶液變成淡黃色時，加入五滴澱粉溶液，繼續逐滴滴定，直到達到終點(無色溶液)。記下滴定體積，手工操作時精確到0.25毫升，使用數字式滴定管時精確到0.01毫升。
用移液管吸取20毫升或用給料器分配25毫升的0.0473N碘液，注入燒瓶中，用0.0394N硫代硫酸鈉溶液滴定，測定空白碘值。
根據以下方程計算碘值，精確到0.1克/千克I＝〔(B-S)/B〕×(V/W)×N×126.91其中I＝碘吸附值，克/千克，B＝空白所需的硫代硫酸鈉毫升數，S＝樣品所需的硫代硫酸鈉毫升數，V＝25毫升碘移液管或給料器的校正過的體積，W＝碳黑樣品的克數，N＝碘溶液的當量濃度，126.91＝碘的當量質量。
上述的容量測定法和由它算出的碘值的精確度有限。例如，用來標定硫代硫酸鈉溶液的容量測定法，受肉眼讀取玻璃滴定管中的體積的準確度、數字式滴定管的靈敏度，以及容量法設備的公差所限制。
本發明的一個目的是提供一種測定碳黑碘吸附值的方法，其測量的不可靠性較目前的工藝方法要小。
本發明的另一目的是提供一種測定碳黑碘吸附值的方法，此方法能在實驗室內或不同實驗室間實現較好的重複性。
本發明的再一目的是，通過更準確地測定樣品的性質，減小碳黑樣品性質的易變性。
本發明的又一目的是發展一種測定碳黑碘值的方法，與目前的工藝分析方法相比，隨機誤差減小。
本發明實現了上述的及其它的目的，在本發明中採用重量法測定碳黑的碘值。
更具體地說，本發明涉及一種測量碳黑碘吸附值的重量法。在此方法中，為測定碘溶液的濃度，將合適的標定過的滴定劑加到準確稱重的一份碘溶液中，直到達到滴定終點。碘溶液的濃度通過準確稱量為達到終點所需的已標定滴定劑的重量來確定。將適當數量的碘溶液加到預先稱重的碳黑中。令碳黑-碘溶液混合物達到平衡，準確稱取一份上層清液，加入已標定的滴定劑，直到達到終點。準確稱量出為達到終點所需的已標定的滴定劑的重量，以測定上層清液的濃度。為標定滴定劑，將它加到一份濃度已知的合適的基準物溶液中，直到達到滴定終點，基準溶液的重量已準確稱量。滴定劑的濃度由準確稱量達到終點所需的滴定劑的重量確定。碳黑的碘吸附值，根據按重量法測定的基準物溶液、滴定劑、碘空白、以及平衡的碳黑-碘溶液混合物的上層清液的濃度，通過數學計算確定。
所說的「準確稱重」，是指所有重量測量都精確到0.1毫克。
本發明還涉及一種測定碳黑碘吸附值的設備。用來配製欲滴定的溶液的配製裝置，包括用來稱量碘溶液、碳黑、合適的基準物及含基準物溶液的第一臺天平和用來使準確稱重的碳黑與準確稱重的碘溶液平衡的平衡裝置。用來滴定基準物溶液、碘溶液、以及從平衡的碳黑-碘溶液混合物分離出的上層清液的滴定裝置，包括第二臺天平、停放在天平上的滴定劑容器，以及由電勢電極、攪拌器及盛裝欲滴定溶液之滴定杯組成的滴定裝置。第二臺天平準確稱量出加到所滴定溶液中的滴定劑的重量。控制裝置與第一臺和第二臺天平相連，由第一臺和第二臺天平接收重量測量值，並使用這些數值重量分析測定基準物溶液、滴定劑、碘溶液，以及上層清液碘溶液的濃度。該控制裝置根據濃度的測量值算出碳黑的碘吸附值。
在本發明中，使用專業技術人員所熟悉的一種合適的滴定劑來滴定碘溶液。一種優選的滴定劑包括硫代硫酸鈉溶液。
用一種合適的基準物來標定滴定劑。這類基準物包括(但不限於)碘酸鉀、酸式碘酸鉀(potassium biiodate)、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、溴酸鉀、溴酸鈉、鐵氰化鉀、N-溴丁二醯亞胺、重鉻酸鹽與乙二胺四乙酸鹽，或類似物質。以碘酸氫鉀為佳。
在本發明的另一實施方案中，通過將碘溶液加到一份準確稱重的基準物溶液中來測定碘溶液的濃度，基準物溶液由濃度已知的五氧化二砷溶液構成。然後用標定過的碘溶液來標定硫代硫酸鈉滴定劑，作法是，將硫代硫酸鈉溶液加到準確稱重的一份標定過的碘溶液中，直到達到終點。隨後準確稱量為達到終點所需的硫代硫酸鈉溶液的重量確定其濃度。
本發明用來測定碳黑碘吸附值的重量法包括幾個步驟，它們可以概括為配製本方法中所用的化學物品標定滴定劑;用標定過的滴定劑進行碘溶液的空白測定;最後，測定碳黑的碘吸附值，作法是，將稱重過的碳黑樣品與碘溶液成平衡，用標定過的滴定劑滴定上層清液。本發明的重量分析法以硫代硫酸鈉溶液為滴定劑，以酸式碘酸鉀為基準物，下面詳加討論。
A.溶液的配製本發明中所用的化學物品最好是分析純的，可以按照專業技術人員熟悉的任何方法配製。或者是，這些化學物品中有一些可以從可靠的廠家以預先混合的溶液的形式購得。本發明的重量分析法使用的碘溶液和硫代硫酸鈉溶液最好按ASTM D1510中公布的容量法中同樣的方式配製。
需要進行重量分析的溶液包括硫代硫酸鈉溶液，用來標定硫代硫酸鈉溶液的含酸式碘酸鉀的溶液，以及碘溶液。在以下實例中，用10%碘化鉀、酸式碘酸鉀及10%硫酸溶液的混合物來標定硫代硫酸鈉溶液，其配製方法如下硫代硫酸鈉溶液(0.0394±0.0002摩爾/千克)的配製方法是，將大約4升水、156.5克硫代硫酸鈉和80毫升正戊醇加到校準過的容器中並攪拌至晶體溶解。然後，加入足量水使總量為16升，攪拌1至2小時。將溶液陳化1至2天，攪拌半小時後隨時可用。
稱取10克碘化鉀放入具塞的小燒瓶或瓶中，然後加入足量的蒸餾過的去離子水，使總體積為100毫升，配成10%的碘化鉀(KI)溶液。
酸式碘酸鈉溶液可如下配製將4克酸式碘酸鈉在125℃乾燥1小時，然後置於乾燥器中15分鐘，冷至室溫。在天平上稱量一個聚乙烯容器的皮重。接著，在容器中加入約1至1.1克的酸式碘酸鉀，準確稱重，然後加入150克蒸餾過的去離子水，準確稱重。將容器加蓋，在機械搖動器上水平搖動至少15分鐘。
酸式碘酸鉀溶液的濃度按下式確定酸式碘酸鉀的濃度(摩爾/千克)＝ (酸式碘酸鉀重量×2.5645)/(最終溶液的重量)式中的2.5645是化學計量及換算係數(使單位匹配適當)。
10%硫酸溶液可以用蒸餾過的去離子水將10毫升濃硫酸稀釋至100毫升來配製。
為配製1%的可溶性澱粉溶液，將1克澱粉加到100毫升煮沸的蒸餾過的去離子水中。隨後將水再煮沸2分鐘，將溶液冷至室溫。溶液在大約一周內、或直到發生沉澱之前是穩定的。
B.硫代硫酸鈉溶液的標定首先，將大約5毫升酸式碘酸鉀溶液加到已稱皮重的100毫升滴定杯中，準確稱重。接著，加入10%碘化鉀溶液和10%硫酸溶液各10毫升，在滴定杯中加入25毫升蒸餾過的去離子水，同時洗下杯壁上的任何液滴。
然後用硫代硫酸鈉溶液滴定滴定杯的內裝物。應該在加入碘化鉀溶液後2分鐘之內開始滴定。按重量法加入硫代硫酸鈉，直到溶液變成淺黃色，此時在滴定杯中加入5滴澱粉溶液。然後繼續滴定，直到得到無色溶液。
硫代硫酸鈉溶液的濃度如下計算硫代硫酸鈉的濃度(摩爾/千克)＝ (酸式碘酸鉀濃度×滴定所用的酸式碘酸鉀溶液的重量×12)/(滴定終點時硫代硫酸鈉的質重)式中12為化學計量因子。
最好是，滴定2至3份分別配製的酸式碘酸鉀溶液以重複測定。重複測定的硫代硫酸鈉濃度變化範圍最好是小於5×10-5摩爾/千克。
C.空白測定用標定過的硫代硫酸鈉溶液進行原始碘濃度的空白測定。
碘溶液(0.02265±0.00015摩爾/千克)可以按ASTM D1510中公布的步驟配製。其中，準確稱量912克KI，將其中的700克放在燒杯中並用足夠的蒸餾過的去離子水蓋住，使其溶解剩餘的KI溶成分離的兩份溶液。或者是，採用任何能保證所有KI都定量溶解的方法。然後準確稱量96.0000克I2並加到燒杯中。用剩下的兩份KI溶液洗稱重的容器和用來加I2的漏鬥。然後在攪拌下加水，使總體積約為15升。
空白測定可如下進行。將約10克碘溶液加到燒瓶中並準確稱重，然後加入50毫升蒸餾過的去離子水，同時衝洗燒瓶壁以保證所有的碘均在液相而不在燒瓶邊壁上。隨後用標定過的硫代硫酸鈉滴定碘溶液。可以用目測或比色方法進行滴定。在這種情形下，加入硫代硫酸鈉溶液直到溶液變成淺黃色。在加入5滴澱粉溶液後，繼續滴定直到終點，即溶液變成無色。在一個優選的實施方案中，用鉑電極進行電勢滴定。連續測量浸入碘溶液中的鉑電極的電勢。測出電勢的快速變化，或者換句話說，電勢隨所加硫代硫酸鈉數量變化的最大值，這與滴定終點相對應。然後測定為達到滴定終點所需的硫代硫酸鈉溶液的重量。
空白碘樣的濃度按以下方程確定空白碘的濃度(摩爾/千克)＝ (硫代硫酸鈉的濃度×終點時硫代硫酸鈉重量)/(滴定所用的碘溶液的重量×2)式中2是化學計量因子。
空白測量應重複2至3次。相對標準偏差最好約為0.02%或更小，觀測值不應有趨向性。
D.碘值的確定將適量的碳黑在125℃的烘箱中乾燥一小時。碳黑床體深度不應超過0.25英寸。然後將乾燥過的碳黑放在乾燥器內冷至室溫。
在預先稱量皮重的合適的玻璃容器內稱量乾燥過的碳黑。飛揚性碳黑，在稱重之前最好壓實，最好是在乾燥之前壓實。
代之以將碳黑乾燥，可以由含有已知數量水份的碳黑樣品確定碳黑的重量。如果碳黑樣品中的水量已知，則碘吸附值可根據計算出的無水碳黑的重量來確定。
含水樣品的重量與無水碳黑重量的關係可如下確定碳黑(無水)重量＝樣品重量- (樣品中水分百分數)/100 ×樣品重量因為乾燥的碳黑一旦從乾燥器取出就將吸收水分，採用在計算中扣除水份的方法而不試圖去掉水份，有可能進一步增加碘吸附值的準確性。
在裝碳黑的玻璃容器準確稱重之後，加入適量的碘。所加碘的數量以ASTM 1510中容量法所用的比例為根據，大約每0.8克碳黑加40毫升碘溶液。
然後用專業技術人員熟悉的任何方法使碳黑-碘混合物平衡。在一個實施方案中，通過搖動和離心使碳黑-碘混合物平衡。具體地說，玻璃容器最好在設定為「高速」的常規機械搖動器上搖動。機械搖動器最好能提供約240次往返/分的水平式搖動。搖動後，將瓶轉移到離心機上。當離心機速度設定為2000轉/分時，壓片狀樣品最好離心1分鐘，而飛揚性樣品最好離心3分鐘。
將大約10毫升上層清液轉移到一個預先稱好皮重的容器(例如100毫升的Mettler杯)中，準確稱量上層清液的重量。
接著，在容器中加入50毫升蒸餾過的去離子水，仔細衝洗器壁以保證所有的碘都在液相中而不沾在容器的邊壁上。然後用標定過的硫代硫酸鈉溶液滴定此溶液。如果用比色法進行滴定，則按重量加入標定過的硫代硫酸鈉溶液，直到溶液變成淺黃色。用水衝洗滴定管尖和容器壁，在容器內加入5滴澱粉溶液。然後繼續滴定直到達到終點，即，溶液變成無色。最好是，用鉑電極和參比電極進行電勢滴定，按重量加入硫代硫酸鈉溶液，直到達到滴定終點。
然後測定為達到滴定終點所用的硫代硫酸鈉溶液的重量。上層清液的濃度如下確定與碳黑平衡後的碘濃度(摩爾/千克)＝ (硫代硫酸鈉溶液濃度×終點時硫代硫酸鈉溶液的質量)/(滴定時所用碘溶液的重量×2)式中2為化學計量因子。
然後如下確定碘吸附值碘值(毫克/克)＝ ((空白碘樣的濃度-碘樣濃度)×加到碳黑中的碘溶液重量×253.81)/(碳黑重量)其中253.81是碘的分子量。
在本發明的方法中應使用高純度的水。例如，水應該蒸餾和去離子化。水的電導率最好是小於3微姆歐。可以使用例如帶有4組件的「Nanopure系統」將水理想地純化，供本發明使用。純化過的水可以貯存在容器中，但容器應每天倒光並重新充滿，以保證不會有幹擾滴定的細菌形成。
上面解釋的本發明可以完全由手工操作實施。但是，在一項供工業用的優選的實施方案中，本發明改進成以半自動或全自動的方式進行。
在本發明的這樣一項實施方案中，重量分析設備包括配製裝置及滴定裝置，配製裝置用來稱量及配製標定的溶液及其它為獲取碘吸附值需要滴定的溶液。它包括一個盛碘的容器，第一臺Mettler天平，以及用來使碳黑-碘混合物成平衡的平衡裝置;滴定裝置包括一臺天平、升高Mettler天平的裝置、硫代硫酸鈉容器、攪動碘與硫代硫酸鈉反應混合物的磁攪拌器、鉑電極與參比電極、以及盛裝欲滴定溶液的滴定杯。
配製裝置中的Mettler天平用來稱量碘溶液、碳黑，以及酸式碘酸鉀和酸式碘酸鉀溶液的重量。碘容器中裝有碘溶液，用惰性氣體、最好是氦氣加壓，以便將碘溶液通過與碘容器相連的管道和閥門轉移到滴定杯中。閥門由操作人員用搬扭開關控制。滴定杯放在稱量碘溶液的天平上，將碘溶液轉移到杯中，同時稱重，直到達到所要的重量。
或者是，在另一個實施方案中利用一個供料裝置以重量計量方式供碘，該裝置利用一個步進馬達或類似裝置將指定體積的碘溶液分配到滴定杯中。此實施方案被認為是重量分析方式，因為供料器逐日校正，方法是分配出指定體積的碘溶液，稱量所分配出的碘溶液的重量，根據此重量和體積測量值計算出碘溶液的密度。一旦密度已知，則可以分配出正確體積的碘溶液(相當於指定的重量)。一種可以採用的供料裝置的實例是665 Dosimet，可以從Metrohm公司得到。
配製裝置還包括使碳黑-碘混合物達到平衡的裝置。在一個實施方案中，平衡碳黑-碘混合物的裝置包括先前提到的機械搖動器和離心機。在另一個實施方案中，可以通過先攪動碳黑-碘混合物然後過濾的方法實現平衡。隨後用標定過的硫代硫酸鈉溶液滴定一份濾液。攪動及過濾裝置比搖動和離心更適於自動化。對於本發明來說，濾液一詞和上層清液一詞被認為是同義語。
雖然在容量分析方法中碳黑-碘混合物的溫度不是關鍵參數，但是隨著碘吸附值測定準確度的提高，溫度變得更為重要。這是因為碘在碳黑上的吸附與溫度有關。每當溫度升高1℃，碘在碳黑表面上的吸附減少約0.1毫克/克。因此，為維持碘吸附值重量測定法的準確性，控制溫度很重要。
因此，在本發明的另一個實施方案中，使用控溫裝置來控制碳黑-碘混合物的溫度。控溫裝置可以包括水浴，盛裝欲加到碳黑中的碘溶液的容器和/或盛裝碳黑-碘混合物的容器置於水浴中。在對碳黑-碘混合物實行攪動和過濾的實施方案中，通過將這些部件放在水浴中可以更準確地控制碳黑-碘混合物的溫度。或者是，可以採用專業技術人員熟悉的任何其它的方法來控制碳黑-碘混合物的溫度。
滴定裝置的天平包括一個硫代硫酸鈉容器(即，剛好在指定的滴定之前，在容器中裝入預定重量的硫代硫酸鈉溶液)，該天平用來測定加到所滴定溶液中的硫代硫酸鈉的重量。在完成指定的滴定之後，通過與盛裝硫代硫酸鈉溶液的加壓瓶相連的管道和閥門，將硫代硫酸鈉容器再裝滿。瓶子用惰性氣體加壓，最好是氦。硫代硫酸鈉溶液由天平上的硫代硫酸鈉容器通過一根或多根管子轉移到裝有要滴定的溶液的滴定杯中，每根管子連有閥門。最好是有兩根直徑不同的管子由硫代硫酸鈉容器通到滴定杯。閥門可以通過搬扭開關或用下文將說明的計算機開啟和關閉。大直徑的管子用於滴定的前期部分，而當接近滴定終點時則用小直徑的管子，以便更為準確。通過天平測量出轉移到滴定杯中的硫代硫酸鈉溶液的重量，用它確定所滴定的溶液的濃度。
用來升高滴定臺中的天平的裝置，有助於提供充分高的壓頭，以便使硫代硫酸鈉溶液從容器流向滴定杯時具有合適的流速。滴定杯中裝有鉑電極和參比電極，可以用機械臂或類似裝置使之就位。
每當碘容器或盛裝硫代硫酸鈉溶液的瓶重新裝料或結束時，或是當設備有8小時或更長時間未使用時，最好用適當的溶液衝洗所連的管線。
在本發明的一個優選的實施方案中，重量分析設備包括一個控制裝置，例如與配製裝置和滴定裝置接口的計算機。當用計算機作控制裝置時，它可以配有軟體，軟體設計成能儲存從配製裝置及滴定裝置的天平上採集到的重量數據，進行為取得碘吸附值所必須的計算，和/或控制在向滴定杯傳送標定的硫代硫酸鈉溶液的管道上的閥門。更具體地說，計算機與配製裝置及滴定裝置的天平接口。每份稱重樣品的重量都通過手鍵或類似裝置傳遞。計算機還與鉑電極和參比電極、閥門、及碘供料器接口。軟體程序最好是設計成有利於用戶。計算機及計算機軟體使本發明的重量分析法能以足夠的速度進行，從而使其在工業應用中既實際可行又具有優越性。這一方法改進了碘吸附值測量的精確性，從而減少了實驗室及個人之間測定結果的易變性，也減少了人為誤差的可能性。
可以設計計算機軟體，以便通過對大管徑和小管徑硫代硫酸鈉管線上閥門開啟與關閉的控制，使滴定能更準確地進行。例如，通過計算機提示信息，選擇要開啟的閥門和閥門打開時間(即，在十分之幾秒以內)，可以控制滴定過程。
計算機軟體還可以用來使本發明的重量分析法的其它方面實現自動化。
例如，計算機軟體可以包括一種能自動確定電勢滴定終點的算法。這可以通過估算出加到所滴定溶液中而不超過滴定終點的硫代硫酸鈉溶液的重量來實現。在滴定中加入足夠的量，而又不消耗很長時間。
例如，要加入的標定過的硫代硫酸鈉溶液的數量可以從電勢滴定過程先前收集到的數據點(即，所加的硫代硫酸鈉溶液毫克數對毫伏數)預測，下一步應加入多少溶液。這可以根據先前的數據，假定硫代硫酸鈉溶液等量加入，預測出下一導數(電勢增量變化除以所加硫代硫酸鈉溶液重量的增量變化)的大小來實現。選擇適當的毫伏變化，可以計算出要加入的硫代硫酸鈉溶液的數量。此量可以利用計算機將兩根硫代硫酸鈉管線中一根上的閥門開啟一定時間來控制，因為每個閥門的流量是預先確定的。
下面的一種算法，可用來預測沿電勢與所加硫代硫酸鈉溶液總重量關係曲線上下一點的導數
其中J是所預測的數據點;G是所平均的導數數目;i＝G+1。
計算機連續計算上述導數並將新算出的導數與先前的計算值相比較。滴定繼續到達到最大導數值為止，即，直到最近一次測得的滴定點的導數小於前個導數計算值為止。隨後，計算機通過在具有最大導數的數據點和它的前後數據點之間進行內插，確定準確的滴定終點。最好是，在得到的導數小於前一導數計算值之後，繼續滴定到所得導數比最大值小一定的百分數(即60%)，以便排除噪聲信號幹擾導數最大值及終點確定的可能性。如果該導數為最大值的60%或更小，則停止滴定。一旦確定了滴定終點，利用儲存在計算機存儲器中的溶液及碳黑的重量，即可進行上述的計算，得到上層清液的碘濃度及碳黑的碘吸附值。
當碘是由供料器分配而不是直接稱重時，可以進一步設計軟體以直接測量碘溶液的密度。例如，將分配出的碘溶液的已知體積及其重量傳輸給計算機，計算機進行密度計算。一旦碘溶液的密度已知，計算機能根據碳黑樣品的重量確定應由供料器分配出的碘溶液的體積，並準確確定所分配出的碘溶液的重量。
計算機也可以與本發明的重量分析設備的其它部分接口，包括控溫裝置、攪拌裝置和所滴定溶液的電勢，所加硫代硫酸鈉溶液的質量、過濾裝置以及印表機。印表機用來列印出數據，例如導數、滴定持續時間、流速、以及計算機的計算結果。
在本發明的另一實施方案中，計算機與一臺控制碳黑生產的過程控制計算機(有商品出售，或由商品程序改裝)連接。因此，如果所得的碘吸附值不在預定的範圍內，可以修改碳黑的生產參數。
在發明中溶液重量測量的準確度比ASTM1510中公布的體積測量的準確度高大約一個數量級(十倍)。另外，本發明的滴定比ASTM1510的容量法要準確約5～10倍。總起來說，本發明的測定精密度的改進相信比容量法至少好約3倍。因此，要使容量法的精度達到本發明的水平，容量法測定必須重複9次。
本發明的軟體可以使用Microsoft公司的Quick Basic語言，計算機可以是任何市售的常規計算機。使用編碼與由控制裝置和外圍設備構成的儀表相結合，因為編碼比解釋模式快，並且更易傳送。軟體控制外圍設備，收集數據，儲存數據，分析數據，報告結果，並且在操作人員與儀器之間提供「有利於用戶的」聯繫。由軟體控制的外圍設備包括測量質量用的分析及滴定天平。測量電壓用的鉑電極及參比電極，控制溶液流出量的閥門，自動準確輸送碘溶液的供料器，能提供原始數據、分析結果、時間、日期及樣品標識的硬拷貝的印表機，以及為操作人員顯示信息用的黑白監測器。
外圍設備與計算機的詳細部件連接如下。天平與供料器通過RS-232硬體和軟體邏輯和計算機連接。閥門則利用置於計算機擴展槽中的數據採集板與計算機相連。在此情形下數據採集板將來自計算機的數字邏輯傳送到控制各閥門開啟與關閉的繼電器。這一操作控制了閥門開啟的時間。電極也利用上述的同一數據採集板與計算機相連。在此情形下，採集板將模擬信號轉化為供計算機用的數位訊號。印表機通過計算機的並行埠與計算機相連。監測器則通過計算機擴展槽中的視頻板與計算機連接。
計算機通過這些接口收集數據，將其相繼儲存。隨後軟體對數據作出分析，以便控制實驗並算出為得到碘值所必須的各個參數。然後將結果傳送到印表機。
以下的實例將說明軟體如何與設備連接並為操作者提供一個有利於用戶的環境。
操作者通過一系列屏幕提示信息與儀器聯繫。例如，程序中最初的提示信息之一為用戶提供四種任選項。這些選擇包括測定空白碘液濃度，測定碳黑樣品的碘值、標定硫代硫酸鈉溶液，以及一個求助屏幕。例如，如果用戶選擇碘值任選項，則下一系列的提示信息將指示操作人員完成以下操作，包括碳黑稱重、分配碘溶液、以及稱量並滴定一份上層清液。
通過按壓附在天平上的手鍵將碳黑的重量直接傳送給計算機。由軟體算出需加的碘量，利用供料器或藉助於操作人員控制的閥門以稱重方式加碘。上層清液的重量也用天平的手鍵直接傳送給計算機。電勢滴定由軟體控制。專門測量電極電勢並控制閥門的開啟時間，使得能正確達到滴定終點，而操作人員無需捲入。
隨後，軟體利用最大導數法確定終點。接著，由滴定中所用的碘溶液的重量和硫代硫酸鈉溶液的終點質量確定碘溶液的濃度。然後由先前測定的碘空白濃度、碘樣品濃度、碳黑及與碳黑成平衡的碘溶液的重量計算出碘值。
上面所舉的實例並不意味著是唯一的。熟練的專業技術人員顯然可以對本發明作很多變動。例如，有可能用本發明以重量分析法測定其它碳質物質(如石墨和活性炭)及其它基質(如鉑、氧化鎂、玻璃球、氧化鋁及二氧化矽)的碘吸附值。所有這些明顯的變動都被包含在所附權利要求的範圍之內。
權利要求
1.一種測定碳黑碘吸附值的重量分析方法，它包括測定準確稱重的碘溶液的濃度，作法是，在該碘溶液中加入標定過的滴定劑直至達到滴定終點，並通過準確稱量達到終點所需的標定過的滴定劑的重量來測定所述碘溶液的濃度，將適量的碳黑準確稱重，加入適量的已準確稱重的上述碘溶液，使碳黑-碘溶液混合物達到平衡，將上述標定過的滴定劑加到準確稱重的一份碳黑-碘混合物的上層清液中，直到達到滴定終點，準確稱量為達到滴定終點所需的已標定滴定劑的重量，確定上層清液的濃度，根據用重量法測定的滴定劑、碘溶液及上層清液的濃度，計算碳黑的碘吸附值。
2.權利要求1的方法，其中還包括對滴定劑進行標定，作法是，將滴定劑加到合適的已知濃度的基準物溶液中，直至達到滴定終點，準確稱量為達到滴定終點所需的滴定劑的重量，確定滴定劑的濃度。
3.權利要求2的方法，其中滴定劑為含硫代硫酸鈉的溶液。
4.權利要求3的方法，其中基準物包括碘酸鉀、酸式碘酸鉀、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、溴酸鉀、溴酸鈉、鐵氰化鉀、N-溴丁二醯亞胺、重鉻酸鹽與乙二胺四乙酸鹽等。
5.權利要求3的方法，其中基準物為酸式碘酸鉀。
6.權利要求5的方法，其中酸式碘酸鉀的濃度按下式計算酸式碘酸鉀濃度(摩爾/千克)＝ (酸式碘酸鉀的重量×2.5645)/(最終溶液的重量)
7.權利要求6的方法，其中硫代硫酸鈉溶液的濃度按下式計算硫代硫酸鈉濃度(摩爾/千克)＝ (酸式碘酸鉀的濃度×滴定所用的酸式碘酸鉀溶液的重量×12)/(滴定終點時硫代硫酸鈉溶液質量)
8.權利要求7的方法，其中空白碘樣的濃度按下式確定空白碘樣的濃度(摩爾/千克)＝ (硫代硫酸鈉濃度×滴定終點時硫代硫酸鈉溶液的質量)/(滴定中用的碘溶液重量×2)
9.權利要求8的方法，其中與碳黑成平衡後的碘濃度按下式計算與碳黑平衡後的碘濃度(摩爾/千克)＝ (硫代硫酸鈉溶液的濃度×滴定終點時硫代硫酸鈉溶液的質量)/(滴定中用的碘溶液的重量×2)
10.權利要求9的方法，其中碳黑的碘吸附值按下式確定碘吸附值(毫克/克)＝ ((空白碘樣濃度-碘樣濃度)×加到碳黑中的碘溶液重量×253.81)/(碳黑重量)
11.權利要求5的方法，其中硫代硫酸鈉溶液還含有碘化鉀和硫酸。
12.權利要求11的方法，其中還包括測定酸式碘酸鉀溶液的濃度，作法是，準確稱量酸式碘酸鉀，加入適量水，測量溶液的總重量，根據此重量確定溶液的濃度。
13.權利要求12的方法，其中硫代硫酸鈉溶液用比色滴定法標定。
14.權利要求12的方法，其中空白碘樣和上層清液的濃度用電勢滴定、目測或比色滴定法測定。
15.權利要求1的方法，其中所說的平衡包括將碳黑-碘混合物搖蕩，隨後離心，得到上層清液。
16.權利要求1的方法，其中所說的平衡包括將碳黑-碘混合物攪動並過濾，以得到上層清液。
17.權利要求1的方法，其中還包括在稱重前先將碳黑乾燥。
18.權利要求1的方法，其中還包括測定碳黑的水分含量，並且在計算碘吸附值時扣除水分含量。
19.權利要求1的方法，其中還包括提供溫度控制裝置，用於控制碳黑-碘混合物的溫度。
20.權利要求5的方法，其中還包括提供一種控制裝置，用於準確控制加到被滴定溶液中的已標定硫代硫酸鈉溶液的加入量、儲存重量測定結果、進行濃度測定並計算碘吸附值。
21.權利要求20的方法，其中還包括將上述控制裝置與一個控制碳黑生產中工藝參數的過程控制裝置連接，根據控制裝置接收到的碘吸附值計算結果，通過上述過程控制裝置調節工藝參數。
22.一種測定碳黑碘吸附值的重量分析法，包括標定含硫代硫酸鈉的溶液，作法是，將硫代硫酸鈉溶液加到濃度已知、準確稱重的酸式碘酸鈉溶液中，直到達到滴定終點，準確稱量為達到滴定終點所需的硫代硫酸鈉溶液的重量，確定硫代硫酸鈉溶液的濃度，對準確稱重的碘溶液作空白測定，作法是，將已標定的硫代硫酸鈉溶液加到上述碘溶液中，直到達到滴定終點，準確稱量為達到終點所需的已標定的硫代硫酸鈉溶液的重量，確定碘溶液的濃度，準確稱量適量的碳黑，加入適量的準確稱重的碘溶液，使碳黑-碘溶液混合物達到平衡，準確稱量一份碳黑-碘溶液混合物的上層清液，加入已標定的硫代硫酸鈉溶液，直到達到滴定終點，準確稱量為達到終點所需的已標定的硫代硫酸鈉溶液的重量，確定上層清液的濃度，根據重量分析法測定的酸式碘酸鉀溶液、硫代硫酸鈉溶液、碘空白溶液和上層清液的濃度，計算碳黑的碘吸附值。
23.一種測定碳黑碘吸附值的重量分析法，包括測定碘溶液的濃度，作法是，將該碘溶液加到濃度已知並準確稱重的含五氧化二砷的基準物溶液中，直到達到滴定終點，準確稱量為達到滴定終點所需的碘溶液的重量，確定碘溶液的濃度，標定含硫代硫酸鈉的溶液，作法是，將硫代硫酸鈉溶液加到一份準確稱重的已標定的碘溶液中，直至達到滴定終點，準確稱量為達到滴定終點所需的硫代硫酸鈉溶液的重量，確定硫代硫酸鈉溶液的濃度，準確稱量適量的碳黑，加入適量的準確稱重的碘溶液，使碳黑-碘溶液混合物達到平衡，準確稱量一份上述碳黑-碘溶液混合物的上層清液，加入已標定的硫代硫酸鈉溶液，直至達到滴定終點，準確稱量為達到滴定終點所需的已標定硫代硫酸鈉溶液的重量，確定上層清液的濃度，根據重量分析測得的五氧化二砷溶液、硫代硫酸鈉溶液、碘空白溶液及上層清液的濃度，計算碳黑的碘吸附值。
24.一種用於重量法測定碳黑碘吸附值的設備，包括配製裝置，用來配製欲為合適的滴定劑所滴定的溶液，它包括用來稱量碘溶液、碳黑、合適的基準物及含該基準物溶液的第一臺天平，以及用來使準確稱重的碳黑及碘溶液的混合物達到平衡的平衡裝置，滴定裝置，用於滴定基準物溶液、碘溶液、以及平衡的碳黑-碘溶液混合物的上層清液，滴定裝置包括第二臺天平，停放在該天平上的滴定劑容器，以及由鉑電極、參比電極、機械攪拌器和盛裝欲滴定溶液的滴定杯組成的滴定裝置，第二臺天平準確稱量出加到所滴定溶液中的滴定劑的重量，控制裝置，它與上述第一臺及第二臺天平連接，控制裝置從第一臺及第二臺天平接收重量測定值，並利用這些重量測定值，以重量分析方式測定基準物溶液、滴定劑、碘溶液及上層清液的濃度，控制裝置根據上述濃度測定值計算出碳黑的碘吸附值。
25.權利要求24的設備，其中所述的滴定裝置還包括第一和第二傳送裝置，用來將硫代硫酸鈉溶液從硫代硫酸鈉容器傳送到滴定杯中，第一傳送裝置將硫代硫酸鈉溶液傳送到滴定杯的速度比第二傳送裝置快，控制裝置適應於在滴定期間開啟與關閉第一及第二個閥門。
26.權利要求24的設備，其中的控制裝置適應於通過比較在滴定過程中收集到的先前數據點的導數，預測為達到滴定終點需要加入的硫代硫酸鈉溶液的重量。
27.權利要求24的設備，其中的平衡裝置包括搖蕩器和離心機，用於搖動和離心碳黑-碘溶液混合物。
28.權利要求24的設備，其中的平衡裝置包括攪動和過濾裝置，用於攪動和過濾碳黑-碘溶液混合物。
29.權利要求24的設備，其中的配製裝置還包括供料裝置，用它準確地分配出碘溶液，直接加到碳黑中，上述的控制裝置根據碘溶液的重量對供料裝置進行校正。
30.權利要求24的設備，其中的配製裝置還包括用於控制碳黑-碘溶液混合物溫度的控溫裝置。
31.權利要求24的設備，其中還包括用於控制碳黑生產工藝參數的過程控制裝置，此過程控制裝置適應由控制裝置接收碘吸附值的計算結果，如果碘吸附值超出了預定範圍，它能夠調節一個或多個工藝參數。
32.權利要求24的設備，其中的滴定劑含有硫代硫酸鈉。
33.權利要求24的設備，其中的基準物包括碘酸鉀、酸式碘酸鉀、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、溴酸鉀、溴酸鈉、鐵氰化鉀、N-溴丁二醯亞胺、重鉻酸鹽與乙二胺四乙酸鹽等。
全文摘要
公開了一種測定碳黑碘吸附值的重量分析法。準確稱重的碘溶液用已標定的滴定劑滴定，根據為達到滴定終點所需的滴定劑的重量，確定碘溶液的濃度。將準確稱重的適量碘溶液與準確稱重的適量碳黑混合，使混合物達到平衡。所得上層清液的濃度由測定為達到滴定終點所需的已標定的滴定劑重量來確定。然後根據以重量方式測定的各溶液濃度確定碘吸附值。此方法最好是半自動或全自動化的。並公開了一種實現此方法的設備。
文檔編號G01N15/08GK1049909SQ9010734
公開日1991年3月13日 申請日期1990年8月30日 優先權日1989年8月31日
發明者小勞倫斯·J·墨菲 申請人:卡伯特公司