以微波马弗炉法测定聚乙烯中炭黑的质量分数

孙风琴 全乃佳 奚列闻

(中国石化上海石油化工股份有限公司质量管理中心，上海 200540)

炭黑是一种高效的紫外线吸收剂和光屏蔽剂，广泛应用于聚乙烯给水管材、管件、燃气管道等。当炭黑质量分数为2.0%～3.0%时，可有效防止紫外线辐射，保证管材的使用寿命[1]。

目前石化行业相关聚乙烯管材料中炭黑质量分数的检验均按照GB/T 13021—1991《聚乙烯管材和管件炭黑含量的测定》。此方法真空热解需要45 min，并且同一时间只能对单个样品进行热解，测试从开始到结束需要120 min，如果进行平行试验则需要180 min。该方法费时费力，测试效率低，分析成本高，不利于生产控制。虽然使用热重分析仪也可以测定聚乙烯中炭黑质量分数[2]，但目前国内无相应的标准，因此对此方法不展开研究。文章主要研究使用微波马弗炉法[3]测定聚乙烯中炭黑质量分数，并将微波马弗炉法与传统管式炉法两者的测试结果进行比较和评价。

1 试验部分

1.1 试验方法

Phoenix Airwave微波灰化系统是专为石化行业等高挥发分样品分析设计的，符合ASTM D5630—1994、ASTM D1509—1994b标准，能快速精确地测定灰分、添加剂、重金属等含量。使用CEM公司专利的自密闭无氧坩埚，在无需惰性气体氮气保护和封闭试管条件下，微波马弗炉法可用来迅速而准确地测定聚乙烯中的炭黑质量分数，所获得的结果与传统的管式炉法相近。与管式炉法相比，该方法所用分析时间更短，可有效提高工作效率和测试精密度，降低分析成本，满足生产控制需要的快捷准确。

1.2 主要仪器与材料

微波灰化仪，Pheonix-Airwave，美国CEM公司；马弗炉，SX2-5-12型，上海实验电炉厂；管式炉，6306型，CEAST公司；电子天平，AE240型，精确至0.1 mg，梅特勒公司；聚乙烯管材料YGH041T,中国石化上海石油化工股份有限公司。

1.3 测试

1.3.1 测试步骤

称取试样颗粒质量m1(约1 g)置于密闭无氧坩埚中，然后将坩埚放入微波灰化仪中，调节气体流量为100 mL/min，在500～600 ℃下热解一定时间，从微波灰化仪中取出坩埚放入干燥器冷却至室温，称量质量m2，再放入微波灰化仪在850～950 ℃下煅烧至炭黑全部消失为止，再放入干燥器中冷却，称量m3。

1.3.2 计算公式

(1)

2 结果与讨论

2.1 气体性质的影响

传统管式炉法要求样品在惰性气体氮气保护下进行热解，且其氧体积分数要小于20×10-6，防止样品与氧发生反应。微波马弗炉法使用不同的气体即氮气和空气热解样品，分别在热解温度为550 ℃、热解时间为10 min的条件下进行测试。使用氮气时试验结果分别为2.38%、2.36%、2.35%，使用空气时试验结果分别为2.36%、2.34%、2.36%。由此可见在空气和氮气环境下测定结果一致。这是因为微波消解仪配套使用了CEM公司专利的密闭无氧坩埚，即使用空气进行热解，但在密闭无氧坩埚中氧的体积分数小于20×10-6，对聚乙烯热解未产生明显影响，故可用空气替代氮气进行热解。

2.2 热解时间及温度的影响

参考标准GB/T 13021—1991中热解温度(500～600 ℃)的试验要求，考虑到热解温度的高低直接影响热解时间的长短，在确保测试结果准确前提下尽可能缩短分析时间，提高分析效率，故选取550 ℃、600 ℃两个试验温度。结合上述试验结果，使用空气进行热解，分别在热解时间为15 min、5 min、2 min下进行试验，并将测试结果与管式炉法作比较，考察热解时间及温度对炭黑质量分数测试的影响。试验结果见表1。

表1 不同热解时间及温度对炭黑质量分数的影响 %

从表1结果可知：在550 ℃、600 ℃分别热解15 min时，因在空气热解氛围下密闭无氧坩埚中仍有少量氧气存在，样品中炭黑可能被氧化，造成测定结果偏低[4]；热解5 min时，测试结果与管式炉法测试结果较为相近，尤其是600 ℃测试结果更趋于一致；热解2 min时，由于样品中聚合物未完全热解，在850～950 ℃被高温煅烧，使得炭黑质量分数测定结果偏高。故采用微波马弗炉法在空气流下600 ℃热解5 min可替代传统管式炉法进行样品炭黑质量分数的测定。

2.3 管式炉法与微波马弗炉法测试结果比较

作为对比试验，按照GB/T 13021—1991标准要求，利用管式炉法重复测试样品，在通入空气后于600 ℃热解5 min条件下重复测试样品，其测试及统计结果见表2。

表2 管式炉法与微波马弗炉法测试结果比较 %

从测试结果看，两种测试方法的相对标准偏差均小于2%，说明两种方法均具有较好的重复性。

从表2可以看出：微波马弗炉法的标准偏差小于管式炉法的标准偏差，说明其精密度要高于管式炉法。与传统的管式炉法相比，微波马弗炉法存在以下优点：(1)测试时无需使用惰性气体氮气保护，空气亦可满足测试要求，且操作相对简便；(2)热解时间从原先的45 min缩短到5 min，有效减少了热解时间；(3)管式炉法必须每个样品分别测试，而微波马弗炉法最多可8个样品同时进行测试。

2.4 验证试验

用炭黑质量分数为38%～42%的聚乙烯炭黑母料，在通入空气600 ℃热解5 min条件下重复测试3次，数据分别为39.32%、39.26%、39.29%，精密度及准确度都较好，验证了微波马弗炉法能快速准确地测定聚乙烯中的炭黑质量分数。

3 结论

(1)可使用微波马弗炉法替代传统管式炉法测定聚乙烯中炭黑质量分数，测试条件为通入氮气或空气，热解温度为600 ℃，热解时间为5 min。

(2)与传统管式炉相比，微波马弗炉法缩短了热解时间，且可同时分析多个样品，有效提高了工作效率和测试精密度，降低了分析成本。