以微波馬弗爐法測定聚乙烯中炭黑的質量分數

孫風琴 全乃佳 奚列聞

(中國石化上海石油化工股份有限公司質量管理中心，上海 200540)

炭黑是一種高效的紫外線吸收劑和光屏蔽劑，廣泛應用于聚乙烯給水管材、管件、燃氣管道等。當炭黑質量分數為2.0%～3.0%時，可有效防止紫外線輻射，保證管材的使用壽命[1]。

目前石化行業相關聚乙烯管材料中炭黑質量分數的檢驗均按照GB/T 13021—1991《聚乙烯管材和管件炭黑含量的測定》。此方法真空熱解需要45 min，并且同一時間只能對單個樣品進行熱解，測試從開始到結束需要120 min，如果進行平行試驗則需要180 min。該方法費時費力，測試效率低，分析成本高，不利于生產控制。雖然使用熱重分析儀也可以測定聚乙烯中炭黑質量分數[2]，但目前國內無相應的標準，因此對此方法不展開研究。文章主要研究使用微波馬弗爐法[3]測定聚乙烯中炭黑質量分數，并將微波馬弗爐法與傳統管式爐法兩者的測試結果進行比較和評價。

1 試驗部分

1.1 試驗方法

Phoenix Airwave微波灰化系統是專為石化行業等高揮發分樣品分析設計的，符合ASTM D5630—1994、ASTM D1509—1994b標準，能快速精確地測定灰分、添加劑、重金屬等含量。使用CEM公司專利的自密閉無氧坩堝，在無需惰性氣體氮氣保護和封閉試管條件下，微波馬弗爐法可用來迅速而準確地測定聚乙烯中的炭黑質量分數，所獲得的結果與傳統的管式爐法相近。與管式爐法相比，該方法所用分析時間更短，可有效提高工作效率和測試精密度，降低分析成本，滿足生產控制需要的快捷準確。

1.2 主要儀器與材料

微波灰化儀，Pheonix-Airwave，美國CEM公司；馬弗爐，SX2-5-12型，上海實驗電爐廠；管式爐，6306型，CEAST公司；電子天平，AE240型，精確至0.1 mg，梅特勒公司；聚乙烯管材料YGH041T,中國石化上海石油化工股份有限公司。

1.3 測試

1.3.1 測試步驟

稱取試樣顆粒質量m1(約1 g)置于密閉無氧坩堝中，然后將坩堝放入微波灰化儀中，調節氣體流量為100 mL/min，在500～600 ℃下熱解一定時間，從微波灰化儀中取出坩堝放入干燥器冷卻至室溫，稱量質量m2，再放入微波灰化儀在850～950 ℃下煅燒至炭黑全部消失為止，再放入干燥器中冷卻，稱量m3。

1.3.2 計算公式

(1)

2 結果與討論

2.1 氣體性質的影響

傳統管式爐法要求樣品在惰性氣體氮氣保護下進行熱解，且其氧體積分數要小于20×10-6，防止樣品與氧發生反應。微波馬弗爐法使用不同的氣體即氮氣和空氣熱解樣品，分別在熱解溫度為550 ℃、熱解時間為10 min的條件下進行測試。使用氮氣時試驗結果分別為2.38%、2.36%、2.35%，使用空氣時試驗結果分別為2.36%、2.34%、2.36%。由此可見在空氣和氮氣環境下測定結果一致。這是因為微波消解儀配套使用了CEM公司專利的密閉無氧坩堝，即使用空氣進行熱解，但在密閉無氧坩堝中氧的體積分數小于20×10-6，對聚乙烯熱解未產生明顯影響，故可用空氣替代氮氣進行熱解。

2.2 熱解時間及溫度的影響

參考標準GB/T 13021—1991中熱解溫度(500～600 ℃)的試驗要求，考慮到熱解溫度的高低直接影響熱解時間的長短，在確保測試結果準確前提下盡可能縮短分析時間，提高分析效率，故選取550 ℃、600 ℃兩個試驗溫度。結合上述試驗結果，使用空氣進行熱解，分別在熱解時間為15 min、5 min、2 min下進行試驗，并將測試結果與管式爐法作比較，考察熱解時間及溫度對炭黑質量分數測試的影響。試驗結果見表1。

表1 不同熱解時間及溫度對炭黑質量分數的影響 %

從表1結果可知：在550 ℃、600 ℃分別熱解15 min時，因在空氣熱解氛圍下密閉無氧坩堝中仍有少量氧氣存在，樣品中炭黑可能被氧化，造成測定結果偏低[4]；熱解5 min時，測試結果與管式爐法測試結果較為相近，尤其是600 ℃測試結果更趨于一致；熱解2 min時，由于樣品中聚合物未完全熱解，在850～950 ℃被高溫煅燒，使得炭黑質量分數測定結果偏高。故采用微波馬弗爐法在空氣流下600 ℃熱解5 min可替代傳統管式爐法進行樣品炭黑質量分數的測定。

2.3 管式爐法與微波馬弗爐法測試結果比較

作為對比試驗，按照GB/T 13021—1991標準要求，利用管式爐法重復測試樣品，在通入空氣后于600 ℃熱解5 min條件下重復測試樣品，其測試及統計結果見表2。

表2 管式爐法與微波馬弗爐法測試結果比較 %

從測試結果看，兩種測試方法的相對標準偏差均小于2%，說明兩種方法均具有較好的重復性。

從表2可以看出：微波馬弗爐法的標準偏差小于管式爐法的標準偏差，說明其精密度要高于管式爐法。與傳統的管式爐法相比，微波馬弗爐法存在以下優點：(1)測試時無需使用惰性氣體氮氣保護，空氣亦可滿足測試要求，且操作相對簡便；(2)熱解時間從原先的45 min縮短到5 min，有效減少了熱解時間；(3)管式爐法必須每個樣品分別測試，而微波馬弗爐法最多可8個樣品同時進行測試。

2.4 驗證試驗

用炭黑質量分數為38%～42%的聚乙烯炭黑母料，在通入空氣600 ℃熱解5 min條件下重復測試3次，數據分別為39.32%、39.26%、39.29%，精密度及準確度都較好，驗證了微波馬弗爐法能快速準確地測定聚乙烯中的炭黑質量分數。

3 結論

(1)可使用微波馬弗爐法替代傳統管式爐法測定聚乙烯中炭黑質量分數，測試條件為通入氮氣或空氣，熱解溫度為600 ℃，熱解時間為5 min。

(2)與傳統管式爐相比，微波馬弗爐法縮短了熱解時間，且可同時分析多個樣品，有效提高了工作效率和測試精密度，降低了分析成本。