滴灌帶中炭黑含量測定的不確定度評定

馬建翔 楊經綸

0 前言

炭黑能使材料具有足夠的抗紫外老化能力，當炭黑含量的質量分數為2.00%～2.50% 時可確保有效地防止紫外線的影響。由于炭黑含量大小對單翼迷宮式滴灌帶（聚乙烯材料）具有重要的影響，國標中對滴灌帶中的炭黑含量作了規定，為了達到生產研發或產品使用的目的，炭黑含量是滴灌帶必須進行檢測的指標。在實際檢測過程中，由于人員、設備等不確定因素的存在，會對測量結果帶來影響，針對這種情況，依據GB/T13021-1999中的試驗方法對炭黑含量進行分析和評定，以便如實反映測量的可信度和準確性，確定影響測量不確定度的主要因素，減少人為誤差。

1 實驗部分

1.1測量設備

管式電阻爐：SK-2.5-13WS，北京市永光明醫療儀器廠;

箱式電阻爐：SX-12-10，北京市永光明醫療儀器廠;

電子天平，BSA224S-CW，德國賽多利斯電子天平（最大稱量220 g、分辨力 0.1 mg、線性±0.2 mg）;

石英樣品舟;

裝有無水硫酸銅的干燥器。

1.2測量原理

一定量的樣品在氮氣流中于550±50 ℃熱解大約45 min，并在900±50 ℃緞燒。根據熱解和鍛燒前后的質量差計算炭黑含量。

1.3測量方法

從同一批次、同種規格的滴灌帶產品中取試樣3份，每份1g左右，手工剪碎后稱量，準確至0.1 mg。將管式電阻爐升溫至550±50 ℃，打開氮氣（99.999%）鋼瓶，減壓閥調至0.05MPa，并使氮氣通過流量計，然后進入管式電阻爐，通氮氣10 min，趕走燃燒管內空氣。調節流量計，使氮氣通人管式電爐的流速為200 mL/min，大約5 min。

將裝有徉品的樣品舟推入管式電爐的中心，調節氮氣流速為100 mL/min，于550±50 ℃下熱解45 min。熱解終了時將樣品舟移回至管式爐的低溫部分。繼續保持通入氮氣10 min，取出樣品舟，置于干燥器中冷卻，稱量，準確至0.1 mg。將樣品舟置于馬福爐中鍛燒，溫度為900±50 ℃，直至炭黑全部消失為止。再放入干燥器中冷卻，稱量，準確至0.1 mg。

2 結果與討論

2.1不確定度分析的數學模型

滴灌帶中炭黑含量的質量百分含量按下式計算：

（1）

式中：c—炭黑含量，%;

m1—試樣質量，g;

m2—樣品舟和試樣在550℃熱解后的質量，g;

m3—樣品舟和試樣在900℃煅燒后的質量，g。

2.2不確定來源分析

從上述數學模型可以看出，滴灌帶中炭黑含量測定的不確定度來源于試樣質量m1、樣品舟和試樣在550 ℃熱解后的質量m2和樣品舟和試樣在900 ℃煅燒后的質量m3的不確定度，但上述計算式未反映試樣在試驗過程中的燃燒、炭化、灰化、人員操作等隨機效應及被測樣品的非均勻性等造成的的不確定性，在此應增加炭黑含量測量的重復性項，該項不確定度包含了測試過程的隨機效應、樣品非均勻性等造成的不確定度。

2.3標準不確定度計算

由于數學模型（1）中既涉及積、商，又涉及加、減，根據傳遞定律，炭黑含量測定的不確定度可表示如下：

（2）

2.3質量m1、m2、m3的標準不確定度

在炭黑測定中，涉及稱量有3 次，即m1、m2、m3，分別為試樣的質量、樣品舟和試樣在550℃熱解后的質量、樣品舟和試樣在900℃煅燒后的質量，需考慮的質量分量應包括m1、m2、m3。根據前面的分析，這三個的標準不確定度都是由天平的不確定度來確定，此天平校準引入的擴展不確定度主要來自于天平的線性、分辨力及稱量偏差。

2.3.1天平的線性

天平制造商給出了天平的線性為±0.2mg，其區間半寬為0.2mg，天平線性導致的不確定度采用矩形分布處理，其標準不確定度為：

2.3.2天平的分辨力

電子天平精度為0.1mg，區間半寬為0.05mg以矩形分布估計，則由分辨力引入的不確定度為

2.3.3天平的稱量偏差

電子天平經計量院校準，檢定證書給出電子天平的稱量范圍在10mg～50g時，其最大允許偏差為±0.5mg，其區間半寬為0.5mg，以矩形分布估計，則其引入的不確定度為

則 =0.32 mg

由于m2、m3和m1在同樣的環境條件下進行稱量，則

0.32mg

2.3.3炭黑含量重復性測定引入的標準不確定度（由隨機效應、爐溫及樣品不均一性等因素引起）

取一滴灌帶試樣，在標準規定的條件下測定10份樣品，其炭黑含量結果依次為：

2. 12%、2.22% 、2.27%、2.21%、2.14%、2.15%、2.18%、2.23%、2.16%、2.25%。

測量結果的平均值： %

所以10次測量標準差為：

%

由10次測量引入的標準不確定度為：

%

2.3.4靈敏系數

在本試驗中是取1g的滴灌帶試樣，炭黑含量約為2.19%，則m1 1g，

2.4合成標準不確定度

將上面的數字代入式（ 2） 中得：

3 結論

根據JJF1059-1999中7.1條，取包含因子 k = 2，得到滴灌帶炭黑含量的擴展不確定度：

則本次滴灌帶炭黑含量測量結果為：c = （2.19±0.04）%。