聚乙烯材料中炭黑含量测试的后续研究

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。