炭黑的結(jié)構(gòu)性和結(jié)構(gòu)形態(tài)
炭黑的結(jié)構(gòu)性,即炭黑的總結(jié)構(gòu),包括一次結(jié)構(gòu)和二次結(jié)構(gòu)。炭黑的一次結(jié)構(gòu),即指炭黑在不完全燃的火焰中生成的同時粒子熔接(結(jié))和増長(炭的沉積)而形成的三維空間的結(jié)合體,這種結(jié)合體也成為“聚熔體”或“聚集體”。一次結(jié)構(gòu)是化學(xué)結(jié)合為穩(wěn)定結(jié)構(gòu),在橡膠的混煉和其他加工過程中不易發(fā)生顯著的破壞現(xiàn)象,所以一次結(jié)構(gòu)是炭黑在橡膠中的最小分散單位,其結(jié)構(gòu)形態(tài)對補(bǔ)強(qiáng)作用和工藝性能有著根本的影響。兩個或兩個以上的基本的基本聚熔體因范德華力而疑聚成的疏松結(jié)構(gòu)稱為炭黑的二次結(jié)構(gòu)或凝聚體(附聚體),這種結(jié)構(gòu)的結(jié)合強(qiáng)度可在較弱的范德華力至較牢固的氫鍵力間波動。一般粒子越小、粒子表面粗糙度越大及氧基團(tuán)的含量越多,二次結(jié)構(gòu)的結(jié)合力也越大,但即使結(jié)合力最大的二次結(jié)構(gòu)在剪切力作用下(如混煉過程中)也極易破壞。由于這種結(jié)構(gòu)具有可逆性,易分散也易形成,因此,當(dāng)填充量很大時,它對硫化膠的性能也有一定影響。每個炭黑的聚熔體都有著自己的獨(dú)特外形,沒有兩個聚熔體的外形是完全一致的。
關(guān)于炭黑聚熔體的形態(tài)可用橢球槙型來表征,即是將電子顯微鏡觀到的聚熔體的平面投影用等價橢圓來模擬,并以不對稱度和疏密度來評價炭黑的結(jié)構(gòu)形態(tài)不對稱度=等價橢圓的長半徑等價橢圓的短半徑疏密度=等價橢圓的面積熔體平面投影面積聚熔體的不對稱度和疏密度如圖4-8所示,不對稱度越大,可視為熔接的炭黑粒子越多;不對稱度相近而疏密度大的則表示聚熔體形態(tài)較復(fù)雜,即緊熔體的枝又、凹彎和空隙較多利用圖像分析儀可將炭黑聚熔體的形態(tài)定性地分為球形、橢球形纖維形三大類,其中橢球形又分為三小類,纖維形又分為四小類,其中,纖維形聚熔體具有最大的疏密度。對一種炭黑來講,這三大類形態(tài)都存在,但有一個分布范國,即以某種形態(tài)為主,表4-5列舉了五種炭黑形態(tài)分類的頻率評價炭黑結(jié)構(gòu)性的方法有兩類,一類是基于測定聚熔體的幾何形狀,由于此類評價方法涉及較復(fù)雜的儀器,從而受到很大的局限。另類是基于測定炭黑的總結(jié)構(gòu)的方法,如視比容法、吸油值法等。其中,吸油值法是目前生產(chǎn)中測定炭黑結(jié)構(gòu)性的最常用方法。
它是通過測定充滿炭黑一次和二次結(jié)構(gòu)的空間及浸潤其表面所需要的最低油量(以每19g或每1009炭黑所吸附的鄰苯二甲酸二丁酯的毫升數(shù),DBP值)來間接反映結(jié)構(gòu)性的高低。吸油值越大,說明炭黑的結(jié)構(gòu)形態(tài)越復(fù)雜,越不規(guī)則,結(jié)構(gòu)性越高般低結(jié)構(gòu)炭黑DBP值小于1mLg炭黑;正常結(jié)構(gòu)炭黑DBP值為1~1.2mLg炭黑;高結(jié)構(gòu)炭黑DBP值達(dá)1.2~1.7mLg炭黑。但需指出,炭黑吸油值的大小也受比表面積的影響,比表面積大,會使吸油值増大。因此,嚴(yán)格地說,只有當(dāng)比表面積相同時,吸油值才能真正地反映出炭黑結(jié)構(gòu)性的高低。為了排除二次結(jié)構(gòu)空隙對吸收值的影響,多采用壓縮后的DBP值(即24M4法)來表示炭黑一次結(jié)構(gòu)的高低。所謂的24M4法即是將259炭黑樣品加壓力161.8MPa,用藥刀打碎,重復(fù)壓縮4次后,再測定DBP信炭黑的結(jié)構(gòu)性與其生產(chǎn)方法和所用原料有關(guān)。