文/吴博，刘瑶，庞承焕，李卫领(1. 国高材高分子材料产业创新中心有限公司；2. 金发科技股份有限公司企业技术中心；3. 塑料改性与加工国家工程实验室)
摘要：在测定炭黑含量时, 通常采用炭黑含量测定仪直接测定样品的热解阶段和分解阶段。实际在日常检测过程中，使用马弗炉分解炭黑可以更有效地节省检测时间，提高检测效率。本文主要探讨两种测试方法之间的差异和测试过程中其他一些影响因素的探究，其中使用马弗炉进行炭黑含量的分解阶段测试，所得到的数据更加稳定，精密度更高，可有效替代使用炭黑含量测试仪进行分解阶段的测试。
关键词：炭黑含量；炭黑含量测试仪；马弗炉；差异性研究
0 引言
炭黑是一种优秀的着色剂，也常用于塑料改性中，如改善材料介电性能[1]、耐光性能等。炭黑含量是线缆料重点检测项目之一，现常用的炭黑含量的测试方法主要为：直接燃烧法和TGA测试法。在一些研究中，采用热重分析法，在分解阶段，650℃温度下切换氧气测试，可替代直接燃烧法测试聚乙烯护套料中的炭黑含量[2]。作为应用在电缆和光缆绝缘护套材料性能测试上，主要影响着线缆料耐老化和耐环境开裂性能。炭黑作为一种光稳定剂，均匀分散于聚乙烯基体内，能有效的保护聚合物不发生降解[3] ，线缆的耐老化性能会随着炭黑含量的增加而提高，但是随着炭黑的加入，对线缆的耐环境应力的开裂性能会产生负面影响[4]。通常为了满足线缆的性能要求，兼顾炭黑对耐气候和耐环境应力开裂的要求，护套料的炭黑含量为(2.6±0.25)%[5]。
线缆料的炭黑含量管控需要从原材料到成品进行全面管控，特别是再生料的测试结果可能随着灰分以及原料本身自带炭黑等情况的不同，而出现相对于新料来说结果偏高或数据不稳定的情况[6]，所以生活源废塑料在回收过程中更需要对于其炭黑含量进行高效把控，以便于进行分类回收及再利用，确保成品性能稳定。测试标准GB/T2951－2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法》中，使用直接燃烧法测试样品的炭黑含量，其分解阶段可使用氧气或者空气。同样在企业日常生产检测中，使用炭黑含量测试仪(氧气)和马弗炉(空气)测试炭黑含量是最简单有效的检测手段之一，日常根据标准规定的步骤实际操作时，发现直接燃烧法存在许多不确定性，不能详细明确的指导每一步测试的进行[7]。同时，关于炭黑含量热解阶段的试验条件，常用的还有750℃灼烧测试等[8]。本文主要探究直接燃烧法测试炭黑含量中，使用炭黑含量测试仪进行分解阶段和使用马弗炉进行分解阶段的测试，两者之间的差异及比对，以及测试过程中一些影响因素的探究。
1 实验部分
1.1 主要原料与仪器
PE树脂：MDPE－GH5101，炭黑含量：(2.60±0.25)%(金发科技股份有限公司)。炭黑含量测试仪：DH－500B(上海盈诺精密设备有限公司)；马弗炉：SX2－4－12(慧通五金(广州)电热设备有限公司)；变色硅胶玻璃干燥器(市售)；分析天平：XS104(梅特勒－托利多国际贸易(上海)有限公司)。
1.2 实验过程
1.2.1 不同分解过程测试
使用MDPE－GH5101测试样品，理论炭黑含量(2.60±0.25)%，分别取10组样品进行炭黑含量测试仪与马弗炉分解阶段测试比对，测试前将燃烧舟灼烧后于干燥器内冷却至室温，备用，每组称量(1±0.1)g待测样品。
试验条件：
1) 使用DH－500B炭黑含量测试仪测试方法，设置热解程序：全程通1.5L/min氮气，0℃～350℃，升温10min；350℃～450℃，升温10min；450℃～600℃，升温10min；600℃恒温10min。设置分解程序：全程通1.5L/min氧气，0℃～600℃，升温10min；600℃恒温30min。
2) 马弗炉测试方法，热解同上，使用DH－500B炭黑含量测试仪进行热解阶段。分解阶段为马弗炉升温至600℃条件下，煅烧10min。
注：马弗炉分解方法在实际测试过程中，随着单次分解的燃烧舟增多，所热解的时间也应该增多，直到所有样品均能充分分解成白色灰分，即分解完全即可。
以上热解阶段及分解阶段的冷却过程均为在干燥器中冷却至室温后进行称量、记录。计算炭黑含量(C)：
其中，热解重量、分解重量和样品重量单位均为mg。
1.2.2 其他影响因素探究测试
阶段无异常，样品的冷却环境也会对数据造成一定影响，为具体探究不同称量环境下炭黑含量的变化情况：
1) 取6组样品，称重；
2) 同1.2.1马弗炉测试条件完成6组样品测试；其中：热解阶段和分解阶段于干燥器环境冷却称重后，再将样品置于50%湿度环境下30min，称重；
3) 记录样品重量m，热解重量A(干燥器环境冷却)、热解重量a(50%湿度环境冷却)，分解重量B(干燥器环境冷却)、分解重量b(50%湿度环境冷却)，以上重量单位均为mg；
4) 根据1.2.1计算对应的炭黑含量CAB(全程干燥器环境冷却)，并根据测试顺序记录Cab2(全程50%湿度环境冷却)、CAb3(热解阶段干燥器环境冷却－分解阶段50%湿度环境下冷却)、CaB4(热解阶段50%湿度环境冷却－分解阶段干燥器环境下冷却)；注：炭黑含量(C)下标数字代表记录顺序。字母为具体测试环境标识，如下表1所示。
5) 以全程在干燥器内进行冷却为标准冷却环境，并以此条件数据作为参考数据，计算炭黑含量同环境(CAB、Cab2)下极差Ｒ和不同环境(CAb3、CaB4)下最大极差r。
2 结果与讨论
2.1 炭黑含量测试仪分解阶段与马弗炉分解阶段测试比对
通过不同设备进行分解阶段测试，得到以下数据：
如图1、图2所示，对比使用炭黑含量测试仪直接进行分解阶段和马弗炉进行分解阶段测试，马弗炉分解阶段的测试结果整体标准偏差及相对标准偏差均小于炭黑含量测试仪进行分解阶段的测试结果，这表明使用马弗炉进行分解阶段的测试，测试结果数据波动小，精密程度高。
2.2 干燥环境对测试结果的影响
由表2、图3可知，在6组测试数据中，试验热解和分解冷却过程全程在干燥器内进行，或全程在50%湿度环境下进行，两者炭黑含量测试差异偏小，最大不超过0.13%，测试结果均在上下限内，但全程在干燥环境下进行冷却，数据最稳定。但如果不同环境下进行冷却，即热解冷却在干燥器内且分解冷却在50%湿度环境下，或者热解冷却在50%环境下，分解冷却在干燥器内，与标准冷却环境比对，能达到的最大的极差为0.33%，且均有超过上下限的值，所以在测试过程中保持冷却环境一致，并按要求在干燥器内进行冷却，是保障数据真实可靠的重要条件之一。
2.3 检测效率比对
如表3所示，对比炭黑含量测试仪和马弗炉，使用马弗炉进行炭黑含量测试的分解阶段，以其操作简单、耗时低、可单次容纳大量样品同时进行测试，测试过程保证分解充分，数据稳定性好，操作过程易观察，可有效减少分解不充分造成的测试异常情况，测试过程无需通氧，节省测试成本，可有效替代炭黑含量测试仪直接进行分解阶段的测试。
3. 结论
使用马弗炉进行分解阶段的测试方法可以有效的替代直接使用炭黑含量测试仪进行分解阶段的测试方法，其测试数据波动更小，精密度更高，且由于设备操作简单，耗时成本均低于炭黑含量测试仪，整体检测效率更高。在标准测试过程中，不稳定的冷却称量环境会造成炭黑含量数据的较大波动，确保冷却环境稳定，在干燥器内进行热解和分解后产物的冷却过程，也是保障数据稳定可靠的有效手段之一。
参考文献
［1］Alok K. Sahu，K. Sudhakar，Ｒ. M. Sarviya. Influence of U. V light on the thermal properties of HDPE/Carbon black composites［J］. Case Studies in Thermal Engineer- ing，2019( 11) ：15
［2］赵静，吴明埝，许军. 热重分析法测定聚乙烯护套料中 炭黑含量的探讨［J］. 电线电缆，2017( 05) ：28－31
［3］Xin Wang. Zewei Li，Zhiwu Chen，Lanying Zeng，Luyi Sun. Structural modification of carbon black for improving the dielectric performance of epoxy based composites［J］. Advanced Industrial and Engineering Polymer Ｒesearch，2018( 1) ：111－117
［4］李国政，曹承云. 黑色聚乙烯护套料耐光性的简易判 定［J］. 电线电缆，1998：25－28
［5］GB/T 15065－2009《电线电缆用黑色聚乙烯塑料》［S］.
［6］卢浩，胡俊敏，柯旋. 光缆用再生中密度聚乙烯护套料炭黑含量分析［C］. 2016 年通信线路学术会. 武汉 2016：316－319.
［7］王正刚，夏永生，樊轩虎，刘少锋，宋志佗. 聚乙烯中炭黑含量直接燃烧测试方法的探讨［J］. 现 代 传 输， 2018( 06) ：72－76
［8］周燕萍，孟祥艳，王雪蓉，魏莉萍，刘运传. 聚乙烯炭黑含量国标测试方法的探讨［J］. 理化检验： 物理分册， 2014( 03)
文章发表于《中国检验检测》2021年第05期
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