气体吸附技术在炭黑材料表征中的应用

比表面积和孔径大小是炭黑的重要物理属性之一，能够直接反映炭黑的分散状态和表面活性，对其在不同领域的应用具有重要意义。炭黑比表面积测试需要遵循相关标准，目前常用的标准有：国家标准GB/T 10722-2014《炭黑总表面积和外表面积的测定氮吸附法》和美国ASTM D6556-21《氮气吸附法测定炭黑总表面积和外表面积》。通过气体吸附法表征炭黑的比表面积和孔径分布，对于炭黑在特定应用中实现最佳性能至关重要。

1.导电炭黑的比表面积和孔径分布表征

导电炭黑在电子、能源和环境等领域具有广泛的应用前景。在锂电池领域中，炭黑是锂电池的关键辅材——导电剂。在电池正负极材料中加入一定量的导电剂可以提升锂电池的倍率性能和改善循环寿命。炭黑中存在的导电通道主要是由颗粒之间的微观孔隙连接形成，通过调控炭黑孔径的分布和大小，可以实现对导电性能的精确控制和优化^[1]。

采用国仪量子自研的比表面及孔径分析仪对导电炭黑的比表面及孔径分布进行表征。测试前，样品在150℃真空条件下加热1小时进行脱气处理。如图1所示，通过多点BET方程计算出样品的比表面积为59.38 m²/g。再进一步对该导电炭黑的N₂吸附-脱附等温线（图1右）进行分析可发现，主要为Ⅱ型等温线，在低分压区（P/P₀＜0.1）吸附量稍微增加，在P/P₀约0.10~0.99间吸附量呈现逐渐上升的趋势。采用BJH模型进行介孔孔径分布计算 (图2左)，得出在2.51 nm处有集中的孔径分布。通过HK-孔径分布图（图2右）可得出该样品微孔阶段的最可几孔径为0.50 nm。在电池和超级电容器等电化学应用中，炭黑的比表面积和孔径分布对电极材料的电化学性能有显著影响，高比表面积可以提供更多的离子存储位点，而适宜的孔径分布有助于电解质离子的快速传输。

2.橡胶用炭黑的比表面积表征

橡胶用炭黑主要作为补强填充剂被广泛用于橡胶制品的生产中，利用其补强作用可显著增加橡胶制品的抗撕裂程度、耐屈挠性、耐磨性等方面，其中炭黑的粒径、比表面积及表面活性等特性都会影响炭黑补强橡胶效果^[2]。

以下是采用国仪量子自研的比表面积测试仪对不同类型的橡胶用炭黑的比表面积表征案例。橡胶用炭黑的比表面积是区分其种类的一个重要指标，它决定了炭黑在橡胶应用中赋予的性能。此外，比表面积还会显著影响橡胶的加工性能和硫化胶的性能，因此它是炭黑质量控制中不可或缺的检测项目。图3中三种橡胶用炭黑在300℃真空条件下加热2小时进行脱气处理后，测得其比表面积分别为72.51 m²/g，102.03 m²/g和114.09 m²/g。高比表面积的炭黑能提供更多的接触面积与橡胶分子相互作用，促进交联反应，提高硫化速率，进而增强最终产品的物理性能。橡胶用炭黑种类繁多，每种炭黑都有其对应的物理性能和应用领域，通过表征正确选用合适比表面积的炭黑，对橡胶制品的质量和性能具有重要的影响。

3.化纤专用炭黑的比表面积和孔径分布表征

化纤专用炭黑是一种应用广泛的功能填料，用于各种纤维产品的生产中。它具有较高的比表面积和吸附能力，可以增强纤维的强度和耐久性。炭黑还能够改善纤维的导电性能，使化纤制品在电子技术和防静电领域具有广泛的应用前景^[3]。

以下是采用国仪量子自研的比表面及孔径分析仪对不同化纤专用炭黑的表征案例。如图4可知，化纤专用炭黑1#和化纤专用炭黑2#的比表面积分别为70.68 m²/g和63.10 m²/g，炭黑的比表面积越大，提供的吸附表面积就越多，这有助于提高其吸附能力，而在化纤应用中，这种吸附性能可以改善纤维的着色性、导电性或其他表面特性。从图5的N₂-吸脱附等温线可知两种活性炭主要都呈现出Ⅱ类等温线，在低压区有较小的吸附量，随着压力的增加吸附量逐渐增大但没有出现明显的饱和吸附值。再进一步对炭黑的介孔孔径分布进行分析，如图6所示，化纤专用炭黑1#和化纤专用炭黑2#的BJH最可几孔径分别是2.51 nm和2.50 nm，其中化纤专用炭黑2#在孔宽100~150nm有明显的集中分布。具有适宜孔径大小的炭黑可以在不牺牲化纤材料强度的同时，增加纤维的柔韧性和耐用性。因此，通过比表面积和孔径分布表征，有助于根据化纤产品的具体要求来选择合适的炭黑，以优化产品性能和成本效益。

参考文献：

[1]金燚翥,孙晓玮,张晓亮等. 导电炭黑的发展现状和行业研究 [J]. 炭素, 2023, (02): 43-46.

[2]孙艳芝,孙超华,林子杨等. 废旧轮胎裂解炭黑的改性及其应用进展 [J]. 精细化工, 2022, 39 (10): 1999-2004+2015.

[3]王海峰,杨衡彬,康峰等. 炭黑/废纸导电纤维的制备及其在聚丙烯中的应用 [J]. 塑料, 2024, 53 (01): 59-64.