白炭黑材料比表面积和孔径分布表征方法

       摘要：白炭黑，作为一种性能优异的多孔吸附剂与补强材料，其复杂的多孔结构、高比表面积和卓越的吸附性能，在橡胶工业、涂料、牙膏磨砂剂、食品添加剂及环境保护等领域扮演着不可或替代的角色。比表面积和孔径分布作为白炭黑性能的关键物理参数，其精准测量一直是材料研发与工业质控的核心需求。本文将结合国仪量子Climber60比表面积及孔径分析仪的实际测试案例，详细阐述该仪器在实现白炭黑精准表征中的应用价值与技术优势。

1.       白炭黑概述

白炭黑是一种白色粉末状无定形硅酸盐材料，主要包括沉淀二氧化硅、气相二氧化硅和超细二氧化硅凝胶等，其主要成分为SiO₂。其结构以硅原子为中心、氧原子为顶点构成无序排列的四面体单元，在粒子团聚过程中形成丰富的毛细孔道，赋予材料较大的比表面积和发达的孔隙结构[1]。

常规白炭黑的比表面积通常在100～400 m²/g之间，孔径分布以2～50 nm的介孔为主，部分产品可兼具少量微孔。这一独特的微观结构使其具备优异的吸附性能、高纯度、良好稳定性以及出色的补强性、增稠性和触变性等优异性能。

2. 白炭黑比表面积与孔径分布表征方法

2.1 标准依据与测试原理

根据GB/T 10722-2014《炭黑 总表面积和外表面积的测定 氮吸附法》和GB/T 19587-2017《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》，明确了白炭黑比表面积应使用氮气吸附法来测定，并对测定条件和方法做了详细规定。同时该方法也可用于白炭黑材料的孔径分析。

2.2       预处理条件选择

样品预处理目的是彻底清除样品表面及孔隙中吸附的杂质分子（如水分、气体等），释放有效的吸附位点，确保后续测试中吸附质分子（如氮气）能够充分、准确地吸附，从而获得真实可靠的比表面积与孔径分布数据。

预处理方式：白炭黑表面不仅含有物理吸附的附着水，其丰富的表面羟基等活性位点还会强烈吸附环境中的其他气体分子。这些被占据的活性位点会显著降低其对氮气的吸附量，直接导致比表面积测试结果偏低。常规烘箱处理虽能去除部分附着水，但除杂速率慢且不够充分。因此，必须采用真空脱气处理方式，通过在负压环境下加热，更高效、彻底地驱除各类吸附杂质。

预处理温度：预处理温度的选择需建立在对白炭黑表面性质的深刻理解上。其表面存在孤立自由羟基、缔合羟基和双生羟基等多种羟基类型，这些基团决定了材料的亲水性、吸附性和表面活性[2]。过低的温度无法有效清除与羟基结合的杂质；而过高的温度则可能导致部分羟基结构变化，改变材料本征表面性质。依据 GB/T 10722-2014《炭黑 总表面积和外表面积的测定 氮吸附法》的明确规定，白炭黑材料的预处理温度宜控制在 160℃±10℃。在此温度下真空加热处理 30分钟以上，能有效去除吸附物质，同时较好地保持其表面结构的稳定性。

3.       国仪量子Climber60比表面积及孔径分析仪产品方案

白炭黑密度小、质地蓬松且静电作用强，原生粒径 5～100nm，抽真空初期易被气流带出样品管，既损失样品又可能污染仪器管路。国仪量子Climber60比表面积及孔径分析仪针对此痛点，提供了针对性解决方案。

3.1 空气隔离塞：双重防护，保障样品与系统

测试时使用自研的空气隔离塞配件，可在白炭黑预处理后实现隔绝空气转移，避免样品与空气接触改变性质，同时通空气隔离塞的过滤作用阻挡细小颗粒扩散，避免管路污染，保障仪器洁净与测试准确。

3.2 灵活抽真空设计：精准控速，防样品抽飞

针对白炭黑抽飞风险，Climber60 采用比例阀可控设计，能灵活调节抽速；搭配多级抽真空流程，可平稳提升真空度，杜绝样品被气流带出，确保测试中样品量稳定。

4. 白炭黑比表面积和孔径分布表征案例

4.1 白炭黑比表面积表征

以下是采用国仪量子Climber60比表面积及孔径分析仪对两种白炭黑（A和B）样品的表征案例。测试前，两种白炭黑样品均在160℃真空条件下加热120分钟进行充分的脱气处理。对于介孔材料的BET计算时，P/P0选点范围为0.05-0.3（GB/T 10722-2014规定白炭黑选点范围为0.05-0.2）。从图1和图2的BET方程拟合曲线可得到白炭黑A和白炭黑B的比表面积分别为：209.81 m2/g和308.16 m2/g，白炭黑 B 的比表面积优势明显，意味着其单位质量的表面活性位点更多，在吸附、催化、补强等应用场景中，可能表现出更优的性能。

图1 白炭黑A的比表面积测试结果（BET：209.81 m2/g）

图2 白炭黑B的比表面积测试结果（BET：308.16 m2/g）

4.2 白炭黑孔径分布表征

从图3和图4可以看出，白炭黑A与白炭黑B的N2吸附-脱附等温线均符合Ⅱ型和Ⅳ型复合等温线特征，且均伴有H3型滞后环，表明两种白炭黑存在狭缝型的介孔或大孔结构。此外，白炭黑B的单点吸附总孔容（0.8709 cm³/g）显著高于白炭黑A（0.5732 cm³/g），增幅达52%，这一数据也直接表明了白炭黑B具备更为开放和丰富的孔道结构，从而提供了更大的客体分子容纳空间。

图3 白炭黑A的N2吸附-脱附等温线

图4 白炭黑B的N2吸附-脱附等温线

结合图5与图6可见，白炭黑A和白炭黑B的孔径分布集中在5～300nm 区间，分布相对宽泛，孔径尺寸具备多样性。其中，白炭黑 B 的孔体积变化率曲线（绿色）峰值更高，累计孔体积曲线（红色）增长更为陡峭，这表明该材料不仅整体孔容更大，且孔容的集中程度也更高，因而更适配对高表面活性、高吸附容量有需求的场景，像高效催化剂载体、吸附剂以及高端橡胶补强剂等领域。

图5 白炭黑A的BJH-吸附孔径分布图

图6 白炭黑B的BJH-吸附孔径分布图

综上，国仪量子Climber60比表面积及孔径分析仪，借助自研空气隔离塞与比例阀抽速可控设计，精准解决白炭黑分析时样品易被抽飞、管路易受污染的问题，为白炭黑行业提供了安全、可靠的高效表征解决方案，助力行业实现材料精准分析。

参考文献

[1] 尤波.白炭黑的表面改性及其橡胶补强性能研究[D].中南大学,2024.

[2] 崔小明.改性白炭黑在橡胶中的应用研究进展[J].精细与专用化学品, 2023.

国仪量子Climber60比表面积及孔径分析仪产品介绍

产品功能：

比表面积测试：0.0005 m2/g及以上；

孔径分析：0.35-500 nm孔径分析；总孔体积：0.0001 cc/g及以上

测试气体：N2、Ar、CO2、Kr等其他非腐蚀性气体

测试精度：定量误差< 0.5%RSD（以标准样品BET值计）

测试通量：6站并行测试

产品特点：

高通量快速测试

精巧高通量气路设计结合智能精准控气程序，极大提升测试效率，6个样品五点BET测试可在20 min内完成。

管路系统

集装式管路精密设计最大限度减小歧管死体积，可长时间维持高真空度；采用低功耗电磁阀系统和传感器系统，保证内部系统温度稳定。

空气隔离塞

使用空气隔离塞可将预处理后样品在隔绝空气的状态下转移至分析口，防止受空气二次污染，且可对仪器管路起到过滤作用，避免管路污染。

智能六站独立预处理机

6 个独立脱气站可同时进行不同温度的样品处理；全自动软件操作，实时显示各站脱气进度，可预约预处理开始时间，合理安排实验进程。

防样品抽飞

比例阀可控，抽速灵活调节，多级抽真空流程有效防止样品抽飞。