GB/T 3780.5-2017 炭黑 第5部分：比表面積的測定 CTAB法

范圍
GB/T 3780 的本部分規定了用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)測定炭黑外表面積的測試方法。
本部分適用于橡膠用炭黑。

原理
由于CTAB分子相當大，它不能吸附于炭黑的微孔內表面上。因此，CTAB比表面積僅僅反映了炭黑與橡膠分子接觸的有效表面積。
炭黑在CTAB水溶液中的吸附等溫線具有一個較長的單分子吸附層的平坦段。炭黑對CTAB的吸附不受其表面焦油狀物質或含氫、氧等官能團的影響，用機械攪拌或超聲波振蕩的方法能迅速使吸附達到平衡。在濾去分散的膠體炭黑后，用磺基丁二酸鈉二辛酯(OT)測定未被吸附的CTAB的量。試驗結果按工業著色參比炭黑ITRB或工業參比炭黑4#(IRC4#)確定其CTAB比表面積。

試驗條件
試驗室環境溫度：(25±2)°C。所用實驗設備和試劑應在實驗室溫度下保持24h。

試劑和材料
緩沖溶液，pH=7，溶解2.722g磷酸二氫鉀(KH₂PO₄)，4.260g磷酸氫二鈉(Na₂HPO₄)和1.169g氯化鈉(NaCl)于1dm³水中。
CTAB溶液，c(C₁₉H₄₂BrN)=0.01mol/L，稱取3.64g CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)溶解于900cm³水中，加100cm³緩沖溶液，加熱至27°C~37°C溶解，使用前冷卻至23°~25°。室溫低于23°C將引起CTAB緩慢結晶。
OT(磺基丁二酸鈉二辛酯)溶液，c(C₂₀H₃₇NaO₇S)=0.0022mol/L，稱取1.000g 100％的OT于含有2.5cm³甲醛溶液(質量分數為37%)的1dm³水中，用磁力攪拌器劇烈攪拌48h，蓋緊蓋子后置于陰涼干燥處停放12d后使用。啟封的OT試劑需貯存在干燥器中。OT溶液易產生降解，使用時應注意濃度變化。
乳化劑OP(辛基苯基聚氧乙烯醚，曲拉通X—100)溶液，質量分數為0.015%，用磁力攪拌器在1dm³水中溶解0.15g的OP。
工業著色參比炭黑(ITRB，比表面積為83.0×10³m²/kg)或工業參比炭黑4#(IRC4#，比表面積為78.5×10³m²/kg且符合 GB/T 9578 。

儀器設備
分析天平，分度值為0.1mg。
超聲波電磁分散儀。
振蕩機，振蕩頻率為240r/min，振幅不低于2.0cm。
加壓過濾裝置(見圖1)，能與加壓空氣或壓縮氮氣瓶相連接，耐壓范圍0.4MPa~0.7MPa。樣品過濾筒，容積40cm³，不銹鋼材質，兩端有6.4mm開關，可承受0.7MPa壓強。


炭黑比表面積測定儀或電位滴定儀。
磁力攪拌棒，其表面有聚四氟乙烯或碳氟化合物的耐化學腐蝕涂覆層，直徑6.4mm或4.8mm，長度適用于50cm³或100cm³燒杯、玻璃瓶或其他玻璃容器。
恒溫干燥箱，重力對流型，溫度可控制在(125±2)°C。
微孔濾膜，孔徑0.15μm，膜片尺寸(直徑)應與過濾裝置相匹配。
單標線吸量管，容量30cm³，5cm³，符合 GB/T 12808 規定。
錐形瓶，容積分別為250cm³，50cm³，具塞。

樣品
按 GB/T 3778 的規定進行采樣。

試驗步驟
將足量的炭黑樣品置于(125±2)°C的恒溫干燥箱中干燥1h，然后置于干燥器中冷卻至室溫備用。
按表1的要求稱取定量干燥過的樣品量，于具塞250cm³錐形瓶中，精確至0.1mg。


加入30.00cm³CTAB溶液于錐形瓶中。可按a)或b)操作。加入溶液時應注意防止溶液起泡。
a) 塞好瓶塞，放在振蕩機上振蕩40min。
b) 加磁力攪拌棒后塞緊瓶塞，放在超聲波電磁分散儀中，浸泡深度至少50mm，保持水浴溫度23°C~25°C，在水浴中超聲1min，然后攪拌1min ，再重復兩次，總計時間6min。
將干濾膜放入樣品過濾筒中，按加壓過濾裝置過濾筒的安裝要求進行安裝。
擦干錐形瓶外部的水滴，將炭黑樣品和CTAB溶液的混合液全部倒入樣品過濾筒中，擰緊上蓋，安裝到加壓過濾裝置上，接通壓縮氣，調節氣體壓強在0.4MPa~0.7MPa，以濾出液體成快速滴狀為宜。棄去最初流出的約10cm³濾液，把在樣品過濾筒下端出液口出現泡沫前流出的全部濾液收集在50cm³錐形瓶中，加蓋，搖勻待測。炭黑的濾液如果透濾，樣品應廢棄，不能重新過濾。
按儀器說明書要求安裝調試炭黑比表面積測定儀或電位滴定儀，排凈滴定儀所有管線及接口處的氣泡。
從50cm³錐形瓶待測濾液中，移取5cm³濾液至清潔的石英杯中，加入15cm³OP溶液及磁力攪拌棒后，將石英杯置于儀器測定槽中(手不能接觸石英杯的透光面)。按"滴定"鍵，滴定自動開始，數字顯示器同時顯示滴加體積(cm³)，待自動停止后，記錄消耗的OT溶液體積V，精確至0.01cm³。

相關性系數的確定
分別稱取0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g共5份干燥的工業著色參比炭黑ITRB或工業參比炭黑IRC4#，精確到0.1mg。
按以上的步驟進行測定。
以OT溶液消耗量V_i(cm³)為縱坐標，以樣品質量m_i(g)為橫坐標繪制標準曲線，用最小二乘法計算斜率b(cm³/g)及截距V₀(cm³)，求出回歸方程。按式(1)計算出比表面積，其計算結果與標準值的差值應不大于1.5×10³m²/kg ，否則重復以上步驟。
注：計算實例參見附錄A。
V₀和b為計算CTAB比表面積時使用的相關系數。每配制一次CTAB溶液和OT溶液都應確定相關系數。

CTAB溶液的校準
CTAB溶液降解較快，測試的最終結果的可靠性取決于降解的程度。因此，建議用與待測樣品有類似CTAB比表面積的工業參比炭黑IRC4#[見 GB/T 9578，CTAB比表面積標準值為(78.5±2.45)×10³m²/kg]連續不斷地監控溶液環境，以鑒定測試系統的可靠性。必要時，按"相關性系數的確定"重新作校準曲線。
由計算公式(CTAB=STSA×1.0170+2.6434)，通過STSA值可估算CTAB比表面積。

試驗數據處理
炭黑CTAB比表面積測定值以S計，數值以十的三次方平方米每于克(10³m²/kg)表示，按式(1)計算。

式中：
S_{ITRB/ IRC4#}——工業著色參比炭黑ITRB的CTAB比表面積文獻值為83.0×10³m²/kg，工業參比炭黑IRC4＃CTAB比表面積標準值為78.5×10³m²/kg；
V₀——校準曲線的截距；
b ——校準曲線的斜率；
V ——滴定炭黑樣品CTAB溶液所消耗的OT溶液的體積的數值，單位為立方厘米(cm³)；
m ——樣品質量的數值，單位為克(g)。
計算結果保留兩位小數，取其平均值，然后按報告要求或根據 GB/T 3778 中的規定，用 GB/T 8170 進行數值修約。


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