相對壓強對白炭黑氮吸附表面積測試穩定性的影響

薛彬彬，陳建軍，張曉珍，張 敏

（1.山東華盛橡膠有限公司，山東 廣饒 257300；2.山東京博中聚新材料有限公司，山東 濱州 256500）

自1992年米其林公司制造出“綠色輪胎”之后，白炭黑在輪胎中的應用越來越廣泛[1-4]。白炭黑粒徑對膠料的拉伸強度和撕裂強度等物理性能，以及輪胎的滾動阻力、濕抓著性能和磨耗性能等起著決定性的作用。比表面積是衡量白炭黑粒徑、反映白炭黑性能和劃分白炭黑品種的主要依據之一。測定白炭黑比表面積的方法很多，常用的有低溫氮吸附法、碘吸附法、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）吸附法等。目前，我公司依據美國材料與試驗協會ASTM D6556—2017《氮吸附法 測定炭黑總表面積和外表面積的標準試驗方法》和GB/T 10722—2014《炭黑 總表面積和外表面積的測定 氮吸附法》規定的多分子層吸附理論多點法測定白炭黑總表面積[5]。

氮吸附表面積是根據多分子層吸附理論，由氮吸附數據計算得到樣品的總表面積。氮吸附法的原理是在液氮溫度下，以炭黑或白炭黑從一定分壓的氮氣中吸附氮分子的數量來計算總表面積和外表面積。液氮純度、脫氣溫度、脫氣時間、氮吸附點數量、相對壓強等因素均會對氮吸附表面積產生影響[6]。本工作在液氮純度、脫氣溫度、脫氣時間、氮吸附點數量等因素相同的條件下，研究相對壓強對氮吸附表面積的影響，以期為氮吸附法測定白炭黑表面積的測試結果判定和開發應用提供參考和依據，現將比對試驗驗證分析情況介紹如下。

1 實驗

1.1 白炭黑樣品

選取6個氮吸附表面積為115～200 m2·g-1的白炭黑樣品進行相對壓強比對試驗。白炭黑，牌號1165MP，氮吸附表面積控制指標為169～189 m2·g-1，確成硅化學股份有限公司產品；牌號ZC-165MP，氮吸附表面積控制指標為169～189 m2·g-1，福建正盛無機材料股份有限公司產品；牌號ZQ-160K，氮吸附表面積控制指標為150～170 m2·g-1，株州興隆新材料有限公司產品；牌號Z175，氮吸附表面積控制指標為170～200 m2·g-1，比利時索爾維集團產品；牌號HM-6175MP，氮吸附表面積控制指標為170～200 m2·g-1，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；牌號822MP，氮吸附表面積控制指標為115～135 m2·g-1，無錫恒誠硅業有限公司產品。

1.2 測試儀器及試劑

Micromeritics 2390A型多點靜態氮吸附測試儀，美國麥克公司產品；分析天平，精度為0.1 mg；重力對流型烘箱，溫度（125±2） ℃；加熱套或其他加熱裝置，溫度（160±10） ℃。

高純液氮，純度≥98%，溫度不高于－185 ℃。

1.3 試驗方法

依據GB/T 10722—2014規定相對壓強范圍0.05～0.2，選取0.050，0.075，0.100，0.125，0.150，0.175和0.200共7個 點；依 據ASTM D6556—2017規定相對壓強范圍0.05～0.1，選取0.050，0.060，0.070，0.075，0.080，0.090，0.100共7個點，進行對比試驗驗證。試驗方法如下：測試前2 h將液氮裝入杜瓦瓶，使其溫度達到平衡；準確測定液氮的飽和蒸氣壓，并重復測定，直至連續兩次測得的飽和蒸氣壓之差不超過0.13 kPa；同時取適量樣品于（125±2） ℃烘箱中干燥1 h；白炭黑在（160±10） ℃下脫氣0.5 h以上，除去白炭黑標樣的濕氣；在液氮溫度下讓樣品逐步吸附氮氣，測定多個相對壓強和相應氮氣吸附量（由壓力值經氣體狀態方程換算）數據，作出吸附等溫線，氮吸附表面積計算參照GB/T 10722—2014進行。

2 結果與討論

2.1 氮吸附表面積測試結果

氮吸附法測定白炭黑表面積依據氮氣在白炭黑表面的吸附特性進行。在一定壓力下，白炭黑表面在超低溫下對氣體分子（吸附質）具有可逆物理吸附作用，并對應存在確定的平衡吸附量，通過測定該平衡吸附量，利用理論模型可等效求出樣品的表面積。由于實際白炭黑外表面不規則，嚴格來講，氮吸附法測定的表面積是吸附質分子所能到達的白炭黑外表面和內部通孔的總表面積之和。

在保證液氮純度、脫氣溫度、脫氣時間、氮吸附點數量等因素相同的條件下，分別測試不同相對壓強下白炭黑的氮吸附表面積，結果見表1。

從表1可以看出，隨著相對壓強的減小，白炭黑的氮吸附表面積增大，相對誤差減小，氮吸附表面積測試值更接近真實值。

表1 不同相對壓強下白炭黑的氮吸附表面積

2.2 氮吸附表面積測試再現性

根據白炭黑的氮吸附表面積，計算其再現性，結果如表2所示。

GB/T 10722—2014規定氮吸附表面積再現性即兩個獨立測試結果之差不大于平均值的3.18%，相關因數不小于0.999。再現性數值的絕對值越小，相關因數越大，測試結果越穩定。從表2可以看出：白炭黑的氮吸附表面積再現性和相關因數均在標準規定范圍內；在相同條件下，與相對壓強范圍為0.05～0.2時相比，相對壓強范圍為0.05～0.1時白炭黑的氮吸附表面積測試結果更穩定。

表2 不同相對壓強下白炭黑氮吸附表面積的測試再現性

3 結論

（1）在相同液氮純度、脫氣溫度、脫氣時間、氮吸附點數量條件下，與相對壓強范圍為0.05～0.1時相比，相對壓強范圍為0.05～0.2時白炭黑的氮吸附表面積測量值偏低，且差值隨氮吸附表面積的增大呈增大趨勢。

（2）相對壓強范圍較小時，氮吸附表面積測試線性相關因數接近1，再現性較好，測試結果較穩定。