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(shí)粒子熔接(結(jié))和増長(zhǎng)(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(guò)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(duì)補(bǔ)強(qiáng)作用和工藝性能有著根本的影響。兩個(gè)或兩個(gè)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(chēng)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(dòng)。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(guò)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(shí),它對(duì)硫化膠的性能也有一定影響。每個(gè)炭黑的聚熔體都有著自己的獨(dú)特外形,沒(méi)有兩個(gè)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(lái)表征,即是將電子顯微鏡觀到的聚熔體的平面投影用等價(jià)橢圓來(lái)模擬,并以不對(duì)稱(chēng)度和疏密度來(lái)評(píng)價(jià)炭黑的結(jié)構(gòu)形態(tài)不對(duì)稱(chēng)度=等價(jià)橢圓的長(zhǎng)半徑等價(jià)橢圓的短半徑疏密度=等價(jià)橢圓的面積熔體平面投影面積聚熔體的不對(duì)稱(chēng)度和疏密度如圖4-8所示,不對(duì)稱(chēng)度越大,可視為熔接的炭黑粒子越多;不對(duì)稱(chēng)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(lèi),其中橢球形又分為三小類(lèi),纖維形又分為四小類(lèi),其中,纖維形聚熔體具有最大的疏密度。對(duì)一種炭黑來(lái)講,這三大類(lèi)形態(tài)都存在,但有一個(gè)分布范國(guó),即以某種形態(tài)為主,表4-5列舉了五種炭黑形態(tài)分類(lèi)的頻率評(píng)價(jià)炭黑結(jié)構(gòu)性的方法有兩類(lèi),一類(lèi)是基于測(cè)定聚熔體的幾何形狀,由于此類(lèi)評(píng)價(jià)方法涉及較復(fù)雜的儀器,從而受到很大的局限。另類(lèi)是基于測(cè)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(cè)定炭黑結(jié)構(gòu)性的最常用方法。
它是通過(guò)測(cè)定充滿(mǎn)炭黑一次和二次結(jié)構(gòu)的空間及浸潤(rùn)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(lái)間接反映結(jié)構(gòu)性的高低。吸油值越大,說(shuō)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(huì)使吸油值増大。因此,嚴(yán)格地說(shuō),只有當(dāng)比表面積相同時(shí),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(duì)吸收值的影響,多采用壓縮后的DBP值(即24M4法)來(lái)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(cè)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)。