摘要：白炭黑，作為一種性能優(yōu)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(yè)、涂料、牙膏磨砂劑、食品添加劑及環(huán)境保護等領(lǐng)域扮演著(zhù)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，其精準測量一直是材料研發(fā)與工業(yè)質(zhì)控的核心需求。本文將結合國儀量子Climber60比表面積及孔徑分析儀的實(shí)際測試案例，詳細闡述該儀器在實(shí)現白炭黑精準表征中的應用價(jià)值與技術(shù)優(yōu)勢。

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(diǎn)構成無(wú)序排列的四面體單元，在粒子團聚過(guò)程中形成豐富的毛細孔道，賦予材料較大的比表面積和發(fā)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(chǎn)品可兼具少量微孔。這一獨特的微觀(guān)結構使其具備優(yōu)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(yōu)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(tài)物質(zhì)比表面積》，明確了白炭黑比表面積應使用氮氣吸附法來(lái)測定，并對測定條件和方法做了詳細規定。同時(shí)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(zhì)分子（如水分、氣體等），釋放有效的吸附位點(diǎn)，確保后續測試中吸附質(zhì)分子（如氮氣）能夠充分、準確地吸附，從而獲得真實(shí)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(zhù)水，其豐富的表面羥基等活性位點(diǎn)還會(huì )強烈吸附環(huán)境中的其他氣體分子。這些被占據的活性位點(diǎn)會(huì )顯著(zhù)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(zhù)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)在負壓環(huán)境下加熱，更高效、徹底地驅除各類(lèi)吸附雜質(zhì)。

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(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合的雜質(zhì)；而過(guò)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(zhì)。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(zhì)，同時(shí)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(chǎn)品方案

白炭黑密度小、質(zhì)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(diǎn)，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(shí)使用自研的空氣隔離塞配件，可在白炭黑預處理后實(shí)現隔絕空氣轉移，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(fēng)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(jìn)行充分的脫氣處理。對于介孔材料的BET計算時(shí)，P/P0選點(diǎn)范圍為0.05-0.3（GB/T 10722-2014規定白炭黑選點(diǎn)范圍為0.05-0.2）。從圖1和圖2的BET方程擬合曲線(xiàn)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)勢明顯，意味著(zhù)其單位質(zhì)量的表面活性位點(diǎn)更多，在吸附、催化、補強等應用場(chǎng)景中，可能表現出更優(yōu)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(xiàn)均符合Ⅱ型和Ⅳ型復合等溫線(xiàn)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構。此外，白炭黑B的單點(diǎn)吸附總孔容（0.8709 cm3/g）顯著(zhù)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(kāi)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(xiàn)

圖4 白炭黑B的N2吸附-脫附等溫線(xiàn)

結合圖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(xiàn)（綠色）峰值更高，累計孔體積曲線(xiàn)（紅色）增長(cháng)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(chǎng)景，像高效催化劑載體、吸附劑以及高端橡膠補強劑等領(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(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(xué),2024.

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

國儀量子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(chǎn)品特點(diǎn)：

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(gè)樣品五點(diǎn)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(cháng)時(shí)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(tài)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(guò)濾作用，避免管路污染。

智能六站獨立預處理機

6 個(gè)獨立脫氣站可同時(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，可預約預處理開(kāi)始時(shí)間，合理安排實(shí)驗進(jìn)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。