炭黑的元素組成和表面官能團
2023-09-22
炭黑是一種常規(guī)的納米材料，應用很普遍。炭黑主要是有Ｃ、Ｈ、０、Ｓ、Ｎ等元素組成，Ｃ含量很大，達到９８％Ｗ上。炭黑中的ＯＷＣｘＯｙ形式存在于聚集體的表面，而Ｈ和Ｓ在聚集體的表面和內部都有分布。炭黑中只有極少的Ｈ、０、Ｓ等元素，但是這些元素對炭黑的性質的影響卻很大。這些微量元素能在炭黑微粒表面能形成大量的－Ｃ００Ｈ、－０Ｈ、－Ｃ－０－Ｃ－、釀基和內醋基等含氧官能團Ｗ及少量的含硫官能團。
１）Ｃ－０表面基團Ｃ－０基團是炭黑表面生成的很有用的基團。它對炭黑的催化活性、電化學性能Ｗ及濕潤性等理化性能有著決定性的作用。不是所有的含氧基團都是酸性的，還有中性、堿性兩種。當碳與氧在４００°Ｃ的高媼下接觸、或者常溫下碳與氧化劑溶液反應，就會生成酸性含氧基團。這些表面基團的熱穩(wěn)定性較差，在惰性氣體或真空中進行３００？８００°Ｃ的富溫處理就會分解，析出二氧化碳和水。這些酸性表面基團主要為－Ｃ００Ｈ、－０Ｈ、釀基內醋基或二氧化碳凝結層，酸性主要來源是－ＣＯＯＨ。
２）Ｃ－Ｈ表面基團炭黑中的氨是１＾也〇、－ＯＨ、－Ｃ－０－Ｃ－和氨釀基團形式表現的。另外也有少量的－Ｈ直接鍵合在Ｃ－上，形成Ｃ－Ｈ鍵。元素分析可知：炭黑中氨的質量分數含量為０．０１％－０．７％。爐法炭黑中氨的含量跟炭黑比表面積成反比關系的。
３）其他化學官能團
除了０和Ｈ外，還有一些元素也能和Ｃ結合，在炭黑表面形成能用來聚合反應的官能團。這些元素有一部分是由炭黑原料油或氣帶入的，有的則是炭黑在后處理過程中形成的。很多反應可Ｗ利用炭黑表面的官能團來完成，坪川紀夫等人［１３擁炭黑表面的－ＯＨ和－ＣＯＯＨ來進行反應，得到一些反應性基團可供聚合反應。（圖１．３－圖１．５）
１．２．４巧黑的粒徑和比表面積
炭黑的粒徑是指炭黑原生粒子的大小，用算術平均粒徑表示，這個數值在１０－５００ｎｍ之間。除了熱裂炭黑Ｗ外，炭黑的原生粒子都不能Ｗ單個粒子的形式存在，只能是聚集體，這是炭黑存在的很小的單元。炭黑的粒徑是一個非常重要的指標，它是用來劃分炭黑品種的基礎，炭黑的很多其他指標都與它相關。測定炭黑粒徑的方法主要有：反射率法、電鏡法等。
炭黑的比表面積是指Ｉｇ炭黑粉末的總表面積，比表面積也是炭黑的基本性能之一。如果不考慮炭黑表面的粗糖度，炭黑比表面積與粒徑是成反比關系的。測定炭黑比表面積的方法有：ＢＥＴ吸附法、ＣＴＡＢ比表面積測定法等。
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