GB/T 3780.5-2017 炭黑 第5部分：比表面積的測(cè)定 CTAB法

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

原理
由于CTAB分子相當(dāng)大，它不能吸附于炭黑的微孔內(nèi)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(gè)較長(zhǎng)的單分子吸附層的平坦段。炭黑對(duì)CTAB的吸附不受其表面焦油狀物質(zhì)或含氫、氧等官能團(tuán)的影響，用機(jī)械攪拌或超聲波振蕩的方法能迅速使吸附達(dá)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(cè)定未被吸附的CTAB的量。試驗(yàn)結(jié)果按工業(yè)著色參比炭黑ITRB或工業(yè)參比炭黑4#(IRC4#)確定其CTAB比表面積。

試驗(yàn)條件
試驗(yàn)室環(huán)境溫度：(25±2)°C。所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試劑應(yīng)在實(shí)驗(yàn)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(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǎn)生降解，使用時(shí)應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.015%，用磁力攪拌器在1dm³水中溶解0.15g的OP。
工業(yè)著色參比炭黑(ITRB，比表面積為83.0×10³m²/kg)或工業(yè)參比炭黑4#(IRC4#，比表面積為78.5×10³m²/kg且符合 GB/T 9578 。

儀器設(shè)備
分析天平，分度值為0.1mg。
超聲波電磁分散儀。
振蕩機(jī)，振蕩頻率為240r/min，振幅不低于2.0cm。
加壓過(guò)濾裝置(見圖1)，能與加壓空氣或壓縮氮?dú)馄肯噙B接，耐壓范圍0.4MPa~0.7MPa。樣品過(guò)濾筒，容積40cm³，不銹鋼材質(zhì)，兩端有6.4mm開關(guān)，可承受0.7MPa壓強(qiáng)。


炭黑比表面積測(cè)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(xué)腐蝕涂覆層，直徑6.4mm或4.8mm，長(zhǎng)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(duì)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(yīng)與過(guò)濾裝置相匹配。
單標(biāo)線吸量管，容量30cm³，5cm³，符合 GB/T 12808 規(guī)定。
錐形瓶，容積分別為250cm³，50cm³，具塞。

樣品
按 GB/T 3778 的規(guī)定進(jìn)行采樣。

試驗(yàn)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(guò)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(shí)應(yīng)注意防止溶液起泡。
a) 塞好瓶塞，放在振蕩機(jī)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(fù)兩次，總計(jì)時(shí)間6min。
將干濾膜放入樣品過(guò)濾筒中，按加壓過(guò)濾裝置過(guò)濾筒的安裝要求進(jìn)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(guò)濾筒中，擰緊上蓋，安裝到加壓過(guò)濾裝置上，接通壓縮氣，調(diào)節(jié)氣體壓強(qiáng)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(guò)濾筒下端出液口出現(xiàn)泡沫前流出的全部濾液收集在50cm³錐形瓶中，加蓋，搖勻待測(cè)。炭黑的濾液如果透濾，樣品應(yīng)廢棄，不能重新過(guò)濾。
按儀器說(shuō)明書要求安裝調(diào)試炭黑比表面積測(cè)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(cè)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(cè)定槽中(手不能接觸石英杯的透光面)。按"滴定"鍵，滴定自動(dòng)開始，數(shù)字顯示器同時(shí)顯示滴加體積(cm³)，待自動(dòng)停止后，記錄消耗的OT溶液體積V，精確至0.01cm³。

相關(guān)性系數(shù)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(yè)著色參比炭黑ITRB或工業(yè)參比炭黑IRC4#，精確到0.1mg。
按以上的步驟進(jìn)行測(cè)定。
以O(shè)T溶液消耗量V_i(cm³)為縱坐標(biāo)，以樣品質(zhì)量m_i(g)為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，用最小二乘法計(jì)算斜率b(cm³/g)及截距V₀(cm³)，求出回歸方程。按式(1)計(jì)算出比表面積，其計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的差值應(yīng)不大于1.5×10³m²/kg ，否則重復(fù)以上步驟。
注：計(jì)算實(shí)例參見附錄A。
V₀和b為計(jì)算CTAB比表面積時(shí)使用的相關(guān)系數(shù)。每配制一次CTAB溶液和OT溶液都應(yīng)確定相關(guān)系數(shù)。

CTAB溶液的校準(zhǔn)
CTAB溶液降解較快，測(cè)試的最終結(jié)果的可靠性取決于降解的程度。因此，建議用與待測(cè)樣品有類似CTAB比表面積的工業(yè)參比炭黑IRC4#[見 GB/T 9578，CTAB比表面積標(biāo)準(zhǔn)值為(78.5±2.45)×10³m²/kg]連續(xù)不斷地監(jiān)控溶液環(huán)境，以鑒定測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。必要時(shí)，按"相關(guān)性系數(shù)的確定"重新作校準(zhǔn)曲線。
由計(jì)算公式(CTAB=STSA×1.0170+2.6434)，通過(guò)STSA值可估算CTAB比表面積。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
炭黑CTAB比表面積測(cè)定值以S計(jì)，數(shù)值以十的三次方平方米每于克(10³m²/kg)表示，按式(1)計(jì)算。

式中：
S_{ITRB/ IRC4#}——工業(yè)著色參比炭黑ITRB的CTAB比表面積文獻(xiàn)值為83.0×10³m²/kg，工業(yè)參比炭黑IRC4＃CTAB比表面積標(biāo)準(zhǔn)值為78.5×10³m²/kg；
V₀——校準(zhǔn)曲線的截距；
b ——校準(zhǔn)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(shù)值，單位為立方厘米(cm³)；
m ——樣品質(zhì)量的數(shù)值，單位為克(g)。
計(jì)算結(jié)果保留兩位小數(shù)，取其平均值，然后按報(bào)告要求或根據(jù) GB/T 3778 中的規(guī)定，用 GB/T 8170 進(jìn)行數(shù)值修約。


京都電子KEM 自動(dòng)電位滴定儀 AT-710S