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技术文章
炭黑外比表面积的定义及其测试方法
点击次数：3543 发布时间：2014/11/21 15:09:47
炭黑是经煤、石油、生物质燃料等不完全燃烧后所形成的细小颗粒。炭黑进入大气后，能吸收太阳光，减少到达地面的太阳辐射。
烃类在严格控制的工艺条件下经气相不完全燃烧或热解而成的黑色粉末状物质。其成分主要是元素碳，并含有少量氧、氢和硫等。炭黑粒子近似球形，粒径介于10～500μm间。许多粒子常熔结或聚结成三维键枝状或纤维状聚集体。在橡胶加工中，通过混炼加入橡胶中作补强剂（见增强材料）和填料。炭黑是最古老的工业产品之一。主要用于橡胶、油漆、油墨等行业。
表面积是用来鉴别和分类命名炭黑的重要性质之一。表面积用气相或液相吸附法测得。最经典的测定方法是低温氮吸附法（即BET法）。由于氮分子相对较小，可进入炭黑微孔之中，该法测得的结果表征炭黑的总表面积。近年来研究成功大分子吸附法（如CTAB），因大分子不能进入微孔，其测定结果表征炭黑的外表面积，即“光滑”表面积。大多数橡胶用炭黑是无孔的，所以BET测定结果和CTAB测定结果是一致的。对某些色素用炭黑，这两种表面积测定结果的差，即表征炭黑的粗糙度或孔隙度。另一种测定方法——吸碘法也广泛用于生产控制和产品分类，其特点是简单快速，但测定结果受炭黑表面氧化程度的影响。
关于炭黑的比表面测试用氮吸附方法求得碳黑的BET比表面应该是一个总表面积（NSA），它包含着碳黑的外表面积还包括表面微孔的内表面，这些微孔的直径在2-50nm。对用于橡胶中起补强作用的碳黑而言，由于橡胶的分子太大，进不到这些微孔中去，因此，外表面积对于评价碳黑的补强性能更为重要。1971年引进了CTAB法（Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide）作为另一种测定炭黑比表面积的方法，测定炭黑在CTAB溶液中的吸附。由于CTAB的分子很大（61.6埃）进不到炭黑的微孔中去。因此，测定的表面积只是炭黑能与橡胶接触的外表面积。但是，对于某些粒径的炭黑也存在有较大的微孔，或称为中等微孔。中等微孔的尺寸位于20-500埃。此时，CTAB的分子可以进得去，而橡胶的分子则进不去。虽然中等微孔在多数炭黑的表面还不曾观察到，但CTAB法仍然因其手工作业的测试方法，以及较低的测试精度而没有得到广泛的认同。此外，CTAB试剂溶液的存放时间对测试的结果也有实质的影响，CTAB试剂溶液需要定期地进行制备和标定。用氮吸附法来测定外表面积的t图法是由J.H.de Boer于1965年发明的。T图法的应用决定了统计吸附层厚度法外表面积的测定（STSA）。统计吸附层厚度法测定外表面积，利用了在标准状态下，作为吸附层厚度与每克试样吸附的氮的体积之间存在的函数关系，通过做图得到一条直线，然后通过计算得出炭黑外表面积。炭黑外表面积检测需遵循相关标准，目前国家标准中，采用最多的是（GB/T 10722-2003）-炭黑总表面积和外表面积的测定-氮吸附法。
原创作者：北京贝士德分析仪器研究院
