关于给水用聚乙烯管材回用料综合分析方法的探讨

王金星

青岛斯坦德检测股份有限公司 山东青岛 266000

2018年3月15日，给水用聚乙烯管材最新标准《GB/T 13663.2-2018给水用聚乙烯（PE）管道系统 第2部分：管材》由原国家质监总局与国家标准化管理委员会共同发布，该标准于2018年10月1日正式实施，替代原标准《GB/T 13663-2000给水用聚乙烯（PE）管材》。新标准中对于聚乙烯管材的“回用料”做出了新的解释说明，并提供了有助于评判是否添加了外部再生料或回收料的分析方法[1]。

近年以来，由于行业原材料价格上涨等因素，部分厂家考虑到生产成本等因素，在生产过程中违规超量添加外部再生料或回收料，导致产品整体性能下降。根据国家市场监督管理总局2019年度对给水用聚乙烯管材产品的监督抽查情况汇总发现，所抽查的23个省（区、市）196家企业生产的200批次聚乙烯（PE）管材产品中，有49批次产品不合格，不合格发现率高达24.5%，其中检测项目“灰分”的不合格发现频次最高，而造成灰分超出国家标准限值的最可能因素是在生产过程中添加了外部再生料或回收料，或者原混配料中存在外部再生料或回收料的成分[2]。同时，由于给水用聚乙烯管材产品主要用于城镇和农村的饮用水输送以及农田灌溉等领域，对产品有较高的卫生性能要求，添加外部再生料或回收料亦不利于卫生性能指标的控制。

因此，通过合适且准确的分析方法确认聚乙烯管材的回用料使用情况，对于生产企业控制产品质量、采购方鉴别产品质量尤为重要。目前，对回用料分析暂无明确的国家或行业标准，因此本文将从5种分析方法逐一进行解读，以致更为全面得评判聚乙烯管材回用料的添加情况。

1 分析方法

1.1 傅里叶红外光谱（FTIR）分析

红外光谱可用于表征和鉴别化学物质，其具有高度特征性。对比分析聚乙烯管材样品与标准红外光谱库中聚乙烯的FTIR曲线，通过匹配度数据分析，可快速对样品进行分析鉴定。下面给出了两种聚乙烯管材与标准红外光谱库中聚乙烯的对比FTIR曲线，可以明显看出，图1中样品吸收峰基本与标准红外光谱库中聚乙烯的吸收峰一致，图2中除聚乙烯的典型特征吸收峰外，样品还存在其他杂峰；因此推测图2管材样品中可能混有非聚乙烯成分的其他物质。

图1 样品红外对比谱图1

1.2 差示扫描量热（DSC）分析

差示扫描量热以样品吸热或放热的速率为纵坐标，以温度T或时间t为横坐标，可以测量物质的热力学参数。通过分析聚乙烯管材样品的DSC谱图，也可了解非同质物质的添加情况。在图3中，吸热速率曲线整体较为平滑，熔融温度范围基本与高密度聚乙烯一致，而图4中，在吸热速率曲线后部大约160℃处，有不平滑情况出现，推测图4管材样品中可能混有少量非聚乙烯成分的其他物质。

图2 样品红外对比谱图2

图3 样品DSC图谱1

图4 样品DSC图谱2

分析仪器厂家TA、型号Q20，升温速度10℃/min，二次升温。

1.3 热失重（TGA）分析

热失重可通过对样品在特定气体氛围下的高温加热，使其逐渐挥发、分解，在此过程中，可显示样品质量随温度变化的曲线，通过曲线特征分析来得出相关结论。如图5所示，在炭黑分解温度之前，热失重过程中，曲线相较平稳。图6中，炭黑分解温度之前部分有不平滑处，推测管材中可能混有回用料等其他物质。

图5 样品TGA图谱1

图6 样品TGA图谱2

仪器信息：TA，Q500，升温速率15℃/min，气体流速60mL/min，空气气氛。

1.4 扫描电子显微镜（SEM）分析

扫描电子显微镜可以利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，可以直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构。因此可以通过SEM来观测管材样品的脆断面，并评判其是否匀质及存有异物情况[3]。图7与图8分别为一种聚乙烯管材样品放大倍数为4000x与8000x的SEM图像，可以看出，断面形貌像较为均匀，无明显断层，无明显异物存在。图9与图10分别为另一聚乙烯管材样品相同放大倍数的图像，可以明显看出存在与均质部分形貌像不同的颗粒状异物，且分布较多，推测后者聚乙烯管材中可能混有回用料等其他物质。

图7 样品SEM形貌1（4000x）

1.5 指定元素（Fe、Ca）分析

除以上特定分析方法外，新标准《GB/T 13663.2-2018给水用聚乙烯（PE）管道系统 第2部分：管材》中对于回用料分析给出了推荐的分析方式及具体要求，详细描述如下：“通过对管材混配料或管材制品中铁和钙元素含量的测定有助于推测是否添加了外部再生料或回收料。铁和钙元素含量的测定在电感耦合等离子体发射光谱仪或电感耦合等离子体质谱仪上进行，符合本部分的混配料及其制品中的铁元素的含量一般不超过30mg/kg、钙元素的含量一般不超过300mg/kg。”

因此，可参考标准GB/T 13663.2-2018中推荐的指定元素测试进行回用料添加的评判。

图8 样品SEM形貌2（8000x）

图9 样品SEM形貌3（4000x）

图10 样品SEM形貌4（8000x）

2 结语

以上5种分析方法，分别从物质结构、热力学、微观形貌、特定元素等四个方面对回用料添加情况作了对比分析，每一种方法对于是否添加了回用料均有较为明显的区别，因此综合使用5种分析方法可以较为准确得评判聚乙烯管材样品中的回用料添加情况。