塑料原料用的炭黑（炭黑在聚乙烯塑料管道中的应用）

东宏使命—让天更蓝、水更清

一、炭黑在聚乙烯塑料管道中的作用

炭黑是以液体或气体碳氢化合物为原料，在缺氧条件下经不完全燃烧分解制得的，是塑料工业中一种重要的填充剂。

通常，聚乙烯塑料老化主要有光老化、氧化老化、热老化三种形式，其中，光老化作用最为明显，尤其是紫外线的辐射，而炭黑因其特殊的核芳烃结构，在其周边上含有邻羟基芳酮结构，所以能吸收紫外线，并且对光和热有很好的稳定性，可大幅度提升塑料的抗老化能力，炭黑是一种天然的抗紫外线剂且选材成本相对低廉。

图1 户外放置的垃圾桶

图1是长期户外放置的蓝色塑料垃圾桶，经过长期的户外阳光照射，垃圾桶已明显褪色，并且材料受光老化明显表现出脆性破坏。同理，对彩色的塑料管材，如果露天使用，在长期紫外线的照射之下，管材会明显掉色且材料老化导致的管材性能降低是最为致命的，比如经过光老化后材料的断裂伸长率降低、分子结构发生变化，承压能力降低、抗冲击能力减弱等。

为进一步验证炭黑提升塑料管道耐紫外线照射的能力，我们进行模拟实验，分别选用橙色、橘红色、蓝色、绿色、黑色PE100级聚乙烯混配料进行挤出塑化压制饼样，每种颜色样饼截取2块样品，一同放入氙灯老化试验箱进行紫外线照射，辐照强度550W/M2，1块在黑暗环境中自然放置，作为原样，500H后样品颜色变化如下：

图2 橙色样品颜色变化

图3 橘红色样品颜色变化

图4 紫外线照射500H后橘红色样品出现龟裂现象

图5 绿色样品颜色变化

图6 蓝色样品颜色变化

图7 黑色样品颜色变化

图2中，橙色样品在经过500H照射后，颜色已明显变浅；图3、图4中橘红色样品在经过500H照射后，颜色已明显变浅，并且出现明显的龟裂老化现象；图5中绿色样品在经过500H照射后，样品析出黄色颜料，颜色明显变暗，失去光泽；图6中，蓝色样品在经过500H照射后，颜色已明显变暗变浅，失去光泽；图7中，黑色样品在经过500H照射后，颜色无明显变化，且黑色样品在测试原材料的氧化诱导时间、熔体质量流动速率及断裂伸长率均无明显变化，表现出明显的抗老化特性。

从实验我们可以看出，黑色PE100级聚乙烯混配料比彩色PE100级聚乙烯混配料更耐紫外线照射，有更好的耐老化能力，这也就是为什么塑料管道通常是黑色的，为什么GB/T 13663中明确规定管材必须是黑色或蓝色的且蓝色管材不能露天使用的原因。

二、炭黑粒径、含量、分散性对塑料管道的影响

1、炭黑粒径、含量对塑料管道的影响

炭黑分散在塑料管道中，是通过吸收紫外线来提高塑料管道耐老化能力的，因此，炭黑粒径越小，含量越高，其表面积也就越大，吸收紫外线能力也就越强，塑料耐老化性能也就越好，但一定炭黑含量后对于材料光老化保护也逐步降低。

炭黑粒径太大，含量太少，起不到较好的吸收紫外线效果，但如果炭黑含量太高则会对管材性能产生影响，且会影响炭黑的分散。

故而对于管材用炭黑粒径及含量均有明确要求。

2、炭黑分散性对聚乙烯塑料管道的影响

炭黑在聚乙烯塑料管道中具有重要应用，但炭黑较难分散，不易均匀的分散到聚乙烯材料中，易造成炭黑分散性不好，有时还会对管材外观及力学性能造成影响，比如炭黑集聚导致的断裂伸长率下降、管材微观“窗口”现象、长期静液压耐压破坏等。

三、炭黑分散性的检测

目前检测炭黑分散性常用分散性吹膜机、电子金相显微镜来测量。

1、分散性吹膜机

图8 炭黑分散较差效果

图9 炭黑分散较好效果（流纹与成膜效果相关）

抽取适量黑色混配料，直接用分散性吹膜机挤出塑化成膜，目测一定面积吹膜中炭黑凝聚颗粒的大小形状和数量，用特定面积炭黑凝聚颗粒的大小和分布来表征炭黑的分散性能，图8即为炭黑分散较差的塑化成膜效果，炭黑集聚点较多，图9即为炭黑分散较好的塑化成膜效果。

2、电子金相显微镜

图10 炭黑分散较差效果

图11 炭黑分散较好效果

对黑色混配料进行制样，使用电子金相显微镜进行观察，通过炭黑颗粒粒径大小与GB/T 18251中等级进行比对确定炭黑分散性等级， 图10即为电子金相显微镜下炭黑分散较差的效果，炭黑集聚点较多，图11即为电子金相显微镜下炭黑分散较好的效果 。

四、小 结

通过上述案例大家可以看到，炭黑在聚乙烯塑料中作为一种光老化材料存在于聚乙烯中，但炭黑的含量及分散性能是有要求的，彩色类型产品比较适用于埋地或管廊、井下等弱光线环境。现在市场中出现了个别差异性产品，比如内白外黑、彩色管体等从产品性能的角度是不利的；但黑色的管材下边隐藏的是国内再生塑料、无机填充物料的劣质原材料现状，故而建议大家选用优质厂家产品对工程质量负责。

特别鸣谢：CNAS实验室主管/李腾供稿、CNAS实验室主任/孔德彬审核

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