CEAST炭黑含量測定儀在聚乙烯生產中的應用

(中國石油獨山子石化分公司，獨山子 833699)

炭黑是作為一種常見的添加劑，經常用于橡膠和塑料的改性。獨山子石化乙烯廠的一種聚乙烯產品，就是將炭黑的色母粒摻入到聚乙烯中，制成具有一定特性的，均勻的聚乙烯樹脂的黑色粒料。作為出廠產品，炭黑含量是其質量控制的一個重要指標，用來指導日常生產和銷售。橡膠和塑料為高分子有機材料，一般在500～700℃ 下熱解為氣體， 再由氮氣流帶走，而炭黑在此溫度下仍保持不變。

GB/T 13021—1991中規定了熱失重法測定聚乙烯管材和管件炭黑含的一般的測試程序和參數范圍[1]，即：將一定量(約1g)的樣品在氮氣流中于550土50℃熱解大約45min，并在900土50℃緞燒。根這〗據熱解和鍛燒前后的質量差計算炭黑含量。由于該方法并沒有規定具體參數值，在實際操作的過程中，溫度范圍和樣品質量的浮動造成測試重復性差、測試準確度低，嚴重影響了數據的準確性和檢測實驗室的可信度。因此，筆者利用CEAST炭黑含量測定儀運用正交試驗的方法探究該項測試的最優條件，并對操作步驟進行了細化和部分條件的改進，提高了該方法中炭黑含量測試的準確度和重復性。

1 試驗部分

1.1 儀器與材料

CEAST 6306.000 炭黑含量測定儀(自帶除氧裝置)；樣品舟:長50～60mm；馬弗爐；干燥器；干高純度燥氮氣，氧氣含量<0.01%；專利商提供炭黑含量為2.30%的聚乙烯樹脂。

1.2 試驗方法

試驗步驟按GB/T 13021—1991的規定執行

1.3 影響試驗的因素分析

根據標準影響試驗的因素有樣品舟、氮氣流速、氮氣純度、灼燒時間；熱解溫度、熱解時間、樣品質量、灼燒溫度、氮氣氣流速率。

樣品舟：在本標準中沒有規定樣品舟在裝樣之前是否要做處理，為了減小實驗誤差，針對此問題，筆者采用與煅燒相同的溫度先對樣品舟進行灼燒，在空氣中放置10min，再放入干燥器冷卻一定時間，遵循上述過程再反復灼燒一次樣品舟，等其達到恒重后(兩次稱量誤差小于0.0004g)，再稱取樣品進行分析。如此做法可減少因環境因素造成的試驗誤差。

氮氣流速：由于方法規定了確切的氮氣氣流速率，在試驗過程中要確保氮氣流速保持方法要求，減少試驗誤差。

氮氣純度：本次試驗所用氮氣為高純度，氧氣含量<0.01%，滿足方法要求。

灼燒時間：將熱解過的樣品舟放入馬弗爐，灼燒至炭黑全部消失。在此過程以后，樣品舟及剩余物質將基本保持不變，所以灼燒時間不作為可變因素研究。

綜上所述通過GB/T 13021—1991規定的試驗條件，還需要考察的因素有：熱解溫度(550土50℃)；熱解時間(約45min)；樣品質量(約1g)；灼燒溫度(900土50℃)。

現利用正交試驗表L9(34)將以上變量作為位級設計正交試驗[2]，因素位級表如表1所示。

表1 因素位級表

根據以上因素位極表確定試驗方案，試驗方案及實驗結果如表2所示。

表2 試驗計劃及結果

正交試驗結果分析如表3所示。

表3 正交試驗表L9 (34)分析結果

注：T1為因素1水平下相對誤差結果之和，T2和T3以此類推；t1為T1的平均值，t2和t3以此類推；R為T1、T2和T3的極差。

2 試驗結果與討論

2.1 各因素對于結果相對誤差的分析

極差的大小用來衡量試驗中相應因素作用的大小，極差大的因素，意味著它的位級對于結果相對誤差影響較大。通過表3我們可以看出，各因素對炭黑含量測定的影響由大到小為：A(熱解溫度)→B(熱解時間)→C(樣品質量)→D(灼燒溫度)。

從4個因素不同位級相對誤差結果之和T的平均值t可以看出，每個因素最好的水平為A2B2C1D1，而對于表2的結果分析可以看出相對誤差最小的一組試驗組合是A2B2C3D1，相對誤差為0.87%，兩個組合在C因素樣品質量上存在差異。由于極差分析法得出的最優組合不在正交試驗表L9(34)中，因此，為了探索最佳的試驗條件，按照A2B2C1D1組合進行再次試驗，得出的試驗結果炭黑含量結果為2.29%，相對誤差為0.33%。經過兩種組合對比，可以發現A2B2C1D1組合要優于A2B2C3D1，由此可以證明小的取樣量更有利于減小試驗誤差。因此確定最佳的試驗參數為熱解溫度550℃，熱解時間45min，灼燒溫度為850℃，稱樣量為0.75g。

2.2 試驗效果驗證

利用上述最佳試驗條件進行了6次平行試驗，試驗結果如表4所示。

表4 炭黑含量測定儀分析結果

從表4可以看出，執行最佳試驗條件組合得出的炭黑含量平均值2.29%與約定真值2.30%的相對誤差為-0.43%，標準偏差為0.02，達到了較好的準確度與重復性。

3 結論

(1)利用CEAST 6306.000 炭黑含量測定儀測定聚乙烯炭黑含量的過程中，熱解時間，熱解溫度，樣品質量和灼燒溫度4個可變因素中，對炭黑含量測定影響由大到小為熱解溫度→熱解時間→樣品質量→灼燒溫度。其中灼燒溫度影響最小，在條件允許的情況下，減少稱樣量可減少試驗誤差。

(2)在試驗過程中嚴格執行標準規定，控制氮氣流速，樣品舟做樣之前恒重，保證樣品舟處于溫度傳感器正下方等也可以減小試驗誤差。

(3)實驗中利用CEAST 6306.000 炭黑含量測定儀測定聚乙烯炭黑含量的最優方案為熱解溫度550℃，熱解時間45min，樣品質量0.75g，灼燒溫度為850℃。GB/T 13021-1991中規定了熱失重法測定了樣品量為約1g，在實際測定中，可在滿足方法要求的同時，減少取樣量，可以得到更好的結果。