掃描電子顯微鏡在沉淀法白炭黑研究中的應用現狀與展望

于方琪，孔 勇，毛善兵*

（1.確成硅化學股份有限公司，江蘇 無錫 214196；2.南京工業大學，江蘇 南京 211816）

沉淀法白炭黑又稱沉淀法二氧化硅或沉淀法水合二氧化硅。沉淀法白炭黑的基本粒子呈圓球形，由沉淀反應制備而成，基本粒子之間靠物理和化學作用力形成聚集體。聚集體是白炭黑在橡膠中存在的最小結構單元，受熱和機械力的作用，一般不可以再繼續分割。沉淀法白炭黑的聚集體結構是影響其使用性能的關鍵因素，因此準確表征沉淀法白炭黑的聚集體結構意義重大。沉淀法白炭黑微觀結構的表征通常采用十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）吸附比表面積儀、氮吸附孔結構分析儀、壓汞儀、光學顯微鏡、透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡）和掃描電子顯微鏡（簡稱掃描電鏡）等儀器。CTAB吸附比表面積儀、氮吸附孔結構分析儀和壓汞儀一般用于沉淀法白炭黑孔結構的分析，其中CTAB吸附比表面積儀主要通過CTAB分子吸附比表面積來評估橡膠及塑料等高分子材料補強用沉淀法白炭黑的性能；氮吸附孔結構分析儀可得到沉淀法白炭黑的比表面積、納米孔體積和納米孔徑分布等孔結構參數，但無法測試100 nm以上的大孔；壓汞儀通過不同壓力下汞滲透量計算沉淀法白炭黑的孔體積及孔徑分布，但無法測試3 nm以下的孔。光學顯微鏡的價格低，樣品觀測方便和直觀，但分辨率低，只能用于沉淀法白炭黑宏觀形貌的觀測。透射電鏡的分辨率較高，但圖像立體感差，價格昂貴，需要專業人員操作，且不能準確還原沉淀法白炭黑的三維形貌。掃描電鏡的圖像立體感強，制樣簡單，放大倍率在幾十萬倍以下連續可調，通過擴展能譜儀可進行元素分析，但價格比氮吸附孔結構分析儀高，分辨率比透射電鏡低，操作要求較高（經過適當培訓的技術人員可獨立操作）。

氮吸附孔結構分析儀可以對沉淀法白炭黑的孔結構參數進行量化表征，但無法獲得沉淀法白炭黑的微觀形貌，掃描電鏡可以彌補其不足。與透射電鏡相比，掃描電鏡可獲得更準確的沉淀法白炭黑微觀結構，且價格適中，易于操作，結果分析簡單，是一種有效的微觀結構表征工具。

本工作對掃描電鏡在沉淀法白炭黑研究中的應用現狀進行系統論述，并對掃描電鏡在沉淀法白炭黑行業中的應用前景進行展望。

1 掃描電鏡的測試原理

顯微鏡的分辨率（r）取決于光源的波長（λ），其關系式如下：

可見光的波長為400～700 nm，因此光學顯微鏡的分辨率在200 nm以上。電子束的波長遠小于可見光，電子束的波長與加速電壓有關，如表1所示。加速電壓為10 kV時，電子束的波長為0.012 26 nm，比可見光小4個數量級以上。由此可見，以電子束作為光源的掃描電鏡的分辨率遠高于光學顯微鏡，可滿足微納米材料顯微分析的需求。

表1 不同加速電壓下的電子束波長Tab.1 Electron beam wavelengths at different accelerating voltages

從掃描電鏡電子槍陰極發出的電子束經陰極與陽極之間的加速電壓作用射向鏡筒，經過聚光鏡和物鏡聚焦后形成高能電子束。在物鏡上部掃描線圈產生的磁場作用下，入射電子束按一定時間、空間順序進行光柵式掃描。由于入射電子與樣品之間的相互作用，從樣品中激發出的信號被檢測器收集并成像。其原理是電子槍發射的電子束入射到樣品中，電子與樣品發生相互作用而被吸收或反射后產生二次電子、背散射電子、透射電子、俄歇電子、X射線等各種有用信號，利用合適的探測器檢測這些信號能夠得到樣品的顯微或成分信息。掃描電鏡一般使用二次電子信號獲得樣品的微觀形貌。電子槍是整臺掃描電鏡最重要的部件，其性能決定樣品的微觀結構圖像質量。掃描電鏡按照電子槍陰極可分為普通型和場發射型，普通型掃描電鏡采用鎢絲或硼化物作為電子槍陰極，通過高溫產生電子；場發射型掃描電鏡在鎢絲陰極的基礎上引入電場發射電子，場發射型掃描電鏡又分為熱場發射和冷場發射兩種類型。

不同電子槍的特點如表2所示。對于沉淀法白炭黑等納米材料的微觀結構，一般需要場發射型掃描電鏡才能獲得較好的觀測結果。

表2 不同電子槍的特點Tab.2 Characteristics of different electron guns

2 掃描電鏡在沉淀法白炭黑研究中的應用

2.1 在沉淀法白炭黑的制備與改性中的應用

在沉淀法白炭黑的制備中掃描電鏡主要用于表征沉淀法白炭黑的微觀結構，可以獲得微觀形貌、顆粒大小及分布、孔結構和分散性等信息，分析制備工藝對沉淀法白炭黑微觀結構的影響。唐日晨等[1]以水玻璃和硫酸為原料、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和CTAB為分散劑制備了沉淀法白炭黑（如圖1所示），研究制備工藝對沉淀法白炭黑結構的影響。許珂敬等[2]的掃描電鏡分析表明，沉淀法白炭黑為45 nm左右的球形顆粒，粒子大小均勻且分散性好。李曉瑄等[3-4]以稻殼灰為原料制備了高純度沉淀法白炭黑，通過掃描電鏡觀察到稻殼基沉淀法白炭黑具有疏松的多孔結構，可用作大分子吸附劑。李秀悌等[5]以粉煤灰為原料制備了沉淀法白炭黑，并研究硅烷偶聯劑γ-MPS和硬脂酸對沉淀法白炭黑進行疏水改性的效果。掃描電鏡分析表明，改性沉淀法白炭黑表面有顆粒物，且硅烷偶聯劑γ-MPS的改性效果更好，表面的顆粒物更緊密。成岳等[6-7]研究了以稻殼為原料制備納米沉淀法白炭黑的最佳條件，掃描電鏡證明制得了粒徑約為20 nm且分散性好的沉淀法白炭黑。王彤彤等[8]對蛇紋石與硫酸銨焙燒后的濾渣進行煅燒，制得多孔白炭黑，并對其孔結構、顆粒形貌等進行表征，通過掃描電鏡觀察到多孔白炭黑中無規律分布大量微孔，具有較大的比表面積和孔體積。K.QUARCHA等[9]研究了反應酸堿條件和溫度對沉淀法白炭黑粒子的影響，掃描電鏡觀測到在酸性條件下制得的沉淀法白炭黑粒子明顯小于在堿性條件下制得的沉淀法白炭黑粒子，升高溫度可以明顯減小沉淀法白炭黑粒子的粒徑，如圖2所示。

圖1 沉淀法白炭黑的掃描電鏡照片Fig.1 SEM photo of precipitated silica

圖2 不同反應條件下制備的沉淀法白炭黑的掃描電鏡照片Fig.2 SEM photos of precipitated silica prepared under different reaction conditions

林春梅等[10-11]采用偶聯劑對納米白炭黑進行改性，通過掃描電鏡分析納米白炭黑改性前后的微觀結構，結果表明改性可以明顯改善納米白炭黑的分散性。馬志領等[12]以羥基硅油原位改性制備了疏水性沉淀法白炭黑，掃描電鏡分析表明，改性沉淀法白炭黑聚集體粒徑在10 μm以下，沉淀法白炭黑的聚集得到明顯改善且分散性大幅度提高。曹麗等[13-14]研究了沉淀法白炭黑在水中的分散性，掃描電鏡證明添加分散劑研磨處理可以有效改善沉淀法白炭黑在水中的分散性，白炭黑顆粒的聚集體粒徑明顯減小，多數聚集體粒徑小于10 μm。

李紅強等[15]采用γ-巰丙基三甲氧基硅烷作為改性劑在沉淀法白炭黑表面引入巰基，并利用巰基與2-叔丁基-6-（3-叔丁基-5-甲基-2-羥）苯（GM）進行加成反應制得受阻酚功能化沉淀法白炭黑，研究其在橡膠中的分散性及對膠料性能的影響，通過掃描電鏡觀察改性前后沉淀法白炭黑在橡膠基體中的形態得出，改性后沉淀法白炭黑在橡膠中的聚集減輕，分散更均勻，與橡膠基體的相容性提高，如圖3所示。P.PHEWPHONG等[16]研究了沉淀法白炭黑用量對氯化聚乙烯（CPE）/天然橡膠（NR）共混物分散性的影響，在較小沉淀法白炭黑用量下，沉淀法白炭黑在兩相中的分布比較均勻，隨著沉淀法白炭黑用量的增大，沉淀法白炭黑-CPE的相互作用影響增強，使沉淀法白炭黑優先遷移到CPE相中，如圖4所示。

圖3 改性對沉淀法白炭黑分散性的影響Fig.3 Effect of modification on dispersion of precipitated silica

圖4 不同白炭黑用量下CPE/NR共混物的掃描電鏡照片Fig.4 SEM photos of CPE/NR mixtures with different silica contents

2.2 在沉淀法白炭黑/橡膠復合材料研究中的應用

牟江南等[17-18]研究了沉淀法白炭黑對膠料性能的影響。試樣斷面掃描電鏡照片表明，膠料中未出現明顯的白炭黑大顆粒。付友健等[19]研究了普通白炭黑與高分散性白炭黑在NR中的分散性及其對膠料性能的影響，掃描電鏡觀察發現，高分散性白炭黑的分散性明顯優于普通白炭黑。圖5所示為不同沉淀法白炭黑補強NR膠料的掃描電鏡照片，可以看出與普通白炭黑相比，高分散性白炭黑在膠料中的聚集明顯減輕，分散性較好。

圖5 不同沉淀法白炭黑補強NR膠料的掃描電鏡照片Fig.5 SEM photos of NR compounds reinforced with different kinds of precipitated silica

劉大晨等[20]研究了稻殼源白炭黑代替炭黑N330在NR復合材料中的應用，復合材料的掃描電鏡分析表明，偶聯劑Si69改性稻殼源白炭黑分散性良好 ，可以部分替代炭黑N330，以使復合材料綜合性能提高。崔凌峰等[21-22]用改性劑改性白炭黑，制得具有防老化功能的沉淀法白炭黑，并研究其在NR中的分散性。通過掃描電鏡觀察到改性白炭黑在混煉膠中的分散度高，具有較小的聚集顆粒。崔凌峰等[23]還采用偶聯劑Si69、偶聯劑KH570和乙基三甲氧基硅烷（11-100）作為沉淀法白炭黑的表面改性劑，研究改性沉淀法白炭黑對NR膠料拉伸斷面形貌的影響，通過掃描電鏡觀察到3種改性白炭黑膠料的拉伸斷面粗糙度明顯增大。

陳翔等[24]研究了硅烷偶聯劑對沉淀法白炭黑與NR作用的影響，通過掃描電鏡發現，在硅烷偶聯劑的作用下，白炭黑粒子未發生明顯的聚集現象。林桂等[25]以分散劑、硅烷偶聯劑及二者并用分別改性沉淀法白炭黑，研究3種改性沉淀法白炭黑在三元乙丙橡膠中的填料網絡結構特點，通過掃描電鏡發現硅烷偶聯劑改性白炭黑在橡膠基體中的顆粒小且分散均勻，與橡膠基體間的結合程度最大。

范亞男等[26]以稻殼為原料制備了沉淀法白炭黑，研究其作為摩擦劑在牙膏中的應用，通過電鏡觀察碳酸鈣和沉淀法白炭黑的微觀形態，分析表明沉淀法白炭黑作為摩擦劑可以更好地去污并保護牙面。S.BINKOWSKI等[27]研究以硅烷偶聯劑改性沉淀法白炭黑作為染料載體以制備顏料，采用掃描電鏡對沉淀法白炭黑顏料的微觀結構進行表征，分析表明在氨基硅烷改性沉淀法白炭黑吸附染料后能產生粒子分布均勻的顏料，改性沉淀法白炭黑可以顯著提高顏料的粒子均勻性。

3 結論

掃描電鏡可以直接觀察沉淀法白炭黑的微觀結構，應用于沉淀法白炭黑制備研究中可以獲得沉淀法白炭黑粒子大小、聚集體形貌和孔結構等微觀結構信息，應用于沉淀法白炭黑改性研究中可以觀測改性效果，應用于沉淀法白炭黑/橡膠復合材料研究中可以表征沉淀法白炭黑在復合材料中的分散程度及其對制品性能的影響等。隨著沉淀法白炭黑相關理論研究的深入及對沉淀法白炭黑性能精準定制需求的擴大，掃描電鏡作為表征沉淀法白炭黑微觀結構的儀器必將受到進一步重視。