白炭黑材料比表面積和孔徑分布表征方法

       摘要：白炭黑，作為一種性能優(yōu)異的多孔吸附劑與補(bǔ)強(qiáng)材料，其復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積和卓越的吸附性能，在橡膠工業(yè)、涂料、牙膏磨砂劑、食品添加劑及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域扮演著不可或替代的角色。比表面積和孔徑分布作為白炭黑性能的關(guān)鍵物理參數(shù)，其精準(zhǔn)測(cè)量一直是材料研發(fā)與工業(yè)質(zhì)控的核心需求。本文將結(jié)合國(guó)儀量子Climber60比表面積及孔徑分析儀的實(shí)際測(cè)試案例，詳細(xì)闡述該儀器在實(shí)現(xiàn)白炭黑精準(zhǔn)表征中的應(yīng)用價(jià)值與技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1.       白炭黑概述

白炭黑是一種白色粉末狀無(wú)定形硅酸鹽材料，主要包括沉淀二氧化硅、氣相二氧化硅和超細(xì)二氧化硅凝膠等，其主要成分為SiO?。其結(jié)構(gòu)以硅原子為中心、氧原子為頂點(diǎn)構(gòu)成無(wú)序排列的四面體單元，在粒子團(tuán)聚過(guò)程中形成豐富的毛細(xì)孔道，賦予材料較大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)[1]。

常規(guī)白炭黑的比表面積通常在100～400 m2/g之間，孔徑分布以2～50 nm的介孔為主，部分產(chǎn)品可兼具少量微孔。這一獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)使其具備優(yōu)異的吸附性能、高純度、良好穩(wěn)定性以及出色的補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性和觸變性等優(yōu)異性能。

2. 白炭黑比表面積與孔徑分布表征方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)與測(cè)試原理

根據(jù)GB/T 10722-2014《炭黑 總表面積和外表面積的測(cè)定 氮吸附法》和GB/T 19587-2017《氣體吸附BET法測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積》，明確了白炭黑比表面積應(yīng)使用氮?dú)馕椒▉?lái)測(cè)定，并對(duì)測(cè)定條件和方法做了詳細(xì)規(guī)定。同時(shí)該方法也可用于白炭黑材料的孔徑分析。

2.2       預(yù)處理條件選擇

樣品預(yù)處理目的是徹底清除樣品表面及孔隙中吸附的雜質(zhì)分子（如水分、氣體等），釋放有效的吸附位點(diǎn)，確保后續(xù)測(cè)試中吸附質(zhì)分子（如氮?dú)猓┠軌虺浞?、?zhǔn)確地吸附，從而獲得真實(shí)可靠的比表面積與孔徑分布數(shù)據(jù)。

預(yù)處理方式：白炭黑表面不僅含有物理吸附的附著水，其豐富的表面羥基等活性位點(diǎn)還會(huì)強(qiáng)烈吸附環(huán)境中的其他氣體分子。這些被占據(jù)的活性位點(diǎn)會(huì)顯著降低其對(duì)氮?dú)獾奈搅?，直接?dǎo)致比表面積測(cè)試結(jié)果偏低。常規(guī)烘箱處理雖能去除部分附著水，但除雜速率慢且不夠充分。因此，必須采用真空脫氣處理方式，通過(guò)在負(fù)壓環(huán)境下加熱，更高效、徹底地驅(qū)除各類(lèi)吸附雜質(zhì)。

預(yù)處理溫度：預(yù)處理溫度的選擇需建立在對(duì)白炭黑表面性質(zhì)的深刻理解上。其表面存在孤立自由羥基、締合羥基和雙生羥基等多種羥基類(lèi)型，這些基團(tuán)決定了材料的親水性、吸附性和表面活性[2]。過(guò)低的溫度無(wú)法有效清除與羥基結(jié)合的雜質(zhì)；而過(guò)高的溫度則可能導(dǎo)致部分羥基結(jié)構(gòu)變化，改變材料本征表面性質(zhì)。依據(jù) GB/T 10722-2014《炭黑 總表面積和外表面積的測(cè)定 氮吸附法》的明確規(guī)定，白炭黑材料的預(yù)處理溫度宜控制在 160℃±10℃。在此溫度下真空加熱處理 30分鐘以上，能有效去除吸附物質(zhì)，同時(shí)較好地保持其表面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.       國(guó)儀量子Climber60比表面積及孔徑分析儀產(chǎn)品方案

白炭黑密度小、質(zhì)地蓬松且靜電作用強(qiáng)，原生粒徑 5～100nm，抽真空初期易被氣流帶出樣品管，既損失樣品又可能污染儀器管路。國(guó)儀量子Climber60比表面積及孔徑分析儀針對(duì)此痛點(diǎn)，提供了針對(duì)性解決方案。

3.1 空氣隔離塞：雙重防護(hù)，保障樣品與系統(tǒng)

測(cè)試時(shí)使用自研的空氣隔離塞配件，可在白炭黑預(yù)處理后實(shí)現(xiàn)隔絕空氣轉(zhuǎn)移，避免樣品與空氣接觸改變性質(zhì)，同時(shí)通空氣隔離塞的過(guò)濾作用阻擋細(xì)小顆粒擴(kuò)散，避免管路污染，保障儀器潔凈與測(cè)試準(zhǔn)確。

3.2 靈活抽真空設(shè)計(jì)：精準(zhǔn)控速，防樣品抽飛

針對(duì)白炭黑抽飛風(fēng)險(xiǎn)，Climber60 采用比例閥可控設(shè)計(jì)，能靈活調(diào)節(jié)抽速；搭配多級(jí)抽真空流程，可平穩(wěn)提升真空度，杜絕樣品被氣流帶出，確保測(cè)試中樣品量穩(wěn)定。

4. 白炭黑比表面積和孔徑分布表征案例

4.1 白炭黑比表面積表征

以下是采用國(guó)儀量子Climber60比表面積及孔徑分析儀對(duì)兩種白炭黑（A和B）樣品的表征案例。測(cè)試前，兩種白炭黑樣品均在160℃真空條件下加熱120分鐘進(jìn)行充分的脫氣處理。對(duì)于介孔材料的BET計(jì)算時(shí)，P/P0選點(diǎn)范圍為0.05-0.3（GB/T 10722-2014規(guī)定白炭黑選點(diǎn)范圍為0.05-0.2）。從圖1和圖2的BET方程擬合曲線可得到白炭黑A和白炭黑B的比表面積分別為：209.81 m2/g和308.16 m2/g，白炭黑 B 的比表面積優(yōu)勢(shì)明顯，意味著其單位質(zhì)量的表面活性位點(diǎn)更多，在吸附、催化、補(bǔ)強(qiáng)等應(yīng)用場(chǎng)景中，可能表現(xiàn)出更優(yōu)的性能。

圖1 白炭黑A的比表面積測(cè)試結(jié)果（BET：209.81 m2/g）

圖2 白炭黑B的比表面積測(cè)試結(jié)果（BET：308.16 m2/g）

4.2 白炭黑孔徑分布表征

從圖3和圖4可以看出，白炭黑A與白炭黑B的N2吸附-脫附等溫線均符合Ⅱ型和Ⅳ型復(fù)合等溫線特征，且均伴有H3型滯后環(huán)，表明兩種白炭黑存在狹縫型的介孔或大孔結(jié)構(gòu)。此外，白炭黑B的單點(diǎn)吸附總孔容（0.8709 cm3/g）顯著高于白炭黑A（0.5732 cm3/g），增幅達(dá)52%，這一數(shù)據(jù)也直接表明了白炭黑B具備更為開(kāi)放和豐富的孔道結(jié)構(gòu)，從而提供了更大的客體分子容納空間。

圖3 白炭黑A的N2吸附-脫附等溫線

圖4 白炭黑B的N2吸附-脫附等溫線

結(jié)合圖5與圖6可見(jiàn)，白炭黑A和白炭黑B的孔徑分布集中在5～300nm 區(qū)間，分布相對(duì)寬泛，孔徑尺寸具備多樣性。其中，白炭黑 B 的孔體積變化率曲線（綠色）峰值更高，累計(jì)孔體積曲線（紅色）增長(zhǎng)更為陡峭，這表明該材料不僅整體孔容更大，且孔容的集中程度也更高，因而更適配對(duì)高表面活性、高吸附容量有需求的場(chǎng)景，像高效催化劑載體、吸附劑以及高端橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑等領(lǐng)域。

圖5 白炭黑A的BJH-吸附孔徑分布圖

圖6 白炭黑B的BJH-吸附孔徑分布圖

綜上，國(guó)儀量子Climber60比表面積及孔徑分析儀，借助自研空氣隔離塞與比例閥抽速可控設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)解決白炭黑分析時(shí)樣品易被抽飛、管路易受污染的問(wèn)題，為白炭黑行業(yè)提供了安全、可靠的高效表征解決方案，助力行業(yè)實(shí)現(xiàn)材料精準(zhǔn)分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 尤波.白炭黑的表面改性及其橡膠補(bǔ)強(qiáng)性能研究[D].中南大學(xué),2024.

[2] 崔小明.改性白炭黑在橡膠中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].精細(xì)與專(zhuān)用化學(xué)品, 2023.

國(guó)儀量子Climber60比表面積及孔徑分析儀產(chǎn)品介紹

產(chǎn)品功能：

比表面積測(cè)試：0.0005 m2/g及以上；

孔徑分析：0.35-500 nm孔徑分析；總孔體積：0.0001 cc/g及以上

測(cè)試氣體：N2、Ar、CO2、Kr等其他非腐蝕性氣體

測(cè)試精度：定量誤差< 0.5%RSD（以標(biāo)準(zhǔn)樣品BET值計(jì)）

測(cè)試通量：6站并行測(cè)試

產(chǎn)品特點(diǎn)：

高通量快速測(cè)試

精巧高通量氣路設(shè)計(jì)結(jié)合智能精準(zhǔn)控氣程序，極大提升測(cè)試效率，6個(gè)樣品五點(diǎn)BET測(cè)試可在20 min內(nèi)完成。

管路系統(tǒng)

集裝式管路精密設(shè)計(jì)最大限度減小歧管死體積，可長(zhǎng)時(shí)間維持高真空度；采用低功耗電磁閥系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)，保證內(nèi)部系統(tǒng)溫度穩(wěn)定。

空氣隔離塞

使用空氣隔離塞可將預(yù)處理后樣品在隔絕空氣的狀態(tài)下轉(zhuǎn)移至分析口，防止受空氣二次污染，且可對(duì)儀器管路起到過(guò)濾作用，避免管路污染。

智能六站獨(dú)立預(yù)處理機(jī)

6 個(gè)獨(dú)立脫氣站可同時(shí)進(jìn)行不同溫度的樣品處理；全自動(dòng)軟件操作，實(shí)時(shí)顯示各站脫氣進(jìn)度，可預(yù)約預(yù)處理開(kāi)始時(shí)間，合理安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

防樣品抽飛

比例閥可控，抽速靈活調(diào)節(jié)，多級(jí)抽真空流程有效防止樣品抽飛。