炭黑总比表面积和外比表面积的测定——氮吸附法的分析步骤及计算方法

九、分析步骤

参阅多点静态气体吸附仪的使用手册或技术说明书,并熟练掌握这些操作步骤。

9.2提前0.5h~1h将液氮装入杜瓦瓶中,使其温度达到平衡。

9.3准确测定液氮的饱和蒸气压(Po),并重复测定,直到连续两次测得的饱和蒸气压之差不超过0.13kPa

9.4用气测定或通过计算(一般假定炭黑密度为1.9g/cm,白炭黑密度为2.0gcm3)来确定样品管剩余空间的体积。

9.5在相对压强(P/P)为0.1~0.5范围内至少要测得五个均匀分布的数据点。对于一些试样,特别是N100和N200系列,还需增加在P/P为0.05和0.075两个点的数据,以提高测定NSA的准确性。每个数据点应包括平衡状态的相对压强和相应的样品吸附氮气总体积。

9.6称量装有试样的样品管质量,精确至0.1mg。可在吸附操作前或后进行,也可仔细将所有炭黑从样品管倒入称过皮重的盘中直接测定炭黑质量。使用氦气时会因样品管体积而产生1mg/cm3的浮力偏差。

十、结果计算

10.1大多数自动分析仪器在完成分析时均能执行下面的计算。操作人员应验证仪器内部的计算符合下面的方法。

10.2试样质量:

试样质量(品)=样品管与试样的质量一样晶管的质量…············…(1)

记录各质量并精确至0.1mg

10.3被吸附的氮气体积:

按下式(2)计算被每克试样吸附的氮气总体积(V2),精确至0.0025px³/g

10.4氮吸附比表面积(NSA)

10.4.1确定氮吸附表面积(NSA)的B.E.T理论即 Brunauer Emmel、 Teller方程如下:

式中:

P——表压,单位为千帕(kPa);

Po———氮的饱和蒸气压,单位为千帕(kPa)

Vm——标准状态下,每克氮按单分子层排列所占的体积,单位为立方厘米每克(cm³/g);

C———与单分子层吸附热的平均值有关的常数。

10.4.2以P/Po为X轴,P/Va(Po-P)为Y轴作图,取P/Po在0.05~0.30范围内的数据,即B.E.T.方程的线性区间。

10.4,3取能作出最好直线关系的3个或更多数据点,以计算直线在y轴上的截距和斜率,进而计算表面积。表1列出了一些如何选择适宜相对压强范围的例子。

10.4.4也可根据下面列出的不同炭黑品种相应的压强范围来确定适宜的相对压强:

炭黑样品相对压强范围

N300和软质炭黑　 0.1~0.3

N100和N200               0.05~0.2

比表面积大于130m²/g的炭黑0.05~0.1

操作人员应确认该指导性规定对所测样品的实用性

10.4.5如果一幅B.E.T图产生负截距,则表明样品可能存在直径小于2nm的微孔,不过其他因素也会导致负截距。表面积是通过在规定的压强范围内能产生最高相关系数和正截距的三个或更多数据点计算得到的。

10.4.6按式(4)计算氮吸附表面积(NSA),精确至0.1m²/g

NSA(m²/g)=V_m×4.35````````````````````````(4)

式中

V_m=1/(B+M)

B—y轴截距,±10^-5

M——直线的斜率,±10^-5;

4.35—25px³氮分子所占的面积[m²=(6.02×10²³)(16.2×10^-20)22 400]

6.02×10²³阿伏加德罗常数;

16.2x10^-20每个氮分子的截面积,m²

22 400在标准温度和压强(STP)条件下,1mol气体所占的体积,cm³

表1NSA数据处理的实例

10.5统计吸附层厚度表面积(SISA)

10.5.1用STP条件下每克试样吸附的氮气体积(V)与统计吸附层厚度(t)的函数关作图来测定炭黑的STSA。

10.5.2以V_a(在STP条件下,cm³/g)为y轴(纵坐标,t(10^-10m)为X轴(横坐标)作V_a-t图,等距离取P/P_o,在0.2~0.5范围内的数据

其中:

t=0.88(P/P0)2+6.45(P/Po)+2.98····················(5)

10.5.3用标准的线性回归法测定V_a-t图的斜率。

10.5.4按式(6)计算STSA,精确至0.1m²/g

STSA=M*15.47····························(6)

式中:

M—V_a-t图的斜率

15.4——氮气与液氮的体积转换常数,同时计量单位也换算为m2/g

10.5.5若V_a-t图出现了负截距的情况,则报告stsa值等于NSA值,因为此方法的原理就决定了STSA值不可能大于NSA值

十一、精密度

11.1氮吸附表面积(NSA)

11.1.1重复性:两单次测定结果之差不大于平均值的1.92%。.

11.1.2再现性:两单次测试结果之差不大于平均值的4.38%。

11.2统计吸附层厚度表面积(STSA)

11.2.1重复性:两单次测定结果之差不大于平均值的3.03%。

11.2.2再现性:两单次测试结果之差不大于平均值的3.81%

注:可选用适当的标准参比炭黑进行核查,标准参比炭黑的NSA和STSA的文献值参见录A

十二、试验报告

试验报告应包含下列内容:

a)试样的品种和编号;

b)本试验依据的标准编号;

c)测定NSA和STSA所取的数据点数及相对压强;

d)试验结果;

e)与规定分析步骤的差异;

f)试验中观察到的异常现象;

g)试验日期。