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炭黑表面物理性質中的粒徑和結構

2021-05-20 18:07:24
炭黑原生粒子是指構成聚集體的近球形的基本粒子。按炭黑形態新概念,除熱裂解法炭黑外,幾乎所有種類炭黑的原生粒子都不單獨存在,它只是聚集體中的一個區域,聚集體纔是炭黑實際獨立存在的最小單元。儘管如此,炭黑粒子的大小與分佈對炭黑的補強或着色性能有重要影響,故人們仍然將其視爲是炭黑重要的基本性質之一。炭黑原生粒子很小,最小粒徑爲10nm左右,最大粒徑也不超過500nm,均屬膠體範圍。這樣微小的粒子僅憑肉眼是不可見的,只能藉助掃scanning electron microscop, SESEM)、原子力顯微鏡( atomic force描電子顯微鏡(Icroscope,AFM)及透射電鏡( transmission electron microscopeTEM)才能直接觀察和測定粒子的形態及大小。炭黑原生粒子的大小通常用粒子直徑(簡稱粒徑)或比表面積表示。
  
  炭黑聚集體的形狀是相當複雜的,呈樹枝鏈狀,聚集體之間又彼此吸引形成更大的附聚體,統稱爲炭黑的結構。炭黑的結構通常分爲一次結構(或稱原生結構)和二次結構(也稱暫時結構)。一次結構是指原生聚集體形成的結構,一次結構是堅實和牢固的,在通常的橡膠混煉中不會受到破壞。二次結構是炭黑聚集體藉助於范德瓦耳斯力凝聚形成的附聚體,結構不牢固,易受造粒、壓縮的影響而改變在混煉中,可被破壞而以聚集體(一次結構)的形式分散於橡膠或其他應用體系(如塑料、油漆、油墨)中,聚集體在分散體系中會再形成新的網絡結構?。 Medalia經典模型就是用橢球模型標準炭黑聚集體,它將炭黑聚集體形態分爲三種:球形、橢球形和纖維形。常規炭黑參數如吸油值(①DBP吸收值和CDBP吸收值)檢測可以計算出炭黑聚集體的空隙容積。
 
     炭黑的粒徑和結構是炭黑最重要的性能指標。其中粒徑直接影響炭黑的使用性能和其他性能。在橡膠中,粒徑越小,填充橡膠的強度等性能(如抗拉強度、定伸應力、抗撕裂性能和耐磨性)越高,反之則降低。電鏡(如掃描電鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡等)法是直接測量炭黑粒徑和結構的直接方法。新形態概念認爲只有熱裂解法炭黑呈單個球形或橢球形,而其餘炭黑則是由層平面圍繞多個生長核心分佈,各層常常是彎曲的、連續的。曲秀芳通過測量炭黑填充子午線輪胎胎面膠後的性能得出:炭黑的粒徑小,易於形成物理吸附,有利於提高橡膠的拉伸性能和抗拉強度;而炭黑的結構程度高,容易與橡膠產生較多的化學結合,有利於提高定伸強度和伸長率。
  
  高結枃炭黑是通過改變爐法工藝研發的新型補強炭黑,採用該種炭黑的最大優點即不用重新設計橡膠膠料的工藝配方,只需通過添加具有大比表面積的高結構炭黑來等量替代普通炭黑就可以大大改善輪胎膠料的性能。與普通結構炭黑相比,高結構炭黑具有結構度高、聚集體分佈寬以及表面活性高等特點,主要原因是:高結構炭黑粗糙的微觀表面具有無數的棱邊,這些四凸的棱邊是具有高表面能的活性點,當該類型的炭黑與橡膠聚合物產生物理化學作用時,橡膠聚合物分子鏈沿着高結構炭黑表面滑移可能是炭黑填充硫化膠的主要滯後機理,在高結構炭黑硫化膠中這種滑移被抑制,從而減弱了滯後效果。
炭黑的粒徑和結構
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