炭黑的性质

炭黑的粒径（或比表面积）、结构性和表面活性，一般认为是炭黑的三大基本性质，通常称为补强三要素。

一、炭黑的粒径或比表面积

1．炭黑的粒径及分布

炭黑的粒径是指单颗炭黑或聚集体中粒子的粒径大小，单位常为nm。通常用平均粒径来表示炭黑的粒子大小，炭黑工业常用的平均粒径有算术平均粒径和表面平均粒径两种。

算术平均粒径，是一种最常用的平均粒径：

表面平均直径有时也称为几何平均直径，它的定义如下：

表面平均直径常大于算术平均直径，它与粒径分布大小有关，故可用/的比值判断炭黑粒径的分散程度，比值越小，粒径分布越窄，反之则越宽。粒径分散程度对补强作用有一定影响，一般希望分布窄些好。

2．炭黑的比表面积及空隙度

（1）比表面积

炭黑表面积是指单位质量或单位体积（真实体积）中炭黑粒子的总表面积，单位为m2/g或m2/cm3。炭黑的比表面积有外表面积（光滑表面）、内表面积（孔隙表面积）和总表面积（外表面积和内表面积之和）之分。

设S为单位质量炭黑的比表面积（m2/g），ρ为密度（g/cm3）。对于球形粒子，则S与有下列关系：

（2）空隙度（表面粗糙程度）

表面粗糙度是指炭黑粒子在形成过程中，因粒子表面发生氧化侵蚀所形成的孔洞的多少，即氧化程度。这是由于碳氢化合物高温燃烧裂解时，炭黑成粒过程伴随有剧烈氧化作用所致。

炭黑粒子的表面粗糙度可用表面粗糙度系数K来表征，即用BET法测得的总比表面积与用CTAB法测得的外比表面积之比值。

3.比表面积的测定方法

（1）用电子显微镜测定贪黑的粒径及比表面积

（2）BET法测定炭黑的比表面积

（3）碘吸附测定比表面积

（4）大分子表面活性剂吸附法测比表面积

（5）测定炭黑比表面积的其它方法

二、炭黑的结构

（一）炭黑的微观结构

1.石墨的微观结构

炭黑的微晶结构属于石墨晶类型，石墨晶格中碳原子有很小的对称结构。

2.炭黑的微观结构

炭黑是准石墨品体，所以不象石墨品体那样整齐排列，且晶体中平行层面间距稍大于石墨晶体，层面间距C为7.0左右(石墨晶体的C为6.70，C值是两倍层面间距):各层面有不规则排列。3~5个层面组成一个微晶体。

3.炭黑的石墨化

尽管炭黑聚集体是准石墨品体，但它的结品很不完整，品体小，缺陷多，甚至有的炭黑中还有单个层面及无定形碳存在。与石墨相比，炭黑平行层面间的距离较大，且排列不规整，将炭黑在没有氧的情况下加热到1000℃以上，则炭黑微晶尺寸会逐渐增加，而层面距离则减小，即提高了微晶结构的规整性。当温度升高至2700℃时，炭黑则转变成石墨。

炭黑石墨化之后，粒子直径和结构形态无大变化，只是微晶的尺寸变大，化橡胶技术李秀权工作室学活性下降，与橡胶的结合能力下降，补强能力下降。

（二）炭黑的结构度

炭黑的结构度是指炭黑链枝结构的发达程度。炭黑的结构性通常是指炭黑的一次结构，但也含二次结构的问题。

1．炭黑的一次结构

炭黑的一次结构就是聚集体，又称为基本聚熔体或原生结构，它是炭黑的最小结构单元。通过电子显微镜可以观察到这种结构。这种结构在橡胶的混炼及加工过程中，除小部分外，大部分被保留，所以可视其为在橡胶中最小的分散单位，所以又称为炭黑的稳定结构。这种一次结构对橡胶的补强及工艺性能有着本质的影响。

2．炭黑的二次结构

炭黑的二次结构又称为附聚体、凝聚体或次生结构，它是炭黑聚集体间以范德华力相互聚集形成的空间网状结构，这种结构不太牢固，在与橡胶混炼时易被碾压粉碎称为聚集体。

炭黑的结构性与炭黑的品种及生产方法有关，采用高芳香烃油类生产的高耐磨炉黑，有较高的结构性；瓦斯槽黑只有2~3个粒子熔聚在一起；而热裂法炭黑几乎没有熔聚现象，其粒子呈单个状态存在。所以一般将炭黑结构性分为低结构、正常结构和高结构三种。

根据石墨结晶模型来描述炭黑的结构，聚集体的结构层次为：

元素碳→碳核（六边形）→多核层面→炭黑微晶→炭黑粒子→炭黑的一次结构（聚集体）

3．炭黑结构度的测定方法

炭黑结构的测定方法有多种，如电镜法及图象分析法、吸油值法、视比容法及水银压入法等。

（1）视比容法（压缩法）

（2）DBP吸油值法

  a. 手工法

  b. 吸油计测定法（压缩DBP吸油值法）

工业上广泛采用的是吸油值法即用邻苯二甲酸二丁酯（DBP）的吸收值来表征炭黑的结构，DBP吸油值法是以单位质量炭黑吸收邻苯二甲酸二丁酯的体积表示，该测定方法标准为GB3780.2或GB3780.4。通常DBP值越高，即炭黑的结构性越高。

一般高结构炭黑DBP吸油值大于120cm3/100g，低结构炭黑低于80 cm3/100g。

三、炭黑的表面性质

炭黑粒子表面化学性质与炭黑的化学组成和炭黑粒子的表面状态有关。

1．炭黑的化学组成

炭黑主要是由碳元素组成的，含碳量为90~99%，还有少量氧、氢、氮和硫等元素，其它还有少许挥发分和灰分，构成了炭黑的化学组成。因为碳原子以共价键结合成六角形层面，所以炭黑具有芳香族的一些性质。

2．炭黑的表面基团

炭黑表面上有自由基、氢、羟基、羧基、内酯基、醌基，见图3-3。这些基团估计主要在层面的边缘。

（1）自由基

（2）炭黑表面的氢

（3）炭黑表面的含氧基团

含氧基团有羟基、羧基、酯基及醌基。这些基团含量对炭黑水悬浮液的PH值有重要作用，含量高，PH值小，反之亦然。例如槽法炭黑水悬浮液的PH值在2.9~5.5间，炉法炭黑PH值一般在7~10间。

炭黑的表面基团具有一定的反应性，可以产生氧化反应、取代反应、还原反应、离子交换反应、接枝反应等，是炭黑表面改性的基础。

四、炭黑的其它性质

1．炭黑的光学性质

炭黑着色强度是炭黑混入白色颜料后反射力降低的程度。它是炭黑的重要光学性质，并与炭黑的粒径、结构等因素有关。炭黑粒径小，着色强度高；炭黑结构高，着色强度低。着色强度是测定橡胶用炭黑光学性质的标准方法，常用于研究新工艺炭黑的光学性质及质量控制。

2．炭黑的密度

炭黑密度是指单位体积炭黑的质量，有真密度和视密度之分，单位为g/cm3或kg/m3。炭黑的倾注密度，大多数品种在0.3~0.5g/cm3（或300~500kg/m3）之间，它对炭黑的加工及贮运有实际意义。

3．导电性

炭黑是一种半导体材料，常用电导率或电阻率表示它的电性能。炭黑的导电性与其微观结构、粒子大小、结构、表面性质等密切相关。

一般来说，粒子越小，结构度越高，导电性能越好。高结构炭黑较正常结构或低结构炭黑具有更好的导电性。炭黑表面粗糙度，即孔隙性也影响炭黑的导电性。表面粗糙多孔的炭黑其导电性增加。