邓德元，孙祥，宋长洪

(四川安费尔高分子材料科技有限公司四川绵竹)

摘要  采用熔融共混方法制备聚乙烯防腐料时，对影响聚乙烯防腐材料的主要因素如聚乙烯、炭黑材料提出了质量要求，着重介绍了炭黑的选择及其在材料中的分布测试方法及评定标准。

关键词 聚乙烯防腐料  炭黑  质量  测试方法  评定标准

Selection of carbon black and its distribution test in PE coating materials

 Deng Deyuan  Sun Xiang  Song Changhong

(Sichuan Unfire Polymer Materials Technology Co., Ltd., Mianzhu, Sichuan)

Abstract: In preparation of PE coating materials by melt blending method, the quality of carbon black and polyethylene material is very important for the performance of PE coating materials. The paper describes the selection of carbon black and the test method and evaluation standard for the distribution of carbon black in PE coating materials.

Key words: PE coating material, carbon black, quality, test method, evaluation standard

1概述  

我国天然气、石油输配系统管线防腐，城市市政建设供水、供气、热力管道防腐，水电系统各类管线、油罐、桥梁等防腐事业发展迅猛，实践也证明，聚乙烯防腐工艺自上世纪九十年代后期引进我国以来，得到广范的运用。但聚乙烯防腐料作为最外层防护层，首先要不被破坏，才能保证其他层的完好，从而保证整个管系的安全运行。业主及防腐安装工程公司都希望钢质管道及其他金属物通过防腐以后，质量安全可靠，使用寿命长，在恶劣的地质及气候条件下，管道埋地几十年后性能仍然优良可靠。

一根钢质管道或金属构件一般要求使用寿命在20年至50年，要保证其外层及内在性能的质量，就必须有优质的防护层，聚乙烯防腐层料有足够的机械强度、耐候抗老化性、环境开裂等性能。提高并保证聚乙烯防腐料的性能，必然要对原材料有较高的技术要求。

2影响聚乙烯防腐料质量的主要因素

聚乙烯防腐料是以聚乙烯树脂为基础，添加炭黑、抗氧剂、其他改性剂和助剂通过熔融共混造粒而成。聚乙烯防腐料是管道最外层的保护材料，其内在性能必须保证管道具有20年以上甚至50年的使用寿命。管道主要有堆放，运输、埋地三个过程 。在堆放运输过程中，钢制管道要受到日晒、雨淋和冷、热气候的侵袭，聚乙烯材料的耐光性不得不考虑，同时聚乙烯防护层也会发生氧化反应，管道 在地下敷设、地下土壤介质成份复杂，电化学腐蚀和表面活性剂，使聚乙烯防护层在环境应力作用下加速破坏。

综合以上情况要保证钢质管道达到设计使用寿命，聚乙烯防腐材料就必须具备以下性能：

1）出色的耐光性能及机械强度；

2）优良的耐环境应力开裂性；

3）优秀的电性能；

防腐安装公司及多数业主在衡量钢质管道优劣时，认为管道表面平整、光亮、乌黑就是好的聚乙烯防腐材料，通过上述分析证明，这种看法显然不够全面。

我们曾收集过一些生产厂的聚乙烯防腐材料，个别批次发现有炭黑分散性差的问题。炭黑分散度不好，就不能有效地阻挡日光中紫外线攻击，容易引发高分子材料的降解，所以炭黑分散性不好的防腐材料，几年后管道表面就可能出现裂纹，这种现象在短时间内是不容易察觉的。防腐管道公司为使自己的产品质量过硬及维护业主的利益，就必须注重防腐材料的选用。

2.1注重耐光性

为了阻挡阳光紫外线的攻击，防腐材料一般都采用耐光性最好的添加剂――炭黑。炭黑在聚乙烯中起到光屏蔽作用，使光波不能从炭黑层通过，从而保护了聚乙烯免遭紫外线的攻击。耐光电性能、开裂性能的好坏，主要取决于炭黑的种类、炭黑的含量（2~2.4%）和炭黑在塑料中的分散情况。这是影响聚乙烯防腐材料性能的三大因素。要求炭黑的粒径非常小（小于25nm），经过老化实验证明：随着粒径的增大，其耐光性能将变差。炭黑颗粒越小，其粒子之间的凝聚力就越大，分散越困难。炭黑既要符合GB/T23257－2009标准要求，又要均匀地分散在塑料中，是保证防腐材料质量要素之一。因此，通过检测炭黑在防腐材料中的分散度，就可以看出聚乙烯防腐材料质量水平及基本性能。

炭黑分散度的检查，在管道防腐公司很容易进行，花费少，操作简便、容易操作，利用标准图片对照非常直观。建立此项测试手段，保证聚乙烯防腐料炭黑含量及粒径在规定值之内，其耐老化、力学、电性能就有了比较可靠的保障。

2.1.1炭黑的选择

实验用主要原料

LDPE: 7042N，兰化；          HDPE：5000S，兰化；

HDPE：6098，齐鲁石化        POE:8150，LG公司

炭黑：N220，N330，N234，自贡；

硬脂酸锌，聚乙烯蜡，市购

2.1.2实验用主要仪器设备

双螺杆挤出机：SHJ35，科倍隆公司；

高速混合机：SHR50，张家港亿利机械；

液压平板硫化机：XLB-25JPH50，江都市精艺实验机械有限公司；

微机控制电子万能试验机：CMT6104Z型，美特斯工业系统（中国）有限公司；

冲片机实验机： TH-7010型，江都市天惠试验机械有限公司；

带锋利刀刃的刀片：双面剃须刀；

能放大100倍的生物显微镜：一般化学实验室用生物显微镜；

0.8~1.5mm厚的载玻片：医用仪器商店或玻璃仪器商店能采购到；

台式电热恒温干燥箱：202-00，天津泰斯特仪器有限公司

强力文件夹；

2.1.3 试样制备

将LLDPE7042与炭黑及助剂按一定比例混合均匀，然后在双螺杆挤出机上挤出，切粒，得到第一步母粒。在105℃，真空干燥炭黑母粒2小时。将LLDPE、POE、HDPE、母粒及助剂按一定比例混合均匀，然后在双螺杆挤出机上挤出，切粒，得到聚乙烯防腐材料。挤出机温度依次为190℃、200℃、215℃、215℃、215℃、215℃、215℃、210℃、210℃、215℃；螺杆转数为65r/min。将所造粒于真空烘箱中在105℃温度下干燥2小时，然后压制切成标准样条。

表-1炭黑牌号对共混聚乙烯防腐材料机械性能及加工性能的影响

/MPa        /%           /MPa        /KJ/m2           g/10min

2.1.2炭黑分散度的简易测试方法

操作步聚

1）在制成的标准样片或粒子上，在至少6处以上部位，用刀片各削一小薄片（注意一定要薄，重约0.2mg）

2）把削取的小薄片放在一片载玻上（载玻片表面预先擦干净），每小薄片之间有一定间隔，然后用另一片清洁的载玻片盖上已放好小薄片的载玻上，两片玻片用强力文件夹（至少两个）夹紧；

3）将带有夹子的载玻片组一起放入温度为200~210℃的烘箱内加热约3min，只要片子内所加的小薄片熔化开，小黑点变成半透明状态，即可取出放在阴凉处冷却至室温，将载玻片对着亮光看应呈半透明棕色，若小点不透光说明观察片没有制好。取样片太厚，加热时间不够，温度低或夹子回紧力不够，必须重做。

4）将冷却试样去除夹子，放入生物显微镜中进行观察，放大倍数应为100倍，但不得超过200倍（目镜乘物镜），物目镜相碰仍调节不清，应认为放大不是100倍，应用标准的倍片比较。

5）调整焦距能清楚地看测试样的边缘，前后左右移动试片，并取最差的部分（看图示）

2.1.3评定

1）显微镜下：图1表示炭黑分散度好，其余次之，图7最差；图8表示制片允许出现的外观污斑和条纹的最差情况。

2）计标方法：观察点中最差部分的炭黑分散情况与标准照片对照 ，与图1的情况相仿就记1，与图6的情况上仿记6，取6个测试点，对照标准照片记下6个数，取平均值并取整数，平均值≦5时，说明炭黑分散度合格，平均值＞5时，则说明不合格。数字越小表示炭黑的分散程度就越好。

3）由于夹子的力度或高温停留时间过长，取出时操作不细心，也有可能出现片中条纹或污斑。如果比图8更差时，应该重新制片。

本次实验方法对于管道防腐公司内部控制质量，比较各厂家防腐材料生产商聚乙烯防腐材料炭黑分散度的好坏是很有效的。当然对采购聚乙烯防腐材料的公司及业主，验收标准还应按照现行的技术规范文件，即GB/T23257－2009标准执行。

2.2耐环境应力开裂性能

耐环境应力开裂性能是聚乙烯防腐料另一个非常重要的性能要求。聚乙烯防腐材料对环境应力非常敏感，用聚乙烯做3PE防腐，要长期埋设于土壤中，个别区段长期浸在湿地及污水中，要呈受电化学腐蚀。一般的聚乙烯材料容易发生开裂。所以，做钢质管道防腐材料所用的聚乙烯必须采用特定的类别，专用型号，耐环境应力开裂性能优异的聚乙烯，并加入高效助剂共混改性。然而，这种耐环境应力开裂性能优异的聚乙烯防腐材料制造技术，目前尚未被所有的防腐材料制造商所掌握。耐环境应力开裂试验时间长，往往防腐工程已经做好，试验数据还未出来，如果管道防腐安装公司能自己检验耐环境应力开裂性能试验，则降低了质量风险。

2.3 结论

聚乙烯防腐材料力学性能和加工性能如表-1。可以看出，炭黑牌号的选择对共混材料的力学性能是有影响的。加入N234、N220 、N330其力学性能依次降低。而炭黑中N234 是新工艺高结构中超耐磨炭黑 ，N234与N220相比，其吸碘值与DBP吸收值要高10%~20%，与N330炭黑相比，含N220炭黑胶料的耐磨性要高10%~20，能赋予胶料较高的拉伸强度和抗撕裂强度。

通过熔融指数的测试，其数据表征同样炭黑含量，在力学性能优的前提下，选用粒径分布窄，结构高，细度更细的炭黑，合理的加工保证其分散效果，其加工流动性更优，在保证材料性能前提下，适当提高流动性有利于增加出胶量及外观。综合前文描述，对于材料生产厂家及管道防腐公司来讲，除了材料及防腐层满足标准外，如果特别重视炭黑的选择及自行解决以上两项实验，即炭黑分散度实验和耐环境应力开裂试验，一般情况下，就能生产出高质量的防腐材料以保证防腐外层的质量

备注：参考标准GB/T23257-2009标准和炭黑相关标准