炭黑的基本性质有哪些?
炭黑的基本性质主要有粒径、结构性和表面性质 , 它们对橡胶的工艺性能和补强效果有着重要的影响
①炭黑的粒径是指单颗粒炭黑或聚集体中原生粒子的大小,橡胶用炭黑的平均粒径一般在11~500nm之间。炭黑的粒径越小,单位质量或单位体积(真实体积)中炭黑粒子的总表面积即炭黑的比表面积越大,炭黑与橡胶的接触面积越大,相同质量的炭黑中活性点越多,能更好地发挥炭黑对橡胶的化学结合和物理吸附作用,炭黑的补强效果越好。炭黑的粒径与制造方法和生产条件有关,对于油炉法炭黑,原料油雾化程度越高,炉温越高,风油比越大,炉内气流速度越大,生成的炭黑粒子越小。炭黑粒径的测定方法有:电子显微镜法、氮吸附法(BET法)、碘吸附法、大分子吸附法(包括阴离子表面活性剂OT法和阳离子表面活性剂CTAB法)。
②炭黑的结构性指炭黑的形态。炭黑在不完全燃烧的高温区中生成的同时,粒子通过化学结合而生成三维空间的聚集体,即炭黑的一次结构。炭黑的一次结构在橡胶的加工过程中不易发生破坏,是炭黑在橡胶中的最小分散单位。两个或两个以上的聚集体因范德华力而凝聚成疏松结构的凝聚体,即炭黑的二次结构。炭黑的二次结构在橡胶加工过程中,由于机械的剪切力极易破坏。炭黑的结构包括一次结构和二次结构。炭黑的结构性是指炭黑一次结构的程度,炭黑的结构越松散,其结构性越高,形态越复杂,枝杈多,内部空隙大,与橡胶结合形成的吸留橡胶越多。炭黑的结构性与其生产方法和所用原料有关,一般情况下,热裂法炭黑的结构性比槽法炭黑的结构性低,以天然气为原料的炭黑比以芳香油为原料的炭黑结构性低。炭黑结构性的测定方法可用吸油值法,在定量的炭黑中,加入适量的邻苯二甲酸二丁酯(DBP),填充炭黑空隙,所需要的DBP体积越多,炭黑的结构性越高。
③炭黑的表面性质包括表面粗糙度和表面化学性质。表面粗糙度指炭黑粒子表面存在零点几纳米到几纳米的微孔,这是炭黑在生成过程中受高温氧化气体的侵蚀而生成的。由于这种微孔很小,橡胶分子不能进入这些微孔,使得炭黑与橡胶能够产生有效作用的表面积下降,因而补强效果低。炭黑表面粗糙度的大小与其制造方法有关,一般情况下槽法炭黑粒子的表面粗糙度最大,炉法和热裂解法炭黑粒子的表面粗糙度较小,表面较光滑。表面粗糙度可用电子显微镜法、氮吸附法等进行测定。炭黑的表面化学性质与炭黑的化学组成和炭黑粒子的表面状态有关。炭黑主要是由碳元素组成的,含碳量为90%~99%,还有少量氧、氢、氮和硫等元素和少许挥发分及灰分。碳原子以共价键结合成六角形层面,所以炭黑具有芳香族的一些性质。炭黑在制造及贮存过程中,由于氧化作用,表面含有羟基、羧基、内酯基、醌基、酚基等含氧官能团。另外炭黑表面还存在大量的自由基,这些化学特性使得炭黑粒子表面具有定的化学活性,化学活性越大,生成结合橡胶的数量越多,炭黑的补强效果越好。
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