激光粒度仪表征纳米炭黑粒度分布的应用案例分析

纳米炭黑作为一种非常重要的功能材料已在橡胶、塑料行业得到广泛应用，其粒径和粒径分布直接影响产品的工艺性能和使用性能。目前，表征炭黑粒度的方法很多，比如筛分法、电镜法、沉降法、激光法等。筛分法设备简单，结果直观，但筛孔尺寸会随使用时间和使用频率而变化，即便筛网定期会经过校准，但要克服尺寸的这种变化较为困难。但该法测试样品量大，代表性强，在炭黑行业仍作为炭黑出厂指标在产品合格证中列示。电镜法分辨率高，结果直观，容易得到一次粒径结果，但由于炭黑是不易分散的团聚体，得到的粒径分析结果难以代表样品在实际应用时的分散程度及粒度分布状态，也无法指导纳米级炭黑发挥其应有的性能优势。此时，用离心沉降法、激光衍射分析法测得的包含有二次粒径信息的粒度分布数据就更具有实际指导意义。

圆盘式离心沉降法测量炭黑的尺寸分布是经典的炭黑粒径分布测试方法，有ISO标准可供使用，但其测量超细颗粒粒度及其粒度分布还存在测量时间过长以及数据处理方法复杂等缺点。激光粒度仪测试速度快、动态范围宽，结果信息量大、重现性好，测试炭黑的粒度及粒度分布有其自身的显著优势。

对于难分散的样品，制样方法、测试条件不同，结果会有差异。模拟该样品在实际应用中的颗粒分散程度，本文初步设计了3种分散制样方法，对同一种炭黑的粒度测试结果进行了对比浅析。

1 实验部分

1.1 主要样品和材料

炭黑N234，丙酮、无水乙醇（分析纯），去离子水

1.2 主要设备和仪器

Topsizer Plus激光粒度分析仪（适配循环进样系统SCF-108和SCF-126B）

以及PIP8.1颗粒图像处理仪

以上仪器均为珠海欧美克仪器公司生产；

Quanta 250 FEG场发射环境扫描电子显微镜，美国FEI公司生产；信仪JY96-II超声波细胞粉碎机。

1.3样品制备测试方案

A法分段超声：称取样品，加入微量乙醇浸润样品，水浴超声3min；缓慢加入曲拉通溶液，探头式超声分散10min；静置恢复室温后取上层液，再次水浴超声3min，静置至室温。

B法丙酮分散：取适量样品，加入丙酮，搅拌，采用探头式超声分散15min。

C法乙醇分散：取适量样品，加入无水乙醇，搅拌，采用探头式超声分散15min。

2 结果与讨论

不同分散方法对炭黑样品进行测试的结果如表1和图1-图3所示。

表1 不同分散方法的结果对比

图1 分段超声法粒度分布图

图2 丙酮分散的粒度分布图

图3乙醇分散的粒度分布图

可以看出，C法的整体分散效果要更好。这是否符合实际情况呢？我们进一步结合电镜和显微镜的检测结果来综合分析，如图6-8所示。

图6 乙醇分散炭黑显微图像                 

图7乙醇分散炭黑电镜图像

图8 乙醇分散炭黑样品电镜下的高倍图像

对于纳米级的炭黑颗粒，由于颗粒非常小，颗粒的表面能很大，细小的炭黑颗粒之间容易由于相互作用力而结合在一起，导致颗粒之间发生团聚，形成更大的二次粒径。通常我们把单个的细小炭黑颗粒的粒径叫做炭黑的一次粒径，也叫原生粒径，而把发生团聚后形成的二次炭黑颗粒粒径叫做炭黑的二次粒径，呈现的形态称为炭黑的聚集体。由于电镜的分辨率极高，可以观测到炭黑的一次粒径。从电镜结果可以看出，样品的一次粒径大多在30-40nm，少部分在20nm，极少部分在100nm（图8），当然也有捕抓到粒径大于1微米的粒子（图7）。 从图6中同样可见少量粒径大于1μm的粒子均匀散落在显微图像中。综上，采用C法分散制备的纳米炭黑样品，激光粒度仪、电镜和颗粒显微图像检测结果一致性较好；聚集颗粒得到了大程度的分散，该粒度分布中包含了主要的一次粒径信息，也有极少量二次粒径的信息。如下：

采用C法，两次取样的各4条记录的统计结果如下：

可见结果重复性、再现性好，分散方法稳健，测试结果稳定。

3 结论

用Topsizer Plus激光粒度仪测试炭黑的粒径分布，得到的是炭黑包含有二次粒径信息的粒度分布，能代表炭黑在实际应用中的颗粒分散状态。激光衍射法表征炭黑粒度及粒度分布对相关研究及实际应用都具有重要的意义。