邹玉荣，王 宏 (青岛黑猫炭黑科技有限责任公司，山东 青岛 266400)
摘 要：为了分析探索用激光粒度仪测试炭黑粒径分布的分散测试条件，本文通过设计不同条件下制备的炭黑分散
体，采用激光粒度仪测试，对结果差异进行分析比较，解释试验现象，结果表明：乙醇分散乙醇作介质的制样测试条件， 测得结果重复性、再现性良好，分散体系稳定。
关键词：炭黑;粒度分布;分散;激光粒度仪
1 引 言
炭黑作为一种非常重要的功能材料已在橡胶 塑料等行业得到广泛应用，炭黑是纳米结构材料， 其粒径和粒径分布直接影响产品的工艺性能和使
用性能，近十几年来，越来越受到炭黑企业的关 注。目前，炭黑粒径和粒径分布测试方法很多，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实 际应用时的分散粒度分布状态，也无法指导纳米 级炭黑的使用性能效果。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。其中用圆盘式 离心光学沉降法测量炭黑的尺寸分布，已是经典 的炭黑粒径分布测试方法，已有
ISO 标准可供使 用，炭黑标准委也已经在积极筹措制定这方面的 国家标准。尽管如此，但激光粒度仪测试炭黑的 粒度及粒度分布也有其自身的优势，其测试速度
快、信息量多、重现性好、测试动态范围大，尤其 随着激光粒度仪近二十年的发展，其粒径测试范 围及测试精确度也大大得到提高。激光粒度仪测
试炭黑的粒径分布原理不同于圆盘离心沉降仪， 后者是利用沉降速度，得出的粒径为等效沉降速 度，激光粒度仪则应用完全的MIE散射理论，得到
的粒径为等效衍(散)射光径。因此，用激光粒度 仪测量炭黑粒径及粒径分布，能为炭黑的粒度分 布测试提供另一种研究视角[1-3]。
由于同一原理的仪器，制样方法不同，测试条 件不同，结果会有差异。本文结合 ISO15825 测试 标准及常规的有机溶剂作为分散条件[4]，初步设计
了4种分散体制样方法，用了3种不同的测试介质， 对同一种炭黑的激光粒度测试结果进行了对比浅 析。
2 实验部分
2.1 主要样品和材料
炭黑N234:邯郸黑猫常规产品;丙酮、无水乙 醇：分析纯;去离子水：市售
2.2 主要设备和仪器
Topsizer Plus 激光粒度分析仪;循环进样系统 SCF-108(适用分散介质：水)和SCF-126B(适用
分散介质：有机溶剂)，以及PIP8.1颗粒图像处理 仪，为珠海欧美克仪器有限公司生产;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( 探 头 式 200w)，宁波新艺超声设备公司生产。
2.3 样品制备测试方案
A法乙醇分散，分段超声：称40mg样品，加入 8ml乙醇浸润样品后，用120w功率超声设备外置超
声3min，缓慢加入12ml体积分数为0.1%的曲拉通 溶液，探头式超声粉碎机分散 10min(冰水浴)， 静置恢复室温后取上层液，再次用外置超声设备 超声
3min，静置至室温。
B 法丙酮分散超声 15min：取适量量样品，加 入50ml丙酮，搅拌，用探头式超声设备分散15min (冰水浴)。
C法水分散超声15min：取适量样品，加入50ml 水溶液(其中 10ml 六偏磷酸钠水溶液(2%))， 搅拌，用探头式超声设备分散
15min(冰水浴)。
D 法乙醇分散超声 15min：取适量样品，加入 50ml 无水乙醇，搅拌，用探头式超声设备分散 15min(冰水浴)。
2.4 基本测试条件
循环速度：2500rpm;遮光比：5%-8%;光学 参数：折射率2.4，吸收率1;分析模式：通用模式。
2.5 检测主要数据
D10=累积分布百分数达到10%所对应的粒径 值，也叫上位径;
D50=累积分布百分数达到50%所对应的粒径 值，也叫中位径;
D90=累积分布百分数达到90%所对应的粒径 值，也叫下位径;
D(3,2)= 表面积平均粒径;
D(4,3)= 体积平均粒径;
一般来说，越近似圆球形的颗粒，激光粒度仪 的等效测量的结果与大多数其它粒径表征方法比 较就越接近。同时，表面积平均粒径和体积平均 粒径之间的关系为
D(3,2)和 D(4,3)的值越接 近，说明样品颗粒的形状越规则、粒度分布越集 中;它们差值越大，粒度分布越宽。
3 结果与讨论
不同分散剂和分散介质，对炭黑样品进行测 试的结果如表 1 和图 1- 图 5 所示。
在表 1 中，对比 1#，2# 和 4# 数据，可以看出， 上中下位径的结果中，1# 和 4# 结果较 2# 各值都 小，说明 2# 分散效果不如
1# 和 4#。而 1# 和 4# 的 D10，D50几乎一致，但1#的D90远大于4#，且1#， 2# 和 4# 的表面积平均粒径与体积平均粒径差值 中，4#
相差最小。这可以理解为用水作为测试介 质，乙醇，丙酮和水溶液作为分散剂的三个结果 中，4# 较 1# 和 2# 分散效果要好。
在表 1 中，对比 2# 和 3# 结果，所列数据都基 本没有太多差距，表明用丙酮分散，分散介质为水 和丙酮，测试结果基本一致
在表 1 中，对比 4# 和 5# 结果，可以发现，4# 的 D10，D50，D75 数据都大于 5# 结果，而 D90 和
[D(3,2)-D(4,3)] 差值则远小于 5# 结果。这是否 可以对 4# 和 5# 做出分散性好坏的比较性结论 呢?为了探究这个问题，下文将进一步用电镜和
显微镜测试手段综合来说明。其结果如图6，图7 和图 8 所示。
在图 1- 图 5 的粒径分布图中，不难发现，各 结果都呈波浪分散，且都存在粒径比较大的粒 子，这就不难解释表1中，各结果D10，D25，D50 甚至
D75 相差都不算大，但 D90 和两种平均粒径 差值却相差甚远。在 5# 结果的粒度分布图(图 5 和图9)中，发现粒度分布曲线有两个峰，主峰在
20nm-120nm之间，次峰在1-5μm之间，且两峰 之间在 0.11-1.5μm 之间有完全的图形截断，为 了验证该结果，相同的制样方法制备分散体，用
电镜和颗粒图像处理仪进行拍摄，如图 6 图 7 和 图 8。
对于纳米级炭黑颗粒，由于颗粒非常细小，颗 粒的表面能很大，细小的颗粒之间容易由于弱的 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，样品的粒 径大多在
30-40nm，少部分在 20nm，极少部分在 100nm(图8)，且电镜图像也有捕抓到粒径大于1 微米的炭黑粒子(图 7)。
从图6中同样可以知道，有些许粒径大于1μm 的粒子均匀散落在颗粒显微仪的图像中。综上， 激光粒度仪，电镜和颗粒显微图像检测结果一致
性或相符性较好。
从表 1，表 2 中可以看出，5# 结果的 D50 为 0.049μm，在5种测试结果中，5#结果中位值是最
接近电镜测试结果的。同时，D75为0.066μm，而 D90为2.409μm，从D75到D90，粒度发生了突变， 且从分布图上我们知道，粒度分布在
0.11-1.5μm 之间出现了断峰，利用仪器自身的断峰截断功能， 截断前后结果对比如表2和图9，图10。可以发现， 截断前后 D10，D50，甚至 D75
并无太大区别，粒 径小于 1μm 的粒子质量(体积)占比为 83%，只 有少量粒子粒径在1-5μm之间，这部分粒子是用
该分散测试手段无法分散开的强力聚合体，或称 为硬团聚体。截断后，5# 的 D10，D50，D90 皆显 著小于 4# 的结果，表面积平均粒径 D(3,2)为
0.038μm、体积平均粒径D(4,3)为0.043μm，差 距很小，可以理解为5#分散条件下1μm以下的这 部分粒子粒径分布比较集中，分散效果更彻底，接
近其原生粒径，4# 结果显示出该方法未能如 5# 更 彻底地分散颗粒。
综上各检测结果的对比分析，完全可以做出 5#分散效果优于4#的结论。即5#结果所用的乙醇 分散乙醇为介质的测试方法，其炭黑的分散效果
是5个方法中结果最好的。同时，我们对5#结果的 重复性和再现性做了进一步测试，其重复性再现 性很好，如图11和图12。可以得出最终结论5#结
果所用的乙醇分散和乙醇为测量介质的测试方 法，结果重复性，再现性好，分散方法稳健测试结 果稳定。
4 结 论
(1) 用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粒度分布状态，用激光法
测试炭黑的粒度及粒度分布，对研究和实际工作 有重要的意义。
(2) 在乙醇，丙酮为分散剂，水，乙醇，丙酮为 介质设计的5个测试结果对比分析中，我们认为乙 醇分散乙醇作介质的制样测试条件，测得结果重
复性、再现性良好，分散体系稳定。
本次选用的样品 N234，用乙醇分散乙醇为介 质的方法，测试结果出现了粒径分布峰型的断峰， 我们可以用仪器自身的截断功能，去除极少量强
聚集体后的结果进行分析，进一步来印证该分散 方法较优，效果较好。但并不能说明该 N234 样品 的结果就具有完全的代表性，也不能说明该分散
方法对所有的炭黑品种具有完全的代表性，需要 对该研究方向感兴趣的技术工作者，设计出更严 谨更全面的方案，做进一步的验证和研究。本文
的结果与分析，仅用于用激光法测试炭黑聚集体 分布的研究做个引子，发挥激光粒度仪的优势，应 用于对炭黑工业生产需要在线测量的场合提供一
个快速粒度分布测试的方法。另外，也可以将离 心法和激光法这两种粒度测定方法结合起来分 析，分析结果也可以相互印证。
参考文献
[1] Zwicker J D. Particle size analysia in Bayer plant control[J]. Light
metals, 1984, 173-193.
[2] 程益军，宋鹏.激光粒度仪与透射电镜测试结果比对[J]. 中国粉体技术，2010，16(4)：23-25.
[3] 赵春芳.不同方法测试粒度分布的比较研究[J].中国粉 体技术，2004，2：22-24.
[4] Brookhaven，圆盘式离心沉降仪，炭黑样品制备方法.
