碳黑的基本結構與化學性質
碳黑的基本結構是以碳黑粒子之間集聚成鏈狀或葡萄狀形狀表示的,由凝聚體形成的尺寸、形態(tài)和粒子構成的凝聚體組成的炭黑稱為高結構碳黑,目前常用吸油值表示結構性,吸油值越大,碳黑結構性越高,更加容易形成空間網絡通道,并且不容易破壞。高結構碳黑的顆粒較細,網狀鏈堆積緊密,比表面積大,單位質量顆粒多,有利于在聚合物中形成鏈式導電結構。其中在眾多碳黑品種中以乙炔炭黑為最佳,粒徑分布寬的炭黑粒子比分布窄的炭黑粒子更具有導電性。
一、碳黑的基本結構
1.碳黑的微觀構造
碳黑粒子屬于微晶結構,在炭黑中,碳原子的排列方式與石墨十分相似,是由六角形組成的平面,通常由3~5個這樣的平面組成一個微晶。炭黑中的微晶每個石墨層面中,碳原子的排列是有序的,而相鄰層面間碳原子的排列又是無序的,所以又叫準石墨晶體。
2.炭黑的粒徑
炭黑的粒子可低至5nm細度,通常炭黑粒子不是孤立存在的,而是由多個粒子通過碳晶層互相穿插,形成鏈枝狀。不同生產方法生產的炭黑粒子的粒徑范圍極廣的,燈黑生產得到的產品相對粗糙,而氣黑生產的的產品相對精細。
用爐黑生產工藝得到的炭黑幾乎所有粒徑范圍相同,同一品種的炭黑,其粒子大小并不完全相同,呈現(xiàn)一個粒徑分布范圍,通常粒子較細的品種,粒徑分布都比較窄。
二、碳黑的化學性質
碳黑的生產工藝不同,則表面的化學性質也是有所差別的。大多數(shù)炭黑真實表面積大于由粒徑計算出的幾何表面積,這是由于炭黑特別是粒徑小于25nm的炭黑表面存在著許多微孔,導致大多數(shù)炭黑真實表面積較大。
據分析,在碳黑的表面檢測到酚基、醌基、羧基等一些基團,這些酸性基團在氣黑和氧化爐黑的表面濃度特別的高,在爐黑中可檢測到吡喃酮結構,這種結構決定了爐黑的堿性性質。揮發(fā)其含量可判斷表面官能基的濃度,也可測到炭黑的極性。另外由于炭黑的表面積較大,容易吸附揮發(fā)環(huán)境中的水分,所以炭黑在運輸、貯存以及使用過程中要特別注意吸濕問題。
大部分探討導電粒子接觸幾何的研究理論認為,炭黑填充量越大,處于分散狀態(tài)的炭黑粒子或炭黑粒子集合體的密度也就越大,粒子之間的平均距離越小,相互接觸的幾率越高,炭黑粒子或炭黑粒子集合體形成的導電通路也越多。
不同極性的高聚物與炭黑組成共混體系的極性越大,炭黑臨界體積分數(shù)就越大,這就意味著體系的導電性下降,因為炭黑表面含有很強的極性基團,基體極性大,作用增強,這時強度增加,卻妨礙導電粒子自身的凝集,以導致導電性變差。
但是在多組分基體樹脂與炭黑組成的共混體系中,由于不同基體的極性不同,填充碳黑會產生偏析現(xiàn)象,這時導電性能取決于炭黑粒子在偏析相中的濃度和分布狀態(tài),還取決于偏析相高聚物所占比例。
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