CEAST炭黑含量测定仪在聚乙烯生产中的应用

(中国石油独山子石化分公司，独山子 833699)

炭黑是作为一种常见的添加剂，经常用于橡胶和塑料的改性。独山子石化乙烯厂的一种聚乙烯产品，就是将炭黑的色母粒掺入到聚乙烯中，制成具有一定特性的，均匀的聚乙烯树脂的黑色粒料。作为出厂产品，炭黑含量是其质量控制的一个重要指标，用来指导日常生产和销售。橡胶和塑料为高分子有机材料，一般在500～700℃ 下热解为气体， 再由氮气流带走，而炭黑在此温度下仍保持不变。

GB/T 13021—1991中规定了热失重法测定聚乙烯管材和管件炭黑含的一般的测试程序和参数范围[1]，即：将一定量(约1g)的样品在氮气流中于550土50℃热解大约45min，并在900土50℃缎烧。根这〗据热解和锻烧前后的质量差计算炭黑含量。由于该方法并没有规定具体参数值，在实际操作的过程中，温度范围和样品质量的浮动造成测试重复性差、测试准确度低，严重影响了数据的准确性和检测实验室的可信度。因此，笔者利用CEAST炭黑含量测定仪运用正交试验的方法探究该项测试的最优条件，并对操作步骤进行了细化和部分条件的改进，提高了该方法中炭黑含量测试的准确度和重复性。

1 试验部分

1.1 仪器与材料

CEAST 6306.000 炭黑含量测定仪(自带除氧装置)；样品舟:长50～60mm；马弗炉；干燥器；干高纯度燥氮气，氧气含量<0.01%；专利商提供炭黑含量为2.30%的聚乙烯树脂。

1.2 试验方法

试验步骤按GB/T 13021—1991的规定执行

1.3 影响试验的因素分析

根据标准影响试验的因素有样品舟、氮气流速、氮气纯度、灼烧时间；热解温度、热解时间、样品质量、灼烧温度、氮气气流速率。

样品舟：在本标准中没有规定样品舟在装样之前是否要做处理，为了减小实验误差，针对此问题，笔者采用与煅烧相同的温度先对样品舟进行灼烧，在空气中放置10min，再放入干燥器冷却一定时间，遵循上述过程再反复灼烧一次样品舟，等其达到恒重后(两次称量误差小于0.0004g)，再称取样品进行分析。如此做法可减少因环境因素造成的试验误差。

氮气流速：由于方法规定了确切的氮气气流速率，在试验过程中要确保氮气流速保持方法要求，减少试验误差。

氮气纯度：本次试验所用氮气为高纯度，氧气含量<0.01%，满足方法要求。

灼烧时间：将热解过的样品舟放入马弗炉，灼烧至炭黑全部消失。在此过程以后，样品舟及剩余物质将基本保持不变，所以灼烧时间不作为可变因素研究。

综上所述通过GB/T 13021—1991规定的试验条件，还需要考察的因素有：热解温度(550土50℃)；热解时间(约45min)；样品质量(约1g)；灼烧温度(900土50℃)。

现利用正交试验表L9(34)将以上变量作为位级设计正交试验[2]，因素位级表如表1所示。

表1 因素位级表

根据以上因素位极表确定试验方案，试验方案及实验结果如表2所示。

表2 试验计划及结果

正交试验结果分析如表3所示。

表3 正交试验表L9 (34)分析结果

注：T1为因素1水平下相对误差结果之和，T2和T3以此类推；t1为T1的平均值，t2和t3以此类推；R为T1、T2和T3的极差。

2 试验结果与讨论

2.1 各因素对于结果相对误差的分析

极差的大小用来衡量试验中相应因素作用的大小，极差大的因素，意味着它的位级对于结果相对误差影响较大。通过表3我们可以看出，各因素对炭黑含量测定的影响由大到小为：A(热解温度)→B(热解时间)→C(样品质量)→D(灼烧温度)。

从4个因素不同位级相对误差结果之和T的平均值t可以看出，每个因素最好的水平为A2B2C1D1，而对于表2的结果分析可以看出相对误差最小的一组试验组合是A2B2C3D1，相对误差为0.87%，两个组合在C因素样品质量上存在差异。由于极差分析法得出的最优组合不在正交试验表L9(34)中，因此，为了探索最佳的试验条件，按照A2B2C1D1组合进行再次试验，得出的试验结果炭黑含量结果为2.29%，相对误差为0.33%。经过两种组合对比，可以发现A2B2C1D1组合要优于A2B2C3D1，由此可以证明小的取样量更有利于减小试验误差。因此确定最佳的试验参数为热解温度550℃，热解时间45min，灼烧温度为850℃，称样量为0.75g。

2.2 试验效果验证

利用上述最佳试验条件进行了6次平行试验，试验结果如表4所示。

表4 炭黑含量测定仪分析结果

从表4可以看出，执行最佳试验条件组合得出的炭黑含量平均值2.29%与约定真值2.30%的相对误差为-0.43%，标准偏差为0.02，达到了较好的准确度与重复性。

3 结论

(1)利用CEAST 6306.000 炭黑含量测定仪测定聚乙烯炭黑含量的过程中，热解时间，热解温度，样品质量和灼烧温度4个可变因素中，对炭黑含量测定影响由大到小为热解温度→热解时间→样品质量→灼烧温度。其中灼烧温度影响最小，在条件允许的情况下，减少称样量可减少试验误差。

(2)在试验过程中严格执行标准规定，控制氮气流速，样品舟做样之前恒重，保证样品舟处于温度传感器正下方等也可以减小试验误差。

(3)实验中利用CEAST 6306.000 炭黑含量测定仪测定聚乙烯炭黑含量的最优方案为热解温度550℃，热解时间45min，样品质量0.75g，灼烧温度为850℃。GB/T 13021-1991中规定了热失重法测定了样品量为约1g，在实际测定中，可在满足方法要求的同时，减少取样量，可以得到更好的结果。