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炭黑表面物理性质中的粒径和结构

2021-05-20 18:07:24
炭黑原生粒子是指构成聚集体的近球形的基本粒子。按炭黑形态新概念,除热裂解法炭黑外,几乎所有种类炭黑的原生粒子都不单独存在,它只是聚集体中的一个区域,聚集体才是炭黑实际独立存在的最小单元。尽管如此,炭黑粒子的大小与分布对炭黑的补强或着色性能有重要影响,故人们仍然将其视为是炭黑重要的基本性质之一。炭黑原生粒子很小,最小粒径为10nm左右,最大粒径也不超过500nm,均属胶体范围。这样微小的粒子仅凭肉眼是不可见的,只能借助扫scanning electron microscop, SESEM)、原子力显微镜( atomic force描电子显微镜(Icroscope,AFM)及透射电镜( transmission electron microscopeTEM)才能直接观察和测定粒子的形态及大小。炭黑原生粒子的大小通常用粒子直径(简称粒径)或比表面积表示。
  
  炭黑聚集体的形状是相当复杂的,呈树枝链状,聚集体之间又彼此吸引形成更大的附聚体,统称为炭黑的结构。炭黑的结构通常分为一次结构(或称原生结构)和二次结构(也称暂时结构)。一次结构是指原生聚集体形成的结构,一次结构是坚实和牢固的,在通常的橡胶混炼中不会受到破坏。二次结构是炭黑聚集体借助于范德瓦耳斯力凝聚形成的附聚体,结构不牢固,易受造粒、压缩的影响而改变在混炼中,可被破坏而以聚集体(一次结构)的形式分散于橡胶或其他应用体系(如塑料、油漆、油墨)中,聚集体在分散体系中会再形成新的网络结构?。 Medalia经典模型就是用椭球模型标准炭黑聚集体,它将炭黑聚集体形态分为三种:球形、椭球形和纤维形。常规炭黑参数如吸油值(①DBP吸收值和CDBP吸收值)检测可以计算出炭黑聚集体的空隙容积。
 
      炭黑的粒径和结构是炭黑最重要的性能指标。其中粒径直接影响炭黑的使用性能和其他性能。在橡胶中,粒径越小,填充橡胶的强度等性能(如抗拉强度、定伸应力、抗撕裂性能和耐磨性)越高,反之则降低。电镜(如扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜等)法是直接测量炭黑粒径和结构的直接方法。新形态概念认为只有热裂解法炭黑呈单个球形或椭球形,而其余炭黑则是由层平面围绕多个生长核心分布,各层常常是弯曲的、连续的。曲秀芳通过测量炭黑填充子午线轮胎胎面胶后的性能得出:炭黑的粒径小,易于形成物理吸附,有利于提高橡胶的拉伸性能和抗拉强度;而炭黑的结构程度高,容易与橡胶产生较多的化学结合,有利于提高定伸强度和伸长率。
  
  高结枃炭黑是通过改变炉法工艺研发的新型补强炭黑,采用该种炭黑的最大优点即不用重新设计橡胶胶料的工艺配方,只需通过添加具有大比表面积的高结构炭黑来等量替代普通炭黑就可以大大改善轮胎胶料的性能。与普通结构炭黑相比,高结构炭黑具有结构度高、聚集体分布宽以及表面活性高等特点,主要原因是:高结构炭黑粗糙的微观表面具有无数的棱边,这些四凸的棱边是具有高表面能的活性点,当该类型的炭黑与橡胶聚合物产生物理化学作用时,橡胶聚合物分子链沿着高结构炭黑表面滑移可能是炭黑填充硫化胶的主要滞后机理,在高结构炭黑硫化胶中这种滑移被抑制,从而减弱了滞后效果。
炭黑的粒径和结构
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