炭黑的表面性質(zhì)包括粒子表面粗糙度和表面化學(xué)性質(zhì)兩個(gè)方面。

(1)表面粗糙度

炭黑粒子的表面存在不同程度的粗糙現(xiàn)象。這是由于炭黑粒子在高溫下生成時(shí),其表面程度受到不同的氧化侵蝕,而形成0.1nm至幾納米直徑的孔洞,于是產(chǎn)生了炭黑粒子的表面粗糙現(xiàn)象,如圖4-10炭黑粒子的表面粗糙度可采用表面粗糙度系數(shù)K作為衡量的尺度對(duì)于表面有孔隙的炭黑,用氮吸附法測(cè)得的比表面積常大于電子顯微鏡法測(cè)得的比表面積。因此,K值越大,表面粗糙度越大炭黑粒子表面粗糙度的大小與制造方法有關(guān)。一般,槽法炭黑粒子表面粗糙度最大;爐法和熱裂法炭黑粒子表面粗糙度較小,表面比

(2)炭黑的表面化學(xué)性質(zhì)

①表面化學(xué)活性。在混煉過(guò)程中,炭黑能夠與部分橡膠分子鏈產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合,生成不能被溶劑抽出的炭黑凝膠(或稱(chēng)結(jié)合橡膠)。事實(shí)證明,炭黑粒子表面具有化學(xué)活性,炭黑的化學(xué)活性越大,結(jié)合橡膠的生成量也越多

炭黑的化學(xué)活性主要來(lái)源于粒子表面微晶層面邊綠上的活潑氫和層面邊綠缺氫處的單電子,以及粒子表面上的含氧官能團(tuán)等幾個(gè)方面。從基本結(jié)構(gòu)看,處于炭黑粒子表面上的微晶層面類(lèi)似于一個(gè)多苯核的芳香族化合物,這類(lèi)化合物由于多苯環(huán)的共軛效應(yīng),使其邊綠上存在著較大的化學(xué)活性。而炭黑與上述化合物不同的是炭黑中所含的氫原子數(shù)量不足,層面邊綠常欠缺氫原子而存在著許多不飽和的原子價(jià)(單電子),因此使炭黑比多苯核烴的化學(xué)性質(zhì)更活潑。炭黑粒子表面上有上干個(gè)層面,可看作是一個(gè)很大的、穩(wěn)定的自由基集合體但炭黑的化學(xué)活性又與微晶的結(jié)構(gòu)有關(guān)。事實(shí)表明,微晶排列不整齊的,露出粒子表面的層面就越多,活性點(diǎn)就越多,化學(xué)活性就越大。炭黑在制造及長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程中,由于氧化作用,粒子表面生成基、醌基、酚基和內(nèi)酯等含氧官能團(tuán)。在這些含氧官能團(tuán)中,醌是強(qiáng)的自由基接受體,酚基和羧基具有活潑氫,從而提高了炭黑的化學(xué)活性。各種炭黑含氧官能團(tuán)的含量見(jiàn)各方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,炭黑粒子表面微晶層面邊綠缺氫處的單電子是與橡膠結(jié)合的主要活性中心,而其他活性點(diǎn)則處于次要地位

②表面酸堿性。純凈的炭黑應(yīng)該是堿性的,這是因?yàn)樘亢谖⒕用骖?lèi)似于多苯核化合物的結(jié)構(gòu),由于共軛效應(yīng),使其成為一個(gè)電子給予體,易接受氫離子,而呈路易斯堿性。槽法炭黑因表面含有較多的酸性含氧官能團(tuán),其酸性抵消了炭黑本身的堿性而有余量,因此表面呈酸性;爐法及熱裂法炭黑表面含氧官能團(tuán)少,又因它們制造時(shí)冷卻過(guò)程中,表面上沉積有來(lái)自冷卻水中的無(wú)機(jī)鹽類(lèi),因而使炭黑表面呈現(xiàn)堿性槽法炭黑因表面含有較多的酸性含氧官能團(tuán),其酸性抵消了炭黑本身的堿性而有余量,因此表面呈酸性;爐法及熱裂法炭黑表面含氧官能團(tuán)少,又因它們制造時(shí)冷卻過(guò)程中,表面上沉積有來(lái)自冷卻水中的無(wú)機(jī)鹽類(lèi),因而使炭黑表面呈現(xiàn)堿性總之,炭黑的表面性質(zhì)十分復(fù)雜,通常可用揮發(fā)分(%)、pH值DPG吸著率(%)等檢測(cè)項(xiàng)目得到一定程度的反映。其中,揮發(fā)分%)可表征含氧官能團(tuán)的多少;DPG吸著率(%)可表征炭黑對(duì)促進(jìn)劑的吸附情況,從而間接地反映出炭黑表面粗糙度的大小。

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