橡胶用炭黑的吸碘值测定试验研究Word文档下载推荐.docx
- 文档编号:2949406
- 上传时间:2023-05-01
- 格式:DOCX
- 页数:21
- 大小:112.73KB
橡胶用炭黑的吸碘值测定试验研究Word文档下载推荐.docx
《橡胶用炭黑的吸碘值测定试验研究Word文档下载推荐.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《橡胶用炭黑的吸碘值测定试验研究Word文档下载推荐.docx(21页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
目前全球炭黑的年消耗量已超过800万t[1]。
橡胶用炭黑需要检验一些指标,检验指标的使用意义有两个.一是检测炭黑自身的性质,二是检测炭黑添加到橡胶中以后胶料的性能.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.
其中,测定炭黑比表面积的一种常用方法是测定吸碘值,吸碘值是橡胶用炭黑和乙炔炭黑化学性能中最重要的测试项目.几乎所有的炭黑生产企业、规模较大的轮胎企业及橡胶制品生产企业对每一批炭黑产品都要做吸碘值测定,并且这种测定方法是最简单、快速的。
炭黑吸碘值测定标准方法具有成熟的理论基础,多年来的应用表明,该方法的实用性很强。
因此,每个炭黑生产企业和大部分炭黑使用单位均建立了这一方法的操作系统。
由于炭黑的吸碘过程是个非常复杂的过程,这个过程与炭黑比表面积、表面孔隙的分布性及碘和炭黑的相互作用有关,故GB/T3780.1-91炭黑吸碘值测定方法中对标准溶液浓度、温度、称样量及炭黑挥发分等做了规定。
本文就橡胶用炭黑的吸碘值测定试验进行研究,并对其影响炭黑吸碘值的几点因素对其进行分析,以提高其准确度。
1.炭黑的基本概况
炭黑由烃类化合物(液态或气态)经不完全燃烧或热裂解制成,主要由碳元素组成,以近似球体的胶体原生粒子及聚集体形式存在,外观呈黑色粉末。
炭黑一般加工(造粒)成直径为1~2mm的粒状产品使用。
1.1分类
按制造方法,炭黑可分为不完全燃烧法炭黑和热裂解法炭黑两大类。
不完全燃烧法炭黑包括:
油炉法炭黑、气炉法炭黑、灯烟法炭黑、喷雾法炭黑、槽法炭黑、滚筒法炭黑和混气法炭黑;
热裂解法炭黑包括:
热裂法炭黑、乙炔法炭黑和等离子体法炭黑。
不完全燃烧法炭黑产量占炭黑总产量的97%以上,而油炉法炭黑产量和需求量均占不完全燃烧法炭黑总量的95%以上。
按用途,炭黑可分为橡胶用炭黑和非橡胶用炭黑两大类。
按填充胶料性能,炭黑可分为硬质炭黑和软质炭黑两大类。
硬质炭黑多用于胎面胶,又称为胎面炭黑,其填充的胶料硬度较高、强伸性能和耐磨性能较好;
软质炭黑多用于胎体胶,又称胎体炭黑,其填充的胶料硬度和生热较低、弹性较好。
1.2炭黑的结构
炭黑的结构和性质决定其使用性能,全面了解炭黑的结构和性质对合理应用炭黑十分重要。
1.2.1微观结构
炭黑粒子连接在一起并熔结而成的三维空间聚集体结构称为一次结构或原生结构。
聚集体之间由范德华力凝聚而成的附聚体结构称为二次结构或暂时结构。
一般而言,炭黑的一次结构牢固,在胶料混炼过程中不易被破坏,存在于混炼胶和橡胶制品。
但混炼强力过大和时间过长,部分一次结构,尤其是链枝较多和较长的高结构炭黑的一次结构会被破坏。
炭黑的二次结构疏松,在炭黑的造粒、压缩和胶料的混炼过程中易被破坏。
炭黑复杂的一次和二次结构使其存在大量的空隙,如造粒前炭黑的空隙容积率为97%~98%,造粒后为80%左右。
炭黑的空隙容积与结构直接相关,结构高的炭黑空隙容积较大,结构低的炭黑空隙容积较小,因此可用空隙容积来度量炭黑结构。
在自然界中,由元素碳组成的固形物质一般分为晶体和无定形体两大类。
晶体碳有金刚石、石墨及近年来发现的富勒结构碳(球烯),无定形体碳主要有焦炭和木炭等。
图1金刚石(左)和石墨(右)的晶体结构图
金刚石和石墨的晶体结构见图1。
金刚石的碳原子晶格呈交错整齐排列的稳定立体结构[每外4个碳原子相连],其具有极高的硬度。
石墨晶体属六方晶系,呈多层叠合结构,各层面称为基面,各基面的碳原子以正六角形排列[每个碳原子原子相连]构成二维有序的平面网;
相邻基面的碳原子错开排列,即每层基面的每个碳原子六角网格中心均正对相邻下层基面的一个碳原子,每隔一基面,碳原子的排列相同,呈ABABAB……的三维空间排列。
由于基面间的结合力较小,各基面很容易滑移,因此石墨的硬度较小。
图2炭黑的微观结构
炭黑的微观结构(见图2)最早用X射线衍射分析。
研究认为,炭黑粒子由许多叠层结构的微晶(基面一般为3~5层,乙炔炭黑粒子为6~7层)构成。
在微晶的叠层结构中[2],各基面的碳原子排列结构(包括碳原子间距)与石墨相同,各基面基本平行,只是基面间距(通常为0.34-0.41nm)比石墨大,少数基面存在扭曲和插层的无序堆积状态(乱层结构)。
1.2.2 聚集体形态
过去认为,炭黑的最小可分散单元是单个球形(或近似球形)原生粒子,原生粒子聚结而形成聚集体,一般用粒径和结构描述炭黑形态。
新形态概念认为只有热裂法炭黑的最小可分散单元是单个球形或椭球形粒子,其微晶围绕一个生长中心分布;
其它炭黑的最小可分散单元是聚集体,其结构为:
众多微晶围绕多个生长中心分布形成连续网络,外层微晶则包围连续网络而形成独立石墨准晶体单元。
相对炭黑新形态概念而言,旧形态概念的原生粒子只是旋转石墨层中。
新形态概念认为炭黑是以聚集体的形式存在于所应用的体系中,因此聚集体的形态直接影响炭黑的使用性能,炭黑形态学的主要研究对象是聚集体。
1.3基本性质
按炭黑新形态概念,除热裂法炭黑外,其它炭黑并不存在独立的粒子,原生粒子只是聚集体旋转石墨层中的一个取向区域。
尽管如此,目前仍然以原生粒子构成聚集体为基础探讨炭黑对橡胶的补强性能。
1.3.1 化学性质
1)元素组成
炭黑主要由碳元素组成,碳质量分数为0.90~0.99;
此外,还含有少量的氧、氢、氮和硫等元素,其中氢分布在炭黑粒子内部和表面,其它元素则主要分布于炭黑粒子表面。
不同品种的炭黑元素组成不同。
槽法炭黑的氧质量分数较大,在0.03~0.04之间;
氢质量分数小于0.01。
炉法炭黑的氧质量分数随粒径的减小而增大,但一般不超过0.015;
氢质量分数小于0.01;
硫质量分数一般为0.006左右。
色素炭黑的氧质量分数较大,在0.04~0.08之间;
热裂法炭黑的氧和氢含量均较小,且几乎不含硫。
氧、氮、硫等“杂原子”主要键合在炭黑粒子表面的碳稠环晶体结构边缘和棱角处,或在晶格缺陷部位的碳原子上,极少数渗入内部形成杂环体系。
这些元素在炭黑表面形成的复合物对炭黑使用性能有较大影响。
2)表面性质
1.酸性和碱性
含氧量小的炉法炭黑粒子表面呈碱性,这主要是由于炭黑表面巨大的芳香稠环为电子给予体(按路易斯酸碱理论,含电子对的物质呈碱性)。
只有当炭黑表面上键合的氧较多,即形成的含氧基团(主要为羧基、酚基、醌基和内酯基等)足以抵消路易斯碱性并有剩余时,炭黑表面才呈酸性。
槽法炭黑和经氧化后处理的炭黑表面含氧基团较多,表面呈酸性。
但是表面呈酸性的炭黑在惰性气体中经过加热“脱挥”处理后,其酸性表面会变成碱性。
炭黑表面的酸碱性对胶料的硫化速度有一定的影响,即表面呈酸性的炭黑具有延迟胶料硫化的作用,表面呈碱性的炭黑有促进胶料硫化的作用。
2.表面活性和表面能
炭黑表面活性是炭黑粒子表面官能团和活性点与橡胶分子发生化学反应的能力,炭黑表面能或自由能是炭黑粒子吸附橡胶分子的能力,它们分别从化学和物理角度表征炭黑与橡胶的作用能力。
炭黑的粒径(或比表面积)、结构(聚集体形态)、表面活性和表面能是决定炭黑与橡胶相互作用的主要因素。
橡胶用炭黑表面活性和表面能越高,补强性能越好。
长期以来,由于缺乏有效、精确的测试仪器,炭黑表面能的研究进展不大。
近年来,反相气体色谱(IGC)法在炭黑表面性质测试中的应用有力推动了炭黑表面能的研究。
该法以炭黑为固定相,以注入的溶剂为探测剂,在探测剂无限稀释的条件下测试炭黑表面对探测剂的吸附能或附聚能。
IGC研究结果表明[3],炭黑的表面能取决于微观结构。
一般来说,炭黑的微晶尺寸随比表面积的增大而减小,表面能则随微晶尺寸的减小而增大。
炭黑粒子越小,微晶尺寸越小,微晶的边缘、晶格缺陷和不饱和电荷越多,也就是表面活性点和高能部位越多,表面能越高。
这也可以从经石墨化处理后,炭黑的微晶尺寸增大、晶格缺陷等活性点减少、表面能降低得到证明。
炭黑粒子表面能的分布是不均匀的。
一般来说,炭黑粒子表面高能部位较少,低能部位较多。
但经石墨化处理的炭黑粒子表面能分布较均匀,原因是粒子表面高能和低能部位减少或消除。
高能部位减少或消除可能是晶格缺陷和微晶边缘棱角减少或消除造成的,低能部位减少或消失可能是炭黑表面官能团减少或消除导致的。
1.3.2 比表面积
炭黑的比表面积是指单位质量炭黑粒子表面积的总和。
炭黑的表面积包括外表面积(又称光滑表面积)和内表面积(孔隙内表面积)炭黑的总表面积是外表面积和内表面积的和。
炭黑的比表面积与粒径大小成反比,即粒径小的炭黑比表面积大,粒径大的炭黑比表面积小。
在橡胶用炭黑中,软质炭黑N500~N700和热裂法炭黑N800~N900的粒子表面较光滑、无孔,比表面积较小;
硬质炭黑N100~N300的粒子表面较粗糙、有少量微孔,比表面积较大。
由于生产时空气流量大或和经氧化后处理,非橡胶用色素炭黑表面存在较多微孔,其比表面积大于相同粒径的橡胶用炭黑,如高色素炉法炭黑的粒径与炭黑N115相当,但比表面积却大于炭黑N115。
而高结构超导电炭黑的比表面积一般小于粒径相当的炭黑N110和N220,这是由于在高结构超高导电炭黑聚集体中粒子较多,粒子间融接面积较大,粒子的实际比表面积较小。
炭黑表面粗糙度与炭黑比表面积相关,可用炭黑总比表面积与外比表面积的比值表征。
粒子表面光滑、无孔的炭黑,外比表面积等于总比表面积,表面粗糙度为1;
粒子表面粗糙、多孔的炭黑,总比表面积大于外比表面积,表面粗糙度大于1。
常用的炭黑比表面积测定方法有电子显微镜法、氮吸附法、统计吸附层厚度法、吸碘值测定法和CTAB吸附法.其中吸碘值法是目前常用的橡胶用炭黑比表面积测试方法,也是控制炉法炭黑生产质量的主要检测方法之一。
2.吸碘值的测定试验
2.1吸碘值的测定试验的原理与方法
2.1.1吸碘值概念
将炭黑试样干燥、称量,并与一定体积的碘标准溶液剧烈混合,使其充分吸收碘溶液的过饱和液,然后把混合物进行抽滤,取一定体积分离后的清澈碘溶液,用标准硫代硫酸钠溶液进行滴定,使其与剩余的碘进行反应。
2.1.2吸碘值原理
炭黑吸碘值测定方法是建立在吸附反应和氧化-还原反应原理上的,其中有两点需要特别说明;
(1)该方法中碘酸钾溶液标定硫代硫酸钠标准溶液、硫代硫酸钠标准溶液滴定碘溶液的反应均是不可逆的氧化还原反应,反应很彻底,也就是说,碘溶液与炭黑吸附达到平衡前、后的溶液浓度可以做准确标定或滴定;
(2)碘溶液中的碘分子与炭黑之间的吸附是以物理吸附为主,进行吸附反应时的环境条件必须作出合理的规定。
2.2吸碘值测定试验的仪器和试剂
2.2.1仪器
(1)实验天平
(2)数字显示垫子滴定器
(3)250ml容量的锥形瓶
(4)20ml和50ml两种容量的移液管
(5)玻璃管和滤瓶
(6)容量为30ml的玻璃过滤坩埚,4号滤孔
制备试剂还需要以下仪器:
(1)分析天平
(2)容量1L的量瓶
(3)胖肚移液管5ml
2.2.2试剂
(1)碘溶液C=0.0473mol/l(以0.002的精度称量出6,000g碘,以0.01g的精度称量出57g的碘化钾,将这两者放入量瓶中并溶解为1L的溶液。
)
(2)硫代硫酸钠溶液C=0.0394g/mol(以0.0002g的精度称量出9.7810gNa2S2O3﹒5H2O,并将其放入1L的量瓶中用500ml的水进行稀释,然后向量瓶中加水至1L刻度处。
(3)淀粉溶液(大约2.5g淀粉悬浮于25ml的水中。
将悬液注入1000ml的沸水中,并煮沸约5分钟直至得到澄清的溶液。
淀粉溶液应存放于深色的存储瓶中。
2.3吸碘值的测定试验过程
1)按表1规定称取定量干燥炭黑(精确到0.2mg)
表1
吸碘值范围/
(g/kg)
试样量/
g
试样量(g)与碘标准溶液(cm3)比率
0~130.9
0.5000
1:
50
乙炔炭黑
100
131.0~280.9
0.2500
281.0~520.9
0.1250
200
521.0以上
0.0625
400
注:
为方便做平行实验,根据吸碘值范围,本方法每次炭黑称样为1g、0.5g等等
2)空白值(对于新的硫代硫酸钠溶液或碘溶液需要测定空白值。
(1)使用胖肚移液管将20ml碘溶液注入锥形瓶中。
(2)使用硫代硫酸钠溶液进行滴定,直至液体变为浅黄色。
(3)继续加入约1ml淀粉溶液,然后继续滴定,直至蓝色消失。
(4)至少应进行两次空白值的测定,以获得空白值的平均值。
3)吸碘值
(1)以0.001g的精度使用锥形瓶按试样量标准称取炭黑.
(2)使用胖肚移液管将50ml碘溶液注入到锥形瓶中并摇动2分钟。
(3)让炭黑沉淀2分钟,然后使用玻璃过滤坩埚进行过滤。
(4)分两次每次20ml向锥形瓶中吸移滤液。
(5)使用硫代硫酸钠溶液进行滴定,直至液体变为浅黄色。
(6)继续加入约1ml淀粉溶液,然后继续滴定,直至蓝色消失。
4)、测量值
(1)在进行空白值测量时,消耗的硫代硫酸钠溶液的单位是ml.
(2)以g为单位来称量炭黑
(3)在进行吸碘值测量时,消耗的硫代硫酸钠溶液的单位是ml.
2.4吸碘值的测定试验结果
5、计算
I=
V0-V1
×
V0I×
C×
126.91
V1I
m
I-----吸碘值,单位为克每千克(g/kg)
V0-----滴定空白碘溶液所消耗的硫代硫酸钠标准滴定溶液体积,单位cm3;
V1----滴定炭黑试样碘所消耗的硫代硫酸钠标准滴定溶液体积,单位cm3;
V0I---吸取原始碘溶液体积,单位cm3;
V1I---完成吸附后分离液的取用体积,单位cm3;
m-----炭黑试样质量,单位cm3;
C-----硫代硫酸钠溶液浓度,单位mol/L;
126.91----碘原子的摩尔质量数值,单位g/mol。
3.炭黑吸碘值测定试验结果的影响因素分析
吸碘值可以有效地表征炉法炭黑的表面积,再通常情况下,炭黑吸碘值与氮吸附表面积有很好的一致性。
当测定数据不稳定或误差较大时,除考虑炭黑样品的均匀性外,还应考虑吸附反应的环境因素。
炭黑在碘化钾-碘溶液中进行吸附碘分子的反应时,能够对测试结果产生显著影响的环境因素主要有:
试剂的纯度、碘化钾与碘的比例、反应温度、吸附时间和吸附平衡后溶液中碘的浓度等。
但是,在测试吸碘值的过程中还会有几种影响因素[4]需要注意,才能准确的测试炭黑吸碘值。
3.1溶液浓度对测试结果的影响
3.1.1碘标准溶液的影响
GB/3780.1规定:
碘标准溶液C=0.0473mol/l。
标准之所以这样规定是出于以下两个目的:
(1)炭黑吸碘值测定分为吸附、分离和碘量法测定三个过程,其中分为物理过程,碘量法为氧化还原反应,是不可逆的反应。
炭黑对I2的吸附过程较为复杂,是一个动态平衡过程,与溶液浓度的大小有直接关系。
据资料介绍[5]:
炭黑在低的碘液浓度下,属于Frenundlich吸附类型,在较高的碘液浓度下属于Langmuir单分子层吸附类型,其界限再平衡浓度为0.005mol/对dm3,计算吸附碘量的Langmuir方程可以写成:
W=
K1K2C
1+K2C
式中,W------被吸附的碘量,mg;
K1------与最大吸附量由关的常数;
K2------对特定炭黑是常数;
C-----溶液中碘的浓度,mol/L.
从方程式可以看出:
若C很小即1+K2C≈1,则W=K1K2C,则炭黑吸附碘的量与堤碘的浓度成正比例关系,吸附未达到平衡,属于Frenundlich吸附;
C增大到一定程度,1+K2C=K2C,则W=K1,吸附碘量与溶液浓度无关,说明吸附已达到平衡状态.为了保证炭黑对碘的吸附为Langmuir单分子层吸附,即保证在合适的炭黑称样量,使达到吸附平衡后的溶液浓度大于0.005mol/L.表2是同一操作人员在统一时条件下使用不同浓度的碘标准溶液测得的结果。
表2不同碘标准溶液浓度对炭黑吸碘值测定的影响单位:
mg/g
炭黑试样
标准溶液浓度,N
0.043000.04730
差值
N-220
120.12
122.55
-2.43
N-375
93
94.23
-1.23
N-550
37.11
42.06
-4.85
(2)以前的研究表明[6]:
GB/3780.1规定的溶液浓度对炉法炭黑和非氧化炭黑来说,能保证每克炭黑在吸碘的毫克数值上同炭黑的比表面积(m2/g)是一致的,即1mg的碘的吸附量相当于1m3的表面积,以便于结果计算。
3.1.2硫代硫酸钠标准溶液浓度的影响
在炭黑的吸碘值测定法中,是用硫代硫酸钠标准溶液滴定炭黑试液中所剩余的碘标准溶液量,其浓度的大小也影响吸碘值测定的准确性,以本人工作中检验炭黑为准(见表3,系同一操作人员在相同条件下所测).按炭黑测定标准规定,硫代硫酸钠标准溶液浓度应标定到0.03941N,否则也会影响吸碘值的测定结果,通过表3试验说明硫代硫酸钠标准溶液浓度偏小,用其测定的炭黑吸碘值偏低,会给炭黑质量判定造成困难.
表3硫代硫酸钠标准溶液浓度对炭黑吸碘值测定的影响单位:
0.039280.03941
123.4
123.42
-0.02
94.09
94
-0.09
40
41
-1
3.2碘溶液中碘和碘化钾的比例对测试结果的影响
由于固体I2在水中的溶解度很小,故通常将I2溶解在KI溶液中,增大其溶解度,减小I2的升华。
由于KI的加入,在溶液中以I3-离子的形式存在
I2+I-=I3-
该体系是一个动态平衡过程。
研究表明[7]:
碘溶液中碘与碘化钾的比例对吸碘值的影响很大。
GB/T3780.1规定,I2:
KI=1:
9.5。
当因碘化钾的纯度不够或称量小,导致I-的量减小等原因使I2:
KI比值增大时,平衡向左移动,I2量增大,使得碘同溶液的相互作用减弱,而与炭黑表面的作用增强,此时碘在炭黑表面上常常发生多分子层吸附,导致炭黑吸碘值偏高;
当碘化钾的称样量加大导致I-的量增大等原因使I2:
KI比值减少时,平衡向右移动,I2量减少,使得碘同溶液的相互作用增强,而与炭黑表面的作用减弱,此时碘在炭黑表面上不能形成单分子层吸附,导致炭黑吸碘值偏低。
3.3溶液环境对测试结果的影响
3.3.1溶液温度对测试结果的影响
吸碘值测定的吸附是一个吸附和解离的动态平衡过程[8],当温度升高解离能力增大时,已达到吸附平衡的I2分子又从炭黑里面解离出来,使得测定结果偏低。
同时,碘量法又是一个典型的氧化还原反应,本身反应速度就快。
反应速度除与反应物浓度有关外还与温度有关,温度增加反应速度加快。
一般温度每增加10度,反应速度增加1-2倍,但温度升高会使平衡后的溶液中的I2升华速度加快,从而使测试结果偏高,并且还会使淀粉指示剂的灵敏度降低,影响终点观察,影响测试结果。
因此,规定吸碘值测试环境温度为23±
2℃.
3.3.2溶液酸碱性对测试结果的影响
Na2S2O3和I2之间的反应很迅速、完全,但是必须在中性和弱酸性溶液中进行,因为在碱性溶液中I2和S2O32-将发生下列副反应:
4I2+S2O32-+10OH-=2SO42-+8I-+5H2O
由于该反应
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 橡胶 炭黑 碘值 测定 试验 研究