一文了解炭黑形态的经典概念

炭黑的形态是近年来提出的新概念。早期虽然没有明确提出“形态”一词，实际上早已采用“粒径”和“结构”来表征炭黑的形态。这些早期概念是过去普遍流行的已为人们所接受的最一般的概念。这些经典概念，虽然有些地方含糊不清，但在过去对解释炭黑的性质及其在橡胶中的功能曾起了很大作用。在今后的一定时间内，可能仍不会失去它的原有意义。因此，本书在涉及炭黑的形态时，着重叙述粒径和结构等经典概念，同时介绍了一些炭黑形态的新概念。当然，炭黑的粒径和结构即可表征炭黑的形态，又是炭黑的主要性质。

一、炭黑形态的经典概念

1．粒子大小

炭黑的粒径很小，属于胶体粒子范围。一般粒径范围从最细的100ù（10mμ）的高色素炭黑直到最粗的5000ù（500mμ）的热裂炭黑。

我们日常见到的炭黑乃是许多炭黑粒子的聚集态。炭黑粒子是这样的小，以致我们用肉眼根本不能分辨出来，甚至用最精密的光学显微镜也难于分辨。只是从1940年才首次用电子显微镜测得了炭黑的粒子大小和形状。

当用电子显微镜测得炭黑的粒子大小时，只是热裂炭黑的粒子较大，呈球状或想桔子那样的椭球状，并能够单独地分开来，具有清晰的轮廓。其他炭黑，尤其是炉法炭黑并非球形，而且单个的炭黑粒子也是罕见的。

同一种炭黑，其粒子大小并不相同，通常所指的炭黑粒子是依电子显微镜照片中粒子大小的统计平均值表示的。采用算数平均法得到的粒子称为算数平均直径。各类炭黑平均粒径大小的相对比较，如图2－6所示。

如果用低温氮吸附法测得炭黑的比表面积，并假定炭黑为同一大小的球形粒子时，也可求得平均粒径。一个半径为R的炭黑球形粒子，其体积为4／3πR3。设炭黑的真比重为ρ，则一克炭黑所含的球粒子数为1／［4／3πR3·ρ］，每一个球有4πR2的表面积，则一克炭黑的总面积为SA等于：

由于用氮吸附法所测得的比表面积包括炭黑微孔面积，固由此所算出的炭黑粒子与电子显微镜法所测得所谓几何粒子往往有些出入。

图2－6是以mμ表示的炭黑粒子大小。由此而算出的一个炭黑粒子的重量很小，如槽黑只有7×10－18克左右。尽管一个炭黑粒子的平均重量很小，但它的分子量却很大。用X射线分析数据测得直径为200ù的炭黑粒子，其平均分子量为5×106。炭黑分子量的这个数量级几乎是氧分子量的30万倍。同一般高分子聚合物，如橡胶的平均分子量相比，也高得多，大约是它们的10～30倍。

2．结构

炭黑的结构是指炭黑在生成过程中，由于炭黑粒子聚熔而形成的一种形态。当炭黑粒子继续生长时，许多聚熔的粒子连结起来形成三度空间的链枝结构，好似三度空间的落花生或豆角状。这种结构称为炭黑的一次结构或原生结构（如图2－7所示）。一个链枝结构单元叫作聚熔体或聚集体。本书所用“结构”一词，如不加任何说明，即指炭黑的链枝结构或一次结构。注意要把“结构”与微观结构区别开；前者表示炭黑的外部宏观结构形态；后者是指炭黑粒子的内部结构。

炭黑结构在粒子间熔合的地方，是以化学键结合的。这种结构比较牢固，在炼胶时也不易破坏，甚至经研磨机研磨，也难于破坏。这种结构一旦遭到破坏时，就不会再恢复到原来的形态。

当炭黑的链枝结构形成后，彼此间或炭黑粒子与粒子、粒子与结构间以范德华力互相吸附所形成的结构称为炭黑的二次结构或次生结构（见图2－7）。吸引的结果，也能形成复杂的链，有时甚至称为网状结构。这种结构比较脆弱，极易被剪切力破坏，但也易于重新形成。这种结构是暂时的、可逆的。

炭黑的一次结构和二次结构的综合称为炭黑的总结构或结构性。

炭黑的结构依炭黑的生产方式和品种不同差别很大。热裂炭黑的结构很低，几乎没有结构，其粒子呈分散状态。槽法炭黑也只有2～3个粒子连在一起。采用高芳烃油类所生产的高结构油炉法炭黑，如高耐磨炭黑，则由数个或数十个原生粒子聚熔在一起而形成链枝状。一般可将炭黑定性地分为低结构、正常结构和高结构三种类型。炭黑的结构越高，则聚熔体的形态就更不规则。

炭黑的总结构常以吸油值表示，以每克炭黑所吸附的邻苯二甲酸二丁酯的毫升数为单位。通常此值越大，说明炭黑的总结构越高。只有当二次结构相同时，才能表征同一粒径炭黑的一次结构的高低。

3．表面粗糙度

对同一种炭黑，用低温氮吸附法所测得的比表面积与电子显微镜法所测得的比表面积的数值之比，称为炭黑表面的粗糙度。在一般情况下，槽法炭黑的粗糙度往往比较大，炉黑则比较小。通常，该值越大，表明炭黑粒子表面凹凸不平的程度越高，表面微孔越多。实验表明，炭黑的表面微孔可达几埃（ù）到几十埃。