Phoenix微波快速高温马弗炉在聚丙烯灰分测定中的应用

Phoenix微波快速高温马弗炉在聚丙烯
灰分测定中的应用
摘要：使用美国CEM公司生产的Phoenix微波快高温马弗炉，对聚丙烯（PP）进行灰分含量的测定，取规定量的PP样品，放入灰化腔内煅烧至恒重，再称量。

对比使用CEM公司提供的专利石英纤维坩埚与传统超纯石英坩埚的实验数据，分
析石英纤维坩埚在聚丙烯灰分测定中的优势。

同时，对比分析Phoenix微波快速
高温马弗炉与重量法测定的PP灰分含量，以及Phoenix微波快速高温马弗炉在
程序升温与快速升温下的实验数据，实验结果表明Phoenix微波快速高温马弗炉
在PP灰分测定实验中具有快速、准确的特点。

关键词：Phoenix；聚丙烯；灰分；石英纤维坩埚
Application of Phoenix High Temperature Microwave Focus Muffle Furnaces on Ash Content Test of Polypropylene
Liu Wen-chao
(PetroChina Fushun Petrochemical Company Research Institute, Liaoning Fushun 113004， China)
Abstract: Test the ash content of polypropylene using Phoenix
high temperature microwave focus muffle furnaces produced by CEM company of America,put specified amount of polypropylene in the
furnace until to weight constant,then weight. Contrastive data of the quartz fiber crucible produced by CEM company of America and the ordinary ultra-pure quartz crucible, analyse the advantage of quartz fiber crucible in the determination of polypropylene ash content. At
the same time contrastive analysis the ash content of polypropylene measured by Phoenix high temperature microwave focus muffle furnaces
and the weight method,and the date under the programmed temperature
rise and rapid temperature rise of Phoenix high temperature microwave focus muffle furnaces. The experimental results show that the Phoenix high temperature microwave focus muffle furnaces on ash content test
of polypropylene is fast and accurate.
Key words: Phoenix , Polypropylene, Ash Content,Quartz fiber crucible
聚丙烯是一种无毒、无味的白色高结晶聚合物，其成型性好，制品具有耐热、耐腐蚀、光泽度好等优点[1]。

聚丙烯（PP）的灰分含量是其重要的质量指标之一，PP的灰分是指PP在高温(850 ℃左右)完全燃烧后仍然不能挥发而残留下来的物
质在整个样品中的含量[2]。

通过分析PP的生产工艺以及产品流向的整个过程可知，PP灰分的来源主要包括原料中的杂质、给电子体、催化剂、添加剂和系统杂
质等[3]。

PP灰分含量的高低，对其加工工艺有着非常重要的影响，尤其是对于需
要进行拉伸处理的膜料及拉丝料等。

较高的灰分含量会对产品的物理化学性能造
成影响，而且生产成本也会上涨[4]。

随着PP应用范围的不断扩展，具有较低灰
分含量的高纯度PP在电子电器、医药、食品、纺织等领域展现了良好的应用前
景［5］。

随着高纯PP技术的发展，PP中灰分含量处于较低水平，进行准确测量的难度加大，测量的检出限、精密度、重现性等均面临新的挑战[6]。

因此，快速且
准确的分析PP的灰分含量，能够对优化催化剂以及添加剂的配比和用量提供指
导作用，而且可以对评价产品的性能指标提供依据[7]。

通过对灰分测量方法的探寻，更有利于在生产实际中降低聚丙烯树脂的灰分，从而提高聚丙烯树脂的产量，拓宽其使用范围[8]。

本文介绍了PP灰分的来源，并使用美国CEM公司生产的Phoenix微波快高
温马弗炉，对聚丙烯（PP）进行灰分含量的测定。

美国CEM公司生产的Phoenix
微波快速高温马弗炉采用专利聚能热辐射灰化腔，确保灰化腔内温度均匀性，无
须样品的炭化过程，直接进行样品的灰化，本实验采用该设备进行PP样品的灰
分含量测试，对该设备厂家提供的专利石英纤维坩埚与传统超纯石英坩埚进行实
验数据对比。

1 聚丙烯灰分来源
从装置生产工艺及产品流向的全过程进行考察，可以知道PP中的灰分主要
来自生产原料及辅助原料所含的杂质、主催化剂和助催化剂（三剂）、造粒过程
中的添加剂、产品包装及运输过程中的杂质等[9]。

催化剂一般包括Ti、Mg、Al
等金属元素，主催化剂作为聚合反应中心，聚合完成后被包裹在PP颗粒内部，
形成灰分；助催化剂中形成反应活性中心的部分会进入PP产品中，形成灰分。

造粒过程中的添加剂主要有抗氧剂、抗酸剂等，会产生Ca、P的氧化物，形成灰分。

生产工艺、原料来源、包装过程、运输过程等都会产生一定量的杂质，形成
灰分。

2 实验部分
2.1 试样与仪器
PP样品、Phoenix微波快速灰化系统、100ml超纯石英坩埚、100ml石英纤
维坩埚、烧杯、天平（精度0.1mg）、通风橱、干燥器。

2.2实验方法
2.2.1 石英纤维坩埚与传统超纯石英坩埚对比实验
（1）将Phoenix微波快速灰化系统快速升温至850℃，把经过干燥后的超纯
石英坩埚（A）和石英纤维坩埚（B）称重后放入腔体内，快速升温至850℃，
30min后取出放入干燥器内1h后称重，如此反复至每只坩埚恒重，即相继两次称
量结果之差不大于0.5mg。

两种坩埚分别设置三组平行试验，分别记作A-1、A-2、A-3、B-1、B-2、B-3。

（2）每份样品用烧杯称取预干燥后的PP样品50g，分3次把试样放入坩埚
中灰化，最后一次至恒重，计算出所得的灰分量，精确至0.1mg。

各平行试验结
果之差不大于其平均值的10%为有效值。

2.2.2 Phoenix微波快速高温马弗炉与重量法对比实验
重量法要求最终灰分量为5-50mg，以此来计算所需试样量。

通常可以进行一
次预测定，来确定样品能产生的灰分量。

对于灰分含量很少的样品，必须增大试
样量。

对于一次无法烧完的样品，可进行反复多次煅烧，直至试样全部烧完为止[10]。

表1给出了不同样品的推荐试样量。

表1 推荐试样量
Table 1 Recommended sample volume
灰分近似含量（如已知）
试样量/g所得灰分量/mg
/%
≤0.01≥2005-50
＞0.01-0.0510010-50
＞0.05-0.15025-50
＞0.1-0.22525-50
＞0.2≤1020-50
将坩埚恒重，将样品放入坩埚中，样品量小于坩埚高度的一半，使用电炉子
将其缓慢燃烧，对于试样量多的样品分多次燃烧，直至试样全部烧完为止。

将坩
埚放入已设置为850℃的马弗炉中煅烧30min后取出，将坩埚放入干燥器内1h后
称重，精确至0.1mg。

在相同条件下对坩埚进行恒重，即相继两次称量结果之差
不大于0.5mg。

设置三组平行试验，分别记作C-1、C-2、C-3。

将实验结果与B-1、B-2、B-3进行对比分析。

2.2.3 Phoenix微波快速高温马弗炉程序升温与快速升温对比实验
设置 Phoenix微波快速高温马弗炉程序升温，升温过程如表2所示：
表2 Phoenix微波快速灰化系统升温程序
Table 2 Temperature programming of Phoenix Microwave Focus Muffle Furnaces
程序目标温度
/℃
爬升时间
/min
灰化时间
/min
1105155
2250155
33551510
45502010
58503020
由于Phoenix微波快速高温马弗炉炉内腔体空间有限，一次性放入过多样品会对设备造成损害，所以每次煅烧PP样品不要超过20g。

用烧杯称取预干燥后的PP样品20g放入恒重后的石英纤维坩埚中，将坩埚放入Phoenix微波快速高温马弗炉中，按照设置好的程序进行升温。

待灼烧完毕，取出坩埚，放入干燥器内1h 后称重，计算出所得的灰分量，精确至0.1mg。

设置三组平行试验，分别记作D-1、D-2、D-3。

为方便对比分析，按照2.2.1中方法，试样量设为20g，放入恒重后的石英纤维坩埚中，将Phoenix微波快速灰化系统快速升温至850℃进行实验。

同样设置三组平行试验，分别记作E-1、E-2、E-3。

3 结果与讨论
3.1 石英纤维坩埚与传统超纯石英坩埚对比实验
3.1.1坩埚恒重结果
室温下，各坩埚质量如表3所示：
表3 室温下不同坩埚质量
Table 3 Weight of different crucibles at room temperature
坩埚种类123
超纯石英坩
72.7821g73.4165g70.3541g
埚（A）
3.3109g 3.2456g 3.2985g
石英纤维坩
埚（B）
将六个坩埚放入850℃Phoenix微波快速灰化系统中30min后，各坩埚质量如表4所示：
表4 煅烧一次后不同坩埚质量
Table 4 Weight of different crucibles after calcination once
坩埚种类123
72.7793g73.4082g70.3454g
超纯石英坩
埚（A）
石英纤维坩
埚（B）
3.3108g 3.2456g 3.2983g
由表4可以看出，石英纤维坩埚在高温前后基本无质量变化，因此，使用石英纤维坩埚前无须恒重，且高温灰化完成后冷却时间只有1min。

超纯石英坩埚仍需再次煅烧恒重。

再次将超纯石英坩埚放入850℃Phoenix微波快速灰化系统中30min后，称重结果分别为A-1：72.7792g ；A-2：73.4079g、A-3：70.3452g，与前一次结果差值均小于0.5mg，至此，六只坩埚全部恒重完毕。

3.1.2 灰分含量结果
灰分以质量分数计，数值以%表示，由下式给出：
式中：m0——干燥试样质量，单位为克（g）；
m1——所得灰分质量，单位为克（g）。

六只坩埚中试样的灰化过程质量变化如表5所示：
表5 灰化过程中坩埚质量变化
Table 5 Weight change of crucibles during ashing process
煅烧
次
数灰
化过程
A-1A-2A-3B-1B-2B-3
恒重后空
72.7
792g
73.4
079g
70.3
452g
3.3
108g
3.2
456g
3.2
983g
坩埚
1试样全部放入后煅烧30min
72.8
143g
73.4
394g
70.3
791g
3.3
364g
3.2
708g
3.3
244g
2再次煅烧30min
72.8
041g
73.4
337g
70.3
725g
3.3
364g
3.2
707g
3.3
246g
3再次煅烧30min
72.8
038g
73.4
335g
70.3
721g
由表5可知，将试样全部放入坩埚后，超纯石英坩埚经过3次煅烧后至恒重，而石英纤维坩埚煅烧第2次就已经恒重，缩短了试验时间。

灰化恒重后，各坩埚中灰分的质量如表6所示：
表6 各坩埚中灰分质量
Table 6 The ash quality in different crucibles
坩埚种类123
超纯石英坩
埚（A）
0.0246g0.0256g0.0269g
石英纤维坩
0.0256g0.0251g0.0263g 埚（B）
由此，根据式（1）可得到各组样品灰分含量，见表7：
表7 灰分含量
Table 7 The ash content
坩埚种类123
超纯石英坩
0.0492%0.0512%0.0538%埚（A）
0.0512%0.0502%0.0526%
石英纤维坩
埚（B）
应用两种坩埚所测得的样品灰分含量平均值及精密度如表8所示：表8 灰分含量平均值及精密度
Table 8 The average value of ash content and precision
坩埚种类平均灰分/%标准偏差S
0.05140.0017
超纯石英坩
埚（A）
0.05130.0010
石英纤维坩
埚（B）
由上述结果可知，两种坩埚测得的灰分含量最终结果差距不大，但是石英纤维坩埚测得的数据结果标准偏差较小，精确度更高。

此外，石英纤维坩埚在恒重前后质量不变，可以缩短实验时间。

3.2 Phoenix微波快速高温马弗炉与重量法对比实验
按照3.1.2中方法计算样品灰分含量，Phoenix微波快速高温马弗炉与重量法测得的PP样品灰分含量如表9所示：
表9 灰分含量
Table 9 The ash content
方法123平均值
Phoenix微波快速高温马弗炉发法（B）
0.05
12%
0.0502%0.0526%0.0513%
重量法（C）0.05
20%
0.0492%0.0508%0.0507%
由表9可知，两种方法所测得灰分含量相近。

应用重量法测定灰分含量，优点在于准确度高，所需设备及耗材价格低廉，成本低，缺点在于耗时长，实验过程中产生大量灰尘，污染环境，并且对实验操作人员的健康有影响，烫伤隐患较大，会产生明火，存在一定的安全隐患[11]。

应用Phoenix微波快速高温马弗炉测定灰分含量，可短时间内完成样品的测试，实验过程中产生的灰尘通过排风管道排向通风橱中，不会产生明火，对实验操作人员的健康影响小。

3.3 Phoenix微波快速高温马弗炉程序升温与快速升温对比实验
按照3.1.2中方法计算样品灰分含量，Phoenix微波快速高温马弗炉程序升温与快速升温测得的PP样品灰分含量如表10所示：
表10 灰分含量
Table 10 The ash content
方法123平均值
程序升温法（D）
0.05
03%
0.0482%0.0521%0.0502%
快速升温法（E）
0.05
14%
0.0501%0.0476%0.0497%
由表10可知，两种方法所测得灰分含量相近，快速升温法较程序升温法更
省时，所以实验可采用快速升温法。

4 结论
（1）CEM专利石英纤维坩埚增进反应循环气流，强化氧化燃烧效率，在高温
前后无重量变化，无须恒重，大幅度降低灰化时间，且可以快速冷却至室温，具
备无需干燥，防燃烧安全性能。

（2）CEM专利石英纤维坩埚中样品燃烧完全，可以仅煅烧一次30min至恒重，不用反复试验至恒重，缩短试验时间。

（3）使用CEM专利石英纤维坩埚所测得的样品灰分含量数据精确度更高。

（4）应用Phoenix微波快速高温马弗炉测定PP灰分含量较重量法具有时间短，且操作简单安全的优点。

（5）应用Phoenix微波快速高温马弗炉测定PP灰分含量时可采用快速升温法，更方便省时。

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作者信息：
姓名：刘文超
单位：抚顺石化公司研究院
邮箱：**********************.cn 电话：158****4703。