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炭黑物理指标意义及应用中常遇到的问题

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炭黑物理指标意义及应用中常遇到的问题

发布日期:2019-03-27 作者: 点击:

一是检测炭黑自身的性质, 二是检测炭黑添加到胶料中以后胶料的性能。 第一部分中的 指标直接会影响第二部分的检测结果,二者有很密切的关系。一般反映炭黑性能主要有四项:粒径和粒径分布,比表面积 结构和结构性,表面化学性质等。

一、 杂质(该单项指标不合格可判定为不合格品)

炭黑的杂质, 一般是通过不同规格的分样筛进行测定的。 将不能通过 20 目(筛孔直径 840um)的过大颗粒称为杂质。炭黑中的颗粒状杂质有硬炭、铁屑、炉料碎屑以及包装运输 过程中混入的异物等。 硬炭是在炭黑生成反应过程中由原料油液滴未经气化直接炭化形成的 焦粒状物质。正常的炭黑产品不允许有过大的颗粒杂质(筛孔直径〉 840 um)存在。

二、 吸碘值、 CTAB 吸附比表面积、氮吸附比表面积、 STSA

   这四项指标是反映炭黑粒径大小和比表面积 四种方法同时使用以便消除各种检测手段的方法误差。它们均表明炭黑的粒子比表面积较小、直径较大。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。 炭黑的比表面积分为外比 表面积、内比表面积和总比表面积。近年来,比表面积取代了粒径作为炭黑品种分类的主要依据。

比表面积的测定方法,常用的有:

(1)、吸碘值法:单位以每克(或每千克)炭黑吸附碘的质量表示,该法是橡胶用炭黑 常用的比表面积测定法。可直接用吸碘值表示炭黑的比表面积。

(2)、CTAB 吸附比表面积测定: CTAB (十六烷基三甲基溴化胺) ,CTAB 表面积为为 炭黑的外表面积或光滑表面积;外表面积相当于橡胶与炭黑的真实界面,CTAB 吸附比表面 积测定炭黑外比表面积的主要方法。

(3)、STSA(统计层厚度法) :测定外比表面积。

(4)、氮吸附比表面积:

意义: 炭黑的粒子大小及其分布是炭黑的重要基本性能之一。 粒径直接影

响炭黑的其他 性能和使用性能。炭黑的粒子大小及其分布对其使用性能有较大的影响,在橡胶应用中,粒子越小,填充橡胶硫化胶的强度( 拉伸强度、定伸应力、抗撕裂性能)越好,耐磨性能越高,反之上述性能降低。但随着炭黑粒子直径增加 弹性好、生热低。所以,根据橡胶工业的不同使用要求,选用不同品种的炭黑。轮胎工业要求粒子细、质量好的炭黑品种用于胎面胶, 提高轮胎的耐磨性和抗撕裂性能, 从而提高轮胎的寿命和行驶里程。 胎侧胶、内胎则要用粒子较粗的一些品种炭黑 以适应这些部位胶的弹性好、屈挠性能好、低生热等要求。 在涂料工业和塑料工业中, 黑度越高、导电性能越好。注:比表面积与粒径成反比。炭黑比表面积是炭黑重要指标, 比表面积的大小是划分炭黑品种的主要指标,比表面积的大炭黑, 特别是外比表面积大的炭黑, 在橡胶应用中赋予橡胶优异的补强性能。 在着色用的油漆、 油墨和塑料等工业中也赋 予高的着色力。

      反之,比表面积较小的炭黑则黑度较低,但具有良好的分散性、流到性和色相。

三、DBP 吸收值和压缩样 DBP 吸收值 (俗称吸油值测定法)

      这两项指标是反映炭黑结构和结构性的,其中压缩样 DBP 吸收值与胶料性能的相关性更强, 原因是这样: 炭黑中炭原子并不是以原子的形态存在的, 而是很多个原子团聚在一起 形成链枝状的聚集体, 我们称其为一次结构或者原生结构; 靠着一次结构之间的分子间力的 作用等,聚集体彼此吸引形成更大的复聚体团块,我们称其为二次结构。二次结构不稳固, 在胶料加工过程中就会被破坏,因此炭黑最终在胶料中的存在形态是一次结构。 DBP 吸收 值测出的是炭黑在自然状态下, 即一次结构二次结构并存的结构指标, 而压缩样 DBP 吸收 值是经高压将炭黑的二次结构全部破坏成一次结构后得到的炭黑结构指标, 因此它更能体现 的是炭黑在胶料中的结构状态, 显然与胶料性能的相关性更强。 减少混炼过程的耗能、生 热等,改善了胶料的加工性能。炭黑空隙体积与结构有直接关系,结构高的炭黑存在较大的 空隙体积,结构低的炭黑则空隙体积较小。

意义: 炭黑结构是炭黑的重要性能之一 , 结构的高低直接影响混炼胶料的加

工性能、硫化胶的机械性能和导电性。 在粒子大小相近的情况下, 结构高的炭黑填充的硫化胶定伸应力较高、 耐磨性能好、 导电性能也较好。 炭黑的最大填充量可以用炭黑的 DBP 吸收值预先测定。

    炭黑聚集体的形态对所填充的聚合物体系的加工性能和硫化胶的物理机械性能都有明显的影响。 一般来讲,随炭黑聚集体尺寸的减少, 硫化胶的拉伸性能、撕裂性能、 耐磨性能增加, 即对弹性体的补强性能提高。 在聚集体尺寸平均大小相同,不对称性增加, 混炼 能增加,即对弹性体的补强性能提高 胶压出收缩减小,压出尺寸稳定、表面光滑、硫化胶定伸力增加、耐磨性提高。炭黑的吸油值与比表面积也有一定的关系, 在相同结构程度的情况下, 比表面积大(粒子小)的炭黑具有较高的吸油值,换言之,只有在比表面积相同时,吸油值才能客观地反映 炭黑的结构。

四、着色强度:着色强度是度量炭黑染黑白色原料的能力。

五、加热减量 : (该单项指标不合格可判定为不合格品)

测定炭黑的水分;不超出标准规定的水分含量对橡胶制品及硫化工艺无影响, 但水分过高时会使硫化胶出现气泡,促使布层制品附着力降低而影响制品质量。

六、倾注密度:

倾注密度是粒状炭黑的主要指标。 未经造粒的粉状炭黑的表观密度 (亦称细粉含量)很小,只有 80-190Kg/ ㎡之间。其体积较大有易飞扬,给炭黑的包装、运输、仓储以及混炼加 工和分散都造成困难, 所以除少量色素炭黑要求粉状外,几乎所以工业生产的商品炭黑都要 经过湿法或干法造粒或压缩 (乙炔炭黑)。造粒加工的增密作用有效地减少了单位质量炭黑的视体积。 经过造粒的粒状炭黑的倾注密度约在 300-500 Kg/ ㎡之间。

七、300%定伸应力:

定伸应力实质上是反映了硫化胶网状结构在外力作用下抵抗变形的能力。

将硫化胶试样 拉伸到一定伸长时所需的应力,除以试样拉伸前的横切面积,所得的值叫定伸应力。拉伸 300%时定伸应力常用作衡量硫化胶补强性的尺度。定伸应力受炭黑结构的影响较大,结构升高,定伸应力随之上升,另外,定伸应力与炭黑比表面积及表面活性也有一定的关系。 在硬质炭黑系列中, 随着比表面积的增大,定伸应力下降,在软质炭黑系列中,随着比表面积 的减少,定伸应力下降。再有,表面活性越高,则定伸应力越大。300%定伸应力越高,扯断伸长率越小使得胶料的韧性越好。

八、灰分:

炭黑的灰分可定义为在高温炉中燃烧后残留物的量。 炭黑中的灰分主要来源于原料油和工艺用水(急冷、湿法造粒)中的无机物和溶解的无机盐类。通常炭黑的灰分含量小于 0.5%,不会对炭黑的应用产生影响。但在一些特殊的应用中,如电缆料中的导电炭黑, 则要求杂质和灰分含量都很低, 否则会产生放电事故而损害制品。

九、45μm,150μm,500μm 筛余物含量 :

炭黑的杂质,一般是通过不同规格的分样筛进行测定的。将不能通过 35 目(筛孔直径 500um)的残留部分称为 35 目筛余物,不能通过 325 目(筛孔直径45um)的残留部分称为 325 目筛余物。这三项指标对于热裂解法炭黑来说是非常重要的,尤其是 45μm 筛余物含 量一值,他的大小直接影响了制成品外观的光亮程度、后续处理等方面。 45μm 筛余物含量 越低,制品就越光亮,外表越美观。现在市场竞争的激烈使得大家对高端制品内、 外品质都追求卓越, 因此极低的 45μm 筛余物含量能够吸引采购者们的眼球。

十、细粉含量:

粒状炭黑中也含有少量未成粒或破碎的炭黑粉末称细粉含量, 细粉含量越少越好,通常不希望超过百分之几。

十一、 pH 值 :

这项指标是反映炭黑表面化学性质的。更准确地说, PH 值反映了炭黑表面的酸碱性, PH 值的大小是影响胶料焦烧时间( T35)的因素之一, PH 值越低, T35 就越长。实际上 焦烧时间和胶料半成品的自硫化时间正向相关, 如果 T35 较短,胶料在转入制成品加工之前就自硫化了,胶料变得难以加工, 这是我们不希望发生的;而如果 T35 较长,胶料在转入制成品加工之后要一段时间才能开始硫化,这样又浪费了时间和能源, 也是我们不希望发生的, 因此在实际生产过程中比较接受的 T35 在 10 分钟左右。

十二、 丙酮抽出物

这项指标反映了炭黑生产转化的完全程度 (炭黑生产中残留在炭黑表面上未完全裂解的 有机聚合物)。炭黑是由乙烯焦油、 煤焦油、天然气等原料经不同的加工过程生成的, 在生成的炭黑中肯定会混有一些残留的原材料, 丙酮抽出物的大小就反映了残留物的多少。 我们当然希望炭黑的转化率高, 混有的残余原料少。


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