1．挥发分
当把炭黑隔绝空气在高温下加热时,大部分炭黑均能放出气体,这一事实证明炭黑中还有另一些。早期并不明了炭黑挥发分的组成是什么以及在炭黑上是怎样存在的,就把它简单低称作含氧复合物CXOY。进一步研究证明,炭黑中的氧是以各种含氧官能团的形式结合于炭黑表面上的。

槽黑挥发分的含量远较炉黑为高,一般在5%左右;炉黑一般在1%左右。挥发分含量同炭黑pH之间的关系如图3-8所示。炭黑挥发分含量影响胶料的硫化速度。当炭黑的挥发分较高时,对胶料的硫化有延迟作用。高挥发分含量的炭黑用于油墨时,可增加油墨的流动性,分散性好,增加黑度;配于涂料中时,可使粘度降低,改善分散性能,增加黑度,其缺点是使涂膜呈红相。

2．pH值或酸碱度

我们知道,在化学上,pH值一般是用来表示溶液的酸性或碱性的。pH在7以上表示溶液呈碱性;pH值在7以下表示呈碱性。pH值的定义是氢离子浓度或活度的负对数,及pH=-logaH。一谈到pH,总是要与水溶液或非水溶液中电离或质子概念相联系。实际上,在炭黑pH值的测定中,为了使之更能说明炭黑本身的酸性或碱性,往往是测定炭黑与水的浆状物的pH值而不是它的水溶液。当把炭黑与一定比例的水煮沸冷却后,测得的底部浆状物和上部清液的pH值往往不同。炉法炭黑上部清液的pH值略小于其底部浆状物的pH值;接触法炭黑清液的pH值则大于浆状物的pH值。这可解释为,炭黑表面和水溶液的碱度或酸度之间尚未平衡。当将加热煮沸的混合物放置24小时后,则浆状物和水溶液之间可达到暂时平衡,此时,两者的pH值更趋于一致。

炭黑的酸度或碱度,通常用pH计测定,所测得的值称为pH值。一般采用玻璃电极作指示电极,甘汞电极作参比电极,并用已知数值的缓冲溶液校定。炭黑的pH值,多年来一直作为对炭黑酸、碱性的评价指标。它不像普通弱酸或弱碱那样是一个稳定的常数。含氧量较高的接触法炭黑多呈酸性,不能认为只是由于急冷水中的灰分引起的,而应该以路易斯(Lewis)的酸碱理论加以解释。按照路易斯的酸碱理论,具有自由电子对的物质是碱,而电子接受体是酸。由于炉法炭黑的巨大芳香稠环结构而形成的电子给予体,易吸收氢离子,较难吸收氢氧离子,因此使炭黑周围的液体具有过量的氢氧基,所以pH大于7。只有当炭黑表面的氧键合一定程度,足以抵消路易斯碱性而又有其剩余量时,此事炭黑表面才呈酸性。当在惰性气体中把炭黑的挥发分驱逐后,炭黑的酸性就消失了,结果使脱挥的炭黑呈碱性。这种炭黑的碱性恰好类似于路易斯碱——一般缩聚的芳烃是一种路易斯酸。用中和法和离子交换法对炭黑表面官能团的分析证明,炭黑的酸性来源于炭黑表面所含的羟基和酚基。炭黑的pH值,一般对硫化胶的硫化速度有一定影响。呈酸性的接触法炭黑有延迟胶料硫化作用,而呈碱性的炉法炭黑对胶料的硫化具有一定的促进作用。这种关系如图3-9所示。实际上,对同一品种的炉黑,pH值在7～10的范围内,在硫化中并无显著差异。

3．表面官能团

通过炭黑在400～1600°C真空热分解所放出的H2、CO、CO2和H2O的气体色谱分析,研究加热温度与气体量的关系(见图3-10)证明,所释放出的气体来源于不同的含氧有机官能团。用格林纳试剂、硼氢化钠、酸碱滴定以及重氮甲烷试剂等对炭黑的测定均表明,在炭黑的巨大芳核的周边上结合有羧基、酚基、醌基、内酯基等表面官能团:

对炭黑表面官能团的分析可归纳为四种方法:即真空热解、氧化还原、离子交换和衍生物的生产。由于炭黑本身不溶于任何溶剂且官能团含量很少,利用测定普通有机化合物官能团的方法并不完全适宜。同时,由于炭黑具有易吸收水分和气体的特点,因此在测定炭黑表面官能团时,必须十分注意。

炭黑的表面官能团在混炼或硫化过程中,与聚合物发生化学反应,增加结合胶。结合胶量的多少可以作为衡量炭黑表面活性的指标。炭黑的醌基对胶料的硫化特性及硫化胶的老化特性有一定影响。

炭黑的表面性质是十分复杂的。通常用炭黑组成的氢含量、氧含量、挥发分、pH值或酸度及表面官能团等表征它的表面性质。总起来说,炭黑的表面性质影响着炭黑的四种极为重要的作用:即补强作用(当然不能忽视补强的物理作用)、离子交换作用、吸附作用和催化作用。后三种作用在以后还要进一步叙述。炭黑的表面性质是如此重要,以致在目前形成了炭黑研究中的一个独立分支——炭黑的表面(化学)性质。