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炭黑常识
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炭黑聚集体的存在状态


1.平均原生粒径
色素炭黑的原生粒子是由许多叠合层面所组成。在很大程度上,生产工艺决定其原生粒子的粒径大小。在炉法生产的炭黑中,因为生产工艺可调节的手段较多、自动化程度高,原生粒子粒径的变化范围大:从10纳米到80纳米。原生粒子的平均粒径和粒径分布从根本上决定了色素炭黑的性能,特别是其黑度和着色力。


图一 炭黑性能随粒径变化而变化的规律

 

2.结构

色素炭黑原生粒子并非以纳米级单独的分离状态存在。它们通过物理作用形成聚熔体和聚集体。炉法炭黑的聚集程度可以通过工艺的变化来调整;而接触法炭黑的聚集程度因其开放式的工艺则很难调控。炭黑原始粒子的聚集程度通常被称为"结构"。高聚集度的炭黑被称为高结构炭黑,而低聚集度的炭黑则被称为低结构炭黑。


图二 炭黑性能随结构变化而变化的规律

 

3.表面活性
炭黑主要由碳元素组成,含碳量为90%~99%左右,炭黑中也含有少量的氧、氢、氮和硫等元素。这里所说的表面活性,对于酸性炭黑是指在炭黑粒子表面生成的含氧表面基团的多少,这些酸性表面基团主要为羧基、酚羟基、 醌基、内酯基等;对于碱性炭黑是指炭黑表面的碱性氧化物,它们影响着炭黑的理化性能,如润湿分散性,催化活性以及电化学性能。


图三 炭黑性能随表面活性变化而变化的规律
 

色素炭黑的性能

1. 着色力
又称着色强度。是将白色或彩色颜料和炭黑混合时,炭黑的着色能力。也就是炭黑使混合物系光吸收作用提高的程度。它通常是用百分数的形式来表现,可以通过使用黑度反射仪测量炭黑冲淡色浆得出的数据来衡量。根据工业标准操作,色浆为炭黑和钛白粉(或其他白色颜料如氧化锌)及一定溶剂的混合物。(着色力的测量参照 ASTM D-3849 或 GB/T 7050-2003标准)

2. 比表面积
炭黑比表面积是指单位质量或单位体积内炭黑粒子表面积的总和,单位为m2/g 。 比表面积与粒径一样是炭黑的基本性能之一。一般来说,表面相对较光滑的炭黑(如橡胶用炭黑)比表面积与粒径正好成反比,即粒径越小比表面积越大,反之亦然。所以,如把炭黑粒子假定为球形,可由粒径的数据计算比表面积。
炭黑的比表面积分为外比表面积(或称光滑比表面积),内比表面积(或称孔隙内比表面积)和总比表面积。总比表面积等于外比表面积和内比表面积的总和。比表面积的测定方法很多,常用的有氮吸附法(BET法),吸碘值法,CTAB法(大分子吸附法),t值法以及电子显微镜法等。

3. DBP吸收值
炭黑的结构可以用DBP(Dibutyl Phthlate邻苯二甲酸二丁酯)吸收值来测量。 根据经验,低结构颜料炭黑中,每100g炭黑的DBP吸收值应不高于70ml;而高结构颜料炭黑中,每100g炭黑的DBP吸收值应不低于110ml。中结构炭黑则居于两者之间。结构对颜料炭黑应用性有实质性的影响。(吸油值的测量参照ASTM D-2414 标准或GB/T 7046-2003)

4. pH 值
pH值和表面官能团数量有关。炉法炭黑表面官能团少,并存在少量的可溶性盐,因此炭黑本身多呈中性或碱性。 为了改善炭黑的粘性,稳定性以及流动性, 有些色素炭黑可通过表面处理来改变表面官能团数量,从而呈酸性。(pH值的测量参照GB/T 7045)

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