炭黑粒径测试方法

炭黑粒径（含“原始粒子/原子团粒径”和“聚集/团聚体尺寸”）的常用测量方法做成一份可直接落地的技术指南，包含每种方法的用途、原理、详细样品制备步骤、仪器参数、数据处理与报告要求、常见问题与解决办法。如果你要把某一项做成 SOP（可打印 PDF/Word），告诉我我就直接给出可下载文件。

一、先说清楚：要测“哪种粒径”？

原始粒子（primary particle）：单个炭黑颗粒的真实直径（通常 10–100 nm）。最佳方法：TEM（透射电镜）/HR-TEM / SAXS。

聚集体/团聚体（aggregate/agglomerate）：若干原始粒子紧密连接形成的链状或球形集合体（几十 nm — μm）。最佳方法：SEM / TEM（低倍）/ 激光衍射（LD）/ 光阻尼粒度仪（LD）。

水相分散的水动力学直径：悬浮在液相中的“水合直径”，适用于分散态测量：DLS（动态光散射）。

测量前先明确用途（材料表征 / 产品验收 / 过程控制），再选择方法与报告指标（平均值、D10/D50/D90、PSD 曲线、数/体积分布等）。

二、方法详述（含操作步骤与关键参数）

1) TEM（透射电镜）—— 测原始粒子尺寸的“金标准”

适用：测 primary particle（10–100 nm）尺寸、形貌、晶体结构（若需要）。
优点：分辨率高、能直视单个颗粒。缺点：代表性受取样影响、样品制备需小心、耗时。

样品制备（干法→湿法常用湿法）

称取样品：约 0.5–2.0 mg 炭黑。

溶剂与分散：置于 2–5 mL 乙醇或异丙醇（IPA） 中（或去离子水+少量表面活性剂如 0.01–0.1% SDS / Triton X-100），超声分散 5–15 min（间歇，冰浴防过热）。

取少量上清（避免挑取大团聚物），将 3–5 μL 滴在 碳膜铜网格（carbon-coated Cu grid） 上，室温晾干或微波/真空干燥短时间。

若需增强对比可做低剂量成像或负染（一般炭黑不需要染色）。

仪器参数：加速电压 80–200 kV（设备而定），放大倍数视粒径 50k–200k。

采图：每个样品至少拍 10–20 张图（不同视野、不同放大倍数），优先取随机区域避开明显大团聚。

图像分析：用 ImageJ / FIJI 等进行阈值分割与颗粒计数/测线径。至少测 200–500 个原始颗粒以保证统计学代表性。

数据报告

报数值：算术平均直径、数均（Dₙ）、中值（D50）、标准差、D10/D90、粒径分布直方图（bin width 明确）。

附 TEM 原图（代表性），并说明采样、超声条件、统计粒数与分析软件与阈值设定。

常见问题

颗粒重叠/团聚影响测量：减小加载量与超声强度，取上清。

电子束损伤/炭黑残迹：用低剂量成像、短曝光。

2) SEM（扫描电子显微镜）—— 测聚集体与表面形貌

适用：观测 aggregate / agglomerate（几十 nm — μm）、团聚状态、表面形貌。
优点：景深大、易操作。缺点：分辨率不如 TEM，需导电/喷金或采用低真空。

样品制备

将少许炭黑撒在导电双面胶上，或者将乙醇悬浮滴在铝片/硅片上晾干。

若样品非常细，建议用 离心沉积或稀释滴涂。

若表面非导电或为高放电，做 金/碳溅射（约 5–10 nm）；对碳黑通常避免大量金属涂层以免掩盖细节，可用低压/低电压（1–5 kV）模式。

仪器参数：电压 1–15 kV（低电压可减少充电），放大倍数根据对象（数 kx–50 kx）。

取多张图像，统计聚集体尺寸（ImageJ 分析），测 100–300 个聚集体。

数据报告

聚集体的体积中值 Dv50/Dn 等（若基于图像，说明为“图像计数/面积等效直径”）。

给出代表性 SEM 图像与测量方法。

常见问题

充电、条纹伪影：降低电压或使用导电底片/镀层。

样品掉粉：用双面胶固定，轻拍除自由粉。

3) 激光衍射 / 激光粒度（Laser Diffraction, LD）—— 测颗粒体积分布（适合粉体和湿分散）

适用：测量 聚集/团聚体的体积分布（0.02 μm—3 mm 取决设备），用于过程控制与体积分布指标（D10/D50/D90）。
优点：测量快速、重复性好、动态范围宽。缺点：输出为体/体积分布，不能直接给出 primary particle。

样品制备（湿法常用）

分散介质：去离子水或乙醇；对于炭黑常用水+分散剂（0.01–0.1% SDS、Tween 20 等）。

初始浓度：依据仪器，通常使遮光率（obscuration）在 10–20% 为佳（参考仪器提示）。

超声分散：短时脉冲超声 1–5 min，防止过度粉碎或升温。

仪器参数：检测角度、激光波长默认；循环搅拌速率以维持均匀悬浮。

测量次数：每样 3 次取平均，报告 Dv10/Dv50/Dv90（体积分布），并给出 PSD 曲线（体积分布与数量分布转换需注意假设）。

数据报告

Dv10, Dv50 (median), Dv90；分布图；样品制备条件（分散剂、超声能量、遮光率）。

说明该结果为“体积（或质量）加权粒径”。

常见问题

吸光/遮光率不合适：调整浓度。

团聚未分散：增加分散剂或超声时间，但注意不要破坏聚集体结构（如果要测真实团聚体则不应过度分散）。

4) DLS（动态光散射）—— 测水相中水动力学直径（小尺寸敏感）

适用：测小粒径/分散态样品（10 nm–几 μm），适合评估分散性与相对尺寸（hydrodynamic diameter）。
优点：样品量少、快速。缺点：对多分散和大颗粒（>1 μm）敏感度差，结果受少量大颗粒强烈影响（强烈偏向光强）。

样品制备

浓度极低：通常 0.001–0.01 wt%（根据仪器）以避免多重散射；过滤（0.45 μm）常用但注意会去除大团聚体。

分散介质：去离子水 + 少量表面活性剂（0.01% SDS）；超声 1–2 min。

测量：至少 3 次平行，每次 10–30 次累计扫描；报告 Z-平均直径、PDI（多分散指数）与强度/体积/数分布（若软件支持）。

报告要点

Z-average (nm)、PDI、并附光强分布与体积分布的转换说明（转换常基于假设，可能失真）。

如 PDI>0.3，说明样品高度多分散，结果不可靠。

常见问题

少量大颗粒导致错误过大：使用低速离心或过滤前处理，或结合显微方法确认。

吸光/浑浊过高：稀释。

5) SAXS / WAXS（小角/广角 X 射线散射）—— 原始粒子尺寸和内部结构（科研级）

适用：研究纳米级平均尺寸、孔结构、聚集体形态的无损统计学方法；对分散液或粉末均可。
优点：能给出整体统计的粒径分布与形貌参数（如半径、比表）。缺点：需要专业设备与模型拟合（较复杂）。

三、测量/报告指标规范建议（验收模板）

测试方法：如 TEM（手工图像分析，n=300）、LD（湿法，遮光率 12%）、DLS（0.005 wt% 水+0.01% SDS）

样品预处理：干燥/烘箱 105°C×1h 或 风干、超声时间/功率、分散剂与浓度、过滤条件

报告指标：primary particle（TEM 数均直径 Dₙ ± SD；测样数 N）、聚集体 Dv10/Dv50/Dv90（LD，单位 μm）、DLS Z-average（nm，PDI）、BET（m²/g，如有）

附图：原始 TEM/SEM 图、PSD 曲线、操作照片（如超声条件）

不确定度：重复性（RSD%）与方法识别度（方法检测限/适用范围）

四、常见误区与如何避免

把 TEM 数均当作 LD 体积中值 → 两者不可直接比较，必须标明加权方式（数/体积/光强）。

超声过度导致破坏真实聚集结构 → 先明确目标：要测“原始粒子”就需要强分散；要测“实际团聚体”则尽量轻分散/不用强超声。

DLS 给出单一数值就当真 → 若分布宽或 PDI 大，DLS 输出可能误导，需辅以显微手段。

样品代表性差 → 多点取样、至少三批次或多个视野，统计 N 足够大（TEM 推荐 ≥200 个颗粒）。

五、质量控制与校准建议

TEM/SEM：使用标准金属球或标尺样品校准像素尺寸；ImageJ 校准并记录像素/ nm。

LD：定期用国家标准颗粒（如 NIST 标准球）校准；校核遮光率与散射模型（Mie/ Fraunhofer）所用折射率。

DLS：用标准分散粒子（如聚苯乙烯球）验证仪器性能。

建立内部标准样（已知 DBP/吸碘/BET/粒径）用于日常 QC。

六、推荐测量流程（如果你现在要做一次完整表征）

先做 TEM（原始粒子）与 SEM（聚集体形貌）作为“视觉金标准”。

同样样品做 激光衍射（LD） 测得体积分布（工业/质量控制用 Dv50）。

若需要分散性或水相行为，再做 DLS。

同时做 BET（比表面积） 与 DBP/吸碘（表征结构）以补充形貌–表面关系。

最后把所有数据按“数/体/强度”权重标注并解释差异。