白炭黑材料比表面積和孔徑分布表征方法

       摘要：白炭黑，作為一種性能優異的多孔吸附劑與補強材料，其復雜的多孔結構、高比表面積和卓越的吸附性能，在橡膠工業、涂料、牙膏磨砂劑、食品添加劑及環境保護等領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鍵物理參數，其精準測量一直是材料研發與工業質控的核心需求。本文將結合國儀量子Climber60比表面積及孔徑分析儀的實際測試案例，詳細闡述該儀器在實現白炭黑精準表征中的應用價值與技術優勢。

1.       白炭黑概述

白炭黑是一種白色粉末狀無定形硅酸鹽材料，主要包括沉淀二氧化硅、氣相二氧化硅和超細二氧化硅凝膠等，其主要成分為SiO?。其結構以硅原子為中心、氧原子為頂點構成無序排列的四面體單元，在粒子團聚過程中形成豐富的毛細孔道，賦予材料較大的比表面積和發達的孔隙結構[1]。

常規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，部分產品可兼具少量微孔。這一獨特的微觀結構使其具備優異的吸附性能、高純度、良好穩定性以及出色的補強性、增稠性和觸變性等優異性能。

2. 白炭黑比表面積與孔徑分布表征方法

2.1 標準依據與測試原理

根據GB/T 10722-2014《炭黑 總表面積和外表面積的測定 氮吸附法》和GB/T 19587-2017《氣體吸附BET法測定固態物質比表面積》，明確了白炭黑比表面積應使用氮氣吸附法來測定，并對測定條件和方法做了詳細規定。同時該方法也可用于白炭黑材料的孔徑分析。

2.2       預處理條件選擇

樣品預處理目的是徹底清除樣品表面及孔隙中吸附的雜質分子（如水分、氣體等），釋放有效的吸附位點，確保后續測試中吸附質分子（如氮氣）能夠充分、準確地吸附，從而獲得真實可靠的比表面積與孔徑分布數據。

預處理方式：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還會強烈吸附環境中的其他氣體分子。這些被占據的活性位點會顯著降低其對氮氣的吸附量，直接導致比表面積測試結果偏低。常規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，通過在負壓環境下加熱，更高效、徹底地驅除各類吸附雜質。

預處理溫度：預處理溫度的選擇需建立在對白炭黑表面性質的深刻理解上。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型，這些基團決定了材料的親水性、吸附性和表面活性[2]。過低的溫度無法有效清除與羥基結合的雜質；而過高的溫度則可能導致部分羥基結構變化，改變材料本征表面性質。依據 GB/T 10722-2014《炭黑 總表面積和外表面積的測定 氮吸附法》的明確規定，白炭黑材料的預處理溫度宜控制在 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，同時較好地保持其表面結構的穩定性。

3.       國儀量子Climber60比表面積及孔徑分析儀產品方案

白炭黑密度小、質地蓬松且靜電作用強，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。國儀量子Climber60比表面積及孔徑分析儀針對此痛點，提供了針對性解決方案。

3.1 空氣隔離塞：雙重防護，保障樣品與系統

測試時使用自研的空氣隔離塞配件，可在白炭黑預處理后實現隔絕空氣轉移，避免樣品與空氣接觸改變性質，同時通空氣隔離塞的過濾作用阻擋細小顆粒擴散，避免管路污染，保障儀器潔凈與測試準確。

3.2 靈活抽真空設計：精準控速，防樣品抽飛

針對白炭黑抽飛風險，Climber60 采用比例閥可控設計，能靈活調節抽速；搭配多級抽真空流程，可平穩提升真空度，杜絕樣品被氣流帶出，確保測試中樣品量穩定。

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

以下是采用國儀量子Climber60比表面積及孔徑分析儀對兩種白炭黑（A和B）樣品的表征案例。測試前，兩種白炭黑樣品均在160℃真空條件下加熱120分鐘進行充分的脫氣處理。對于介孔材料的BET計算時，P/P0選點范圍為0.05-0.3（GB/T 10722-2014規定白炭黑選點范圍為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 的比表面積優勢明顯，意味著其單位質量的表面活性位點更多，在吸附、催化、補強等應用場景中，可能表現出更優的性能。

圖1 白炭黑A的比表面積測試結果（BET：209.81 m2/g）

圖2 白炭黑B的比表面積測試結果（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型復合等溫線特征，且均伴有H3型滯后環，表明兩種白炭黑存在狹縫型的介孔或大孔結構。此外，白炭黑B的單點吸附總孔容（0.8709 cm3/g）顯著高于白炭黑A（0.5732 cm3/g），增幅達52%，這一數據也直接表明了白炭黑B具備更為開放和豐富的孔道結構，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

結合圖5與圖6可見，白炭黑A和白炭黑B的孔徑分布集中在5～300nm 區間，分布相對寬泛，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，累計孔體積曲線（紅色）增長更為陡峭，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，因而更適配對高表面活性、高吸附容量有需求的場景，像高效催化劑載體、吸附劑以及高端橡膠補強劑等領域。

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計，精準解決白炭黑分析時樣品易被抽飛、管路易受污染的問題，為白炭黑行業提供了安全、可靠的高效表征解決方案，助力行業實現材料精準分析。

參考文獻

[1] 尤波.白炭黑的表面改性及其橡膠補強性能研究[D].中南大學,2024.

[2] 崔小明.改性白炭黑在橡膠中的應用研究進展[J].精細與專用化學品, 2023.

國儀量子Climber60比表面積及孔徑分析儀產品介紹

產品功能：

比表面積測試：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

測試氣體：N2、Ar、CO2、Kr等其他非腐蝕性氣體

測試精度：定量誤差< 0.5%RSD（以標準樣品BET值計）

測試通量：6站并行測試

產品特點：

高通量快速測試

精巧高通量氣路設計結合智能精準控氣程序，極大提升測試效率，6個樣品五點BET測試可在20 min內完成。

管路系統

集裝式管路精密設計最大限度減小歧管死體積，可長時間維持高真空度；采用低功耗電磁閥系統和傳感器系統，保證內部系統溫度穩定。

空氣隔離塞

使用空氣隔離塞可將預處理后樣品在隔絕空氣的狀態下轉移至分析口，防止受空氣二次污染，且可對儀器管路起到過濾作用，避免管路污染。

智能六站獨立預處理機

6 個獨立脫氣站可同時進行不同溫度的樣品處理；全自動軟件操作，實時顯示各站脫氣進度，可預約預處理開始時間，合理安排實驗進程。

防樣品抽飛

比例閥可控，抽速靈活調節，多級抽真空流程有效防止樣品抽飛。