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炭黑的元素組成和表面官能團(tuán)
2023-09-22
炭黑是一種常規(guī)的納米材料，應(yīng)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(dá)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(nèi)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(duì)炭黑的性質(zhì)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(nèi)醋基等含氧官能團(tuán)Ｗ及少量的含硫官能團(tuán)。
１）Ｃ－０表面基團(tuán)Ｃ－０基團(tuán)是炭黑表面生成的很有用的基團(tuán)。它對(duì)炭黑的催化活性、電化學(xué)性能Ｗ及濕潤(rùn)性等理化性能有著決定性的作用。不是所有的含氧基團(tuán)都是酸性的，還有中性、堿性兩種。當(dāng)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(yīng)，就會(huì)生成酸性含氧基團(tuán)。這些表面基團(tuán)的熱穩(wěn)定性較差，在惰性氣體或真空中進(jìn)行３００？８００°Ｃ的富溫處理就會(huì)分解，析出二氧化碳和水。這些酸性表面基團(tuán)主要為－Ｃ００Ｈ、－０Ｈ、釀基內(nèi)醋基或二氧化碳凝結(jié)層，酸性主要來(lái)源是－ＣＯＯＨ。
２）Ｃ－Ｈ表面基團(tuán)炭黑中的氨是１＾也〇、－ＯＨ、－Ｃ－０－Ｃ－和氨釀基團(tuán)形式表現(xiàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(guān)系的。
３）其他化學(xué)官能團(tuán)
除了０和Ｈ外，還有一些元素也能和Ｃ結(jié)合，在炭黑表面形成能用來(lái)聚合反應(yīng)的官能團(tuán)。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(guò)程中形成的。很多反應(yīng)可Ｗ利用炭黑表面的官能團(tuán)來(lái)完成，坪川紀(jì)夫等人［１３擁炭黑表面的－ＯＨ和－ＣＯＯＨ來(lái)進(jìn)行反應(yīng)，得到一些反應(yīng)性基團(tuán)可供聚合反應(yīng)。（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(shù)平均粒徑表示，這個(gè)數(shù)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(gè)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(gè)非常重要的指標(biāo)，它是用來(lái)劃分炭黑品種的基礎(chǔ)，炭黑的很多其他指標(biāo)都與它相關(guān)。測(cè)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(guān)系的。測(cè)定炭黑比表面積的方法有：ＢＥＴ吸附法、ＣＴＡＢ比表面積測(cè)定法等。
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