（陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所有限公司，陜西 西安 710054）

聚丙烯腈碳纖維具有軸向強(qiáng)度和模量高、耐疲勞、耐腐蝕等特點(diǎn)。目前作為復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)材料在軍事及民用工業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用[1，2]。由于碳纖維中鉀、鈉、鈣、鎂、鐵等雜質(zhì)元素會(huì)影響碳纖維的抗氧化性能和高溫力學(xué)性能，對(duì)其用途有很大影響,特別是用作燒蝕材料的碳纖維,要求鉀、鈉、鈣、鎂總含量不超過(guò)50ppm。為達(dá)到該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),在碳纖維制造中,必須嚴(yán)格控制工藝過(guò)程,避免沾污,所以研究高效準(zhǔn)確測(cè)定碳纖維原絲中鉀、鈉、鈣、鎂、鐵的含量具有實(shí)際意義[3-5]。本文用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法完成了對(duì)鉀、鈉、鈣、鎂、鐵的一次測(cè)定，方法簡(jiǎn)便快速、準(zhǔn)確度高、精密度好，結(jié)果令人滿意。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

ICAP 7400電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國(guó)Thermo公司)。

馬弗爐：可以升溫至1300℃。

硝酸優(yōu)級(jí)純。

氫氟酸優(yōu)級(jí)純。

鉀、鈉、鈣、鎂、鐵標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（均為1mg/mL）。

實(shí)驗(yàn)室用水（去離子水）。

1.2 試樣制備

稱取5.0000g樣品，精確至0.0001g，置于鉑金坩堝中，然后移入馬弗爐，馬弗爐門微開通氧，逐漸升溫至700±10℃灼燒6小時(shí)，取出冷卻，沿鉑金坩堝杯壁旋轉(zhuǎn)加入2ml氫氟酸，浸沒碳纖維灰分,在電熱板上100℃加熱蒸干后，再加入10mL（1+1）HNO3，加熱提取1～15分鐘，移下冷卻，轉(zhuǎn)移至50mL容量瓶中，稀釋至刻度，搖勻待測(cè)，同時(shí)進(jìn)行空白試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)步驟

繪制工作曲線：取7個(gè)50mL容量瓶，各加入（1+1）HNO35 mL，配制成混合標(biāo)準(zhǔn)溶液工作曲線：含鉀、鈣、鈉、鎂、鐵為0.00μg/ml、0.20μg/ml、0.50μg/ml、1.00μg/ml、2.00μg/ml、3.00μg/ml、5.00μg/ml，按表1儀器工作條件測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)系列工作液，繪制工作曲線并測(cè)定樣品。

表1 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀工作參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品前處理?xiàng)l件選擇

2.1.1 灰化溫度

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在300℃以上，碳可在空氣中氧化，在綜合考慮時(shí)間的情況下，為了達(dá)到完全灰化的目的，本文在灰化時(shí)間為6h時(shí)[6-8]，對(duì)溫度從400℃～900℃進(jìn)行了灰化討論。并對(duì)每組樣品中的金屬元素進(jìn)行了測(cè)定，從表3中可以看出，當(dāng)溫度在650℃～800℃區(qū)間內(nèi)碳纖維能夠灰化完全，且分析結(jié)果良好。從加熱時(shí)間和節(jié)約的角度出發(fā)本文最終確定灰化溫度為700℃。

表2 碳纖維灰化溫度的影響

2.1.2 硅對(duì)測(cè)定影響

灰化后的灰分用1+1硝酸提取樣品，發(fā)現(xiàn)樣品會(huì)有少量沉淀，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該沉淀含有少量的硅[9，10]，由于樣品灰分蓬松體積較大，為使樣品消解完全，灰分必須浸入氫氟酸中，經(jīng)試驗(yàn)，至少需要1mL氫氟酸才能浸沒灰分。本文進(jìn)行了揮硅用酸量討論，由表3可以看出，不加氫氟酸時(shí)分析結(jié)果明顯偏低，當(dāng)氫氟酸加入量達(dá)到1.5ml以上時(shí)，分析結(jié)果沒有顯著變化，說(shuō)明揮硅完全，本文最終采用2ml氫氟酸進(jìn)行揮硅處理。

表3 氫氟酸用量對(duì)結(jié)果的影響

2.1.3 酸介質(zhì)實(shí)驗(yàn)

分別用5%硝酸、鹽酸、硫酸標(biāo)液，進(jìn)行酸度標(biāo)準(zhǔn)溶液和提取試驗(yàn)[11]。以鉀、鈣、鐵為例繪制硝酸、鹽酸、硫酸對(duì)樣品測(cè)定的影響圖，見表4。

結(jié)果表明，三者中硝酸和鹽酸的差別不大，硫酸介質(zhì)對(duì)鉀和鐵影響較大，這是因?yàn)殡S著硫酸粘度大，霧化效率降低。本文選5%硝酸介質(zhì)。

表4 酸介質(zhì)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

2.2 方法檢出限

按實(shí)驗(yàn)方法采用鉑金坩堝空燒，2ml氫氟酸消解，10ml（1+1）HNO3提取后定容體積為50ml的情況下,連續(xù)測(cè)定全流程空白10份,得到標(biāo)準(zhǔn)偏差,3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算得到方法的檢測(cè)限為鉀0.6μg/g、鈣1.0μg/g、鈉1.2μg/g、鎂0.5μg/g、鐵0.8μg/g。

2.3 方法精密度

分別消解碳纖維樣品7份，進(jìn)行精密度試驗(yàn),結(jié)果見表5。

表5 精密度試驗(yàn)

2.4 方法準(zhǔn)確度試驗(yàn)

用加標(biāo)回收試驗(yàn)檢驗(yàn)方法的準(zhǔn)確度，準(zhǔn)確稱量5.0000碳纖維樣品放進(jìn)鉑金坩堝，用移液槍準(zhǔn)確加入配置好的含鉀、鈣、鈉、鎂、鐵10μg/ml混合標(biāo)準(zhǔn)溶液5ml，在烘箱中100℃烘干后，隨樣品一同放入馬弗爐進(jìn)行灼燒，消解后測(cè)得回收率見表6。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，用本法測(cè)定碳纖維原絲中的鉀、鈉、鈣、鎂、鐵結(jié)果滿意。

表6 加標(biāo)回收率試驗(yàn)

3 結(jié)論

聚丙烯腈基碳纖維進(jìn)行高溫灰化、氫氟酸揮硅處理后用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀一次測(cè)定其中的雜質(zhì)元素鉀、鈣、鈉、鎂、鐵的含量，經(jīng)精密度和準(zhǔn)確度試驗(yàn)證明是該方法選擇性好、快速簡(jiǎn)便、耗酸量少、穩(wěn)定性好。