炭黑的表面性質包括粒子表面粗糙度和表面化學性質兩個方面。

(1)表面粗糙度

炭黑粒子的表面存在不同程度的粗糙現象。這是由于炭黑粒子在高溫下生成時,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,于是產生了炭黑粒子的表面粗糙現象,如圖4-10炭黑粒子的表面粗糙度可采用表面粗糙度系數K作為衡量的尺度對于表面有孔隙的炭黑,用氮吸附法測得的比表面積常大于電子顯微鏡法測得的比表面積。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。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)炭黑的表面化學性質

①表面化學活性。在混煉過程中,炭黑能夠與部分橡膠分子鏈產生化學結合,生成不能被溶劑抽出的炭黑凝膠(或稱結合橡膠)。事實證明,炭黑粒子表面具有化學活性,炭黑的化學活性越大,結合橡膠的生成量也越多

炭黑的化學活性主要來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等幾個方面。從基本結構看,處于炭黑粒子表面上的微晶層面類似于一個多苯核的芳香族化合物,這類化合物由于多苯環的共軛效應,使其邊綠上存在著較大的化學活性。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(單電子),因此使炭黑比多苯核烴的化學性質更活潑。炭黑粒子表面上有上干個層面,可看作是一個很大的、穩定的自由基集合體但炭黑的化學活性又與微晶的結構有關。事實表明,微晶排列不整齊的,露出粒子表面的層面就越多,活性點就越多,化學活性就越大。炭黑在制造及長期儲存過程中,由于氧化作用,粒子表面生成基、醌基、酚基和內酯等含氧官能團。在這些含氧官能團中,醌是強的自由基接受體,酚基和羧基具有活潑氫,從而提高了炭黑的化學活性。各種炭黑含氧官能團的含量見各方面的實驗結果表明,炭黑粒子表面微晶層面邊綠缺氫處的單電子是與橡膠結合的主要活性中心,而其他活性點則處于次要地位

②表面酸堿性。純凈的炭黑應該是堿性的,這是因為炭黑微晶層面類似于多苯核化合物的結構,由于共軛效應,使其成為一個電子給予體,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,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少,又因它們制造時冷卻過程中,表面上沉積有來自冷卻水中的無機鹽類,因而使炭黑表面呈現堿性槽法炭黑因表面含有較多的酸性含氧官能團,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少,又因它們制造時冷卻過程中,表面上沉積有來自冷卻水中的無機鹽類,因而使炭黑表面呈現堿性總之,炭黑的表面性質十分復雜,通常可用揮發分(%)、pH值DPG吸著率(%)等檢測項目得到一定程度的反映。其中,揮發分%)可表征含氧官能團的多少;DPG吸著率(%)可表征炭黑對促進劑的吸附情況,從而間接地反映出炭黑表面粗糙度的大小。

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