炭黑的结构性,即炭黑的总结构包括炭黑的链枝结构(或称纤维结构)和二次结构。炭黑的结构对橡胶的补强性能有很大影响。近年来出现的高、低结构的各种油炉法炭黑对提高橡胶制品的质量起了显著的作用。

评价炭黑结构性的方法包括两类。一类是基于测定结构的几何状态,如电子显微镜法和光散射法,另一类是基于测定总结构的方法,如吸油值、压缩比容、压汞法等。此外,还有基于导电性、介电常数、流变性以及由结构性引伸出来的结构指数、结构分级等方法来评价炭黑结构性的。

吸油值法是目前测定炭黑结构性常用的方法。它是基于充满炭黑链枝或纤维结构空间及表面浸润所需的最低油量。高结构的炭黑比低结构的炭黑的链枝或纤维结构状的聚熔体堆积的要松散些,因此有较高的吸油值。炭黑的吸油值与其比表面积也有一定关系。换言之,比表面积的大小直接影响到炭黑吸油量的多少。严格地说,只有当比表面积相同时,吸油值才能真正反应炭黑的结构性。

炭黑吸油值的早期手工测定法,是将定量的炭黑试样放在玻璃板上,从滴定管中加入亚麻仁油,用平头刀搅拌调合,直到散球珠变成一个硬球,即为终点。此法测定误差较大,结果偏高。在我国橡胶用炭黑标准(HG4-48-74)中规定了用邻苯二甲酸二丁酯和玻璃棒分别代替亚麻仁油和平头刀进行实验,明确规定了测定时间和终点,大大减少了测定误差。此法简便、迅速、所需试样量少,平行误差可在0．05毫升/克之内。

手工吸油值测定法除受比表面积的影响之外,还与炭黑的视比重、表面吸附的水分和操作的熟练程度有关。在精心操作下,对同一样品的平行测定误差可以达到0．02～0．03毫升/克。

采用仪器,即所谓吸油计,测定炭黑对邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的吸附量称为DBP吸油值。它的原理是:利用一个盛有DBP的恒速滴定管,把DBP加到放有定量炭黑的、带有两个搅拌转子的混合室中,当DBP逐渐与炭黑混合时,炭黑粉转变为半塑性的炭黑团。在吸附近终点时产生粘度的急剧增加,因而引起转矩的迅速增加(见图3-6)。当力矩增加到最大值时(在第一次实验时确定力矩的最大值,在第二次实验时力矩达到最大值的70%处),吸油计和恒速滴定管自动停止运转和关闭。此时,由所消耗的DBP体积和试样量,可算出炭黑的DBP吸油值。炉黑和槽黑称样量为20克,热烈炭黑为40克。DBP吸油值通常以100克炭黑吸附DBP的毫升数表示,有时也以1克炭黑吸附DBP的毫升数表示。当试样量减少时,此法的应用收到限制,必须采用手工吸油值测定法。

把炭黑试样在24000磅/平方英寸(1700公斤/平方厘米)的压力下,反复压缩四次(即ASTM 24M4法)后,由于炭黑的二次结构收到破坏,用吸油计测定压缩试样的DBP吸油值可以表征炭黑的一次结构。

测定炭黑一次结构的光散射法与炭黑的形态有着更密切的关系。所谓光散射,就是一束光束通过介质时,在入射光以外的各个方向也能够观察到光强现象。以入射光穿过的Q角所测得的光散射强度IQ,在I45°和I35°的非对称系数Z,即I45°/I135°的比值,对炭黑来说并不等于1。较高散射的非对称系数是由于炭黑的聚熔体而引起的。Z值越大,则表明聚熔体越大。同一品种的高耐磨炭黑,当非对称系数Z不同时,对其充填炭黑硫化胶的物理机械性能的影响如图3-7a和图3-7b所示。