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炭黑含量测试仪、照明护照

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聚乙烯材料中炭黑含量测试的后续研究

作者:
和晟仪器
来源:
上海和晟仪器科技有限公司
发布时间:
2019/05/24 11:35
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一、前言

近几年来通信技术发展极为迅速,作为现代通讯网 主要支柱之一的光纤光缆通讯具有通讯容量大、传送质 量高、保密性好和抗电磁干扰等一系列优点,已被各种 网络广泛采用,光纤光缆更是得到了空前的应用。

光缆护套作为光缆抵御外界环境侵蚀和破坏的第一 道防线,其性能优劣是关系光缆使用寿命长短以及在使 用寿命期限内传输性能稳定可靠的重要因素之一,聚乙 烯由于具有相对密度小、化学稳定性好、耐水、介电常 数小和电绝缘性能好等特点被广泛地用于光缆护套材料。 我们从阿仑尼乌斯定理知道高分子材料的使用寿命主要 取决于材料的活性和使用环境。作为衡量光缆用外护套 料环境性能的重要指标——炭黑含量的大小对影响光缆 护套环境性能具有非常重要的作用。

我们知道纯聚乙烯 (PE) 的耐气候老化和日光曝晒性 能很差,因而为提高 PE 耐气候老化和日光曝晒性能, 在聚乙烯护套料中,一是加入炭黑 (CB),二是加入紫 外光吸收剂。紫外光吸收剂价格昂贵一般不采用,而采 用既经济、又有很好效果的炭黑。炭黑不但起到对光缆 外护套染色的作用,它还是一种光屏蔽剂,能吸收紫外 光部分的波长,起到遮光作用,可防止聚乙烯分子链的 断裂和降解,从而避免护套材料被紫外线损伤而造成老 化。我们知道炭黑阻挡紫外线的效果与炭黑含量的多少 有关,如果光缆外护套炭黑含量偏小,光缆敷设后就可能在抗紫外线老化方面存在隐患,但是炭黑含量也不能 够一味地增大,一方面炭黑含量如果偏大很多就会造成 光缆成本的增加,因为炭黑的价格比纯聚乙烯要贵很多。 在 GB/T l5065-2009 标准中对炭黑含量做了规定,其大 小为 2.6±0.25%;另一方面如果护套炭黑含量偏大,外 护套体积电阻明显下降,这是因为导电炭黑增加以后, 炭黑颗粒之间的距离就比较接近,其颗粒相接触时炭黑 颗粒之间则形成电气网络,产生导电特性,显然,炭黑 的填充量越多,相互越密集,颗粒之间的高分子越少, 导电性越好。同时,炭黑含量的增加也使外护套拉伸强 度增加、冲击强度下降和耐环境应力开裂性能变差,主 要原因是炭黑粒子活性表面与若干大分子链相结合,形 成交联结构,当其中一条分子链受到应力时,就可以通 过这些交联点将应力分散传递到其他分子链上,若其中 某一链发生断裂,其它链也可以起到同样的加固作用, 而不致迅速危及全体,随着炭黑增加,材料的韧性下降, 刚性增加,导致耐环境应力开裂性能变差,影响光缆的 使用寿命。

二、实验部分

本文分别对高密度聚乙烯 (HDPE) 和中密度聚乙烯 (MDPE) 光缆用护套材料采用直接燃烧法测试材料中的 炭黑含量,测试步骤严格按照 GB/T2951.41-2008 中炭 黑含量测试步骤,发现烧完以后二者的燃烧产物状态不一样(见图 1、2),炭黑含量的测试结果依据判定标准 也出现了合格与不合格。为了调查原因,分别对二种燃 烧产物进行了后续分析,包括微观形貌、元素分析、显 微红外分析等。

1、实验仪器设备

炭黑含量测试仪、梅特勒电子天平、扫描电镜、显 微红外分析仪等。

2、实验结果分析和讨论

(1) 微观形貌对比

二种燃烧产物在宏观上对比明显,中密度聚乙烯产 物为灰白色,高密度聚乙烯产物为黑色。分别取样二种 产物进行微观观察,对比图见图 3-6。发现中密度燃烧 产物有稀疏的孔洞均匀分布,而高密度的燃烧产物则呈 现包裹团聚状态。

(2)元素组成对比

分别对图 5 和图 6 中选取一定区域,进行电子能谱 扫描,得到元素组成见图 7-10。

发现高密度聚乙烯燃烧产物成分比较单一,组成元素 只有 C 和 O,相比中密度聚乙烯的燃烧产物比较复杂,组 成的元素包括 C、O、Na、Mg、Al、Si、S、Cl、Ca、Ti、 Fe 等。而且二者的碳含量对比,高密度聚乙烯燃烧产物中 所占比例明显较大。为了数据的可靠性,对燃烧前高密度 聚乙烯颗粒料进行了元素扫描分析,发现只有 C 元素,元 素扫描图见图 11-12。另外对其它批次的中密度聚乙烯料 炭黑含量测试后的灰分进行了元素扫描,其结果见图 13。

(3)显微红外分析对比

分别选择高密度聚乙烯和中密度聚乙烯的燃烧产物 进行显微红外分析,每个样品分别在 3 处不同的部位进行 红外扫描,得到的红外扫描图见图 14-15。发现每个样品 不同部位得到的显微红外曲线比较一致,经过红外检索, 发现高密度聚乙烯燃烧产物的红外曲线得不到相应的匹配 产物,中密度聚乙烯燃烧产物的红外曲线与碳酸钙的红外 曲线匹配度较高(见图 16)。

三、 总结分析

本次实验主要分析了高密度和中密度聚乙烯光缆护 套材料,经过相同的炭黑含量测试实验操作步骤后,发现 燃烧产物不同,主要包括以下几个方面:

首先,燃烧产物外观上表现为中密度聚乙烯产物为灰 白色,高密度聚乙烯产物为黑色,微观上表现为中密度燃 烧产物有稀疏的孔洞均匀分布,而高密度的燃烧产物则呈 现包裹团聚状态。

其次,燃烧产物在元素组成上也存在较大差异,高 密度聚乙烯燃烧产物的元素只包括 C 和 O,中密度聚乙烯材料的燃烧产物的元素包括 C、O、Na、Mg、Al、Si、 S、Cl、Ca、Ti、Fe 等。可以间接推出中密度聚乙烯材料 中的添加剂成分比高密度聚乙烯材料中的复杂。另外,高 密度聚乙烯燃烧产物中的 C 含量明显比中密度聚乙烯燃 烧产物中的大,推测产生这种现象的可能原因:二种聚乙 烯材料中所添加的炭黑种类有差别,高密度聚乙烯材料中 的炭黑比较耐高温,在实验标准中要求的 600℃通空气条 件下没有充分燃烧,有残余的炭黑存在,所以最终导致高 密度聚乙烯材料的炭黑含量检测不合格,在实验标准要求 的 2.6±0.25%下限值以下。

另外,二种燃烧产物的显微红外曲线对比也进一步印 证了二种燃烧产物之间存在较大差异。对本次炭黑含量测 试产生的不同结果现象如需进一步的调查,下一步应该和 二种材料的生产厂家密切沟通,更深地探讨交流。

                                                                                                                                                                                                                                                                文章来源:杭州富通线缆材料研究有限公司 周林平

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