相對壓強對白炭黑氮吸附表面積測試穩(wěn)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(jù)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(jù)美國材料與試驗協(xié)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(guī)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(jù)多分子層吸附理論，由氮吸附數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)量、相對壓強等因素均會對氮吸附表面積產(chǎn)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(shù)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(fā)應用提供參考和依據(jù)，現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)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(yè)有限公司產(chǎn)品。

1.2 測試儀器及試劑

Micromeritics 2390A型多點靜態(tài)氮吸附測試儀，美國麥克公司產(chǎn)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(jù)GB/T 10722—2014規(guī)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(jù)ASTM D6556—2017規(guī)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(xù)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(jīng)氣體狀態(tài)方程換算）數(shù)據(jù)，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(jù)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(zhì)）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(guī)則，嚴格來講，氮吸附法測定的表面積是吸附質(zhì)分子所能到達的白炭黑外表面和內(nèi)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(shù)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(xiàn)性

根據(jù)白炭黑的氮吸附表面積，計算其再現(xiàn)性，結果如表2所示。

GB/T 10722—2014規(guī)定氮吸附表面積再現(xiàn)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(shù)不小于0.999。再現(xiàn)性數(shù)值的絕對值越小，相關因數(shù)越大，測試結果越穩(wěn)定。從表2可以看出：白炭黑的氮吸附表面積再現(xiàn)性和相關因數(shù)均在標準規(guī)定范圍內(nèi)；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(wěn)定。

表2 不同相對壓強下白炭黑氮吸附表面積的測試再現(xiàn)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(shù)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(shù)接近1，再現(xiàn)性較好，測試結果較穩(wěn)定。