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炭黑主要是由碳元素組成的，含碳量為90%?99%;也含有少量的氧、氫、氮和硫。這些元素主要來自炭黑的原料，炭黑生成過程及生成后的氧化過程被帶入炭黑中。除少量氫存在于炭黑粒子內(nèi)部外，多數(shù)的"雜原子"都鍵合在炭黑的粒子表面，形成不同的官能團。
槽法炭黑的談含量多在3%-8%范圍內(nèi)，氫含量小于1%，而熱裂法炭黑的氧、氫含量均比較少。炭黑中的硫來源于原料油或原料氣(如天然氣、焦爐煤氣)，爐法炭黑的硫含量一般在0.6%左右，而熱裂法炭黑幾乎不含硫。色素炭黑含有大量的氧，這是由于色素炭黑在生成時接觸較多的氧或經(jīng)過后期氧化處理所致，特別是在400度左右氧化時，容易形成含氧基團碳-氧表面基團在炭黑粒子表面上，重要的表面基團是含氧基團，它影響著炭黑的理化性能，如濕潤性、催化活性以及化學性能。這些含氧基團分為酸性氧化物、堿性氧化物和中性氧化物三類。當碳與氧在溫度達400度時處理，或者在室溫下碳與氧化溶液接觸，則生成酸性氧化物。這些表面基團的熱穩(wěn)定性較差，在300?800度的惰性氣氛中或真空條件下熱處理時便會分解，析出二氧化碳和水蒸氣。酸性表面基團主要為羧基、羥基、醌基、內(nèi)酯基或。02凝結層，酸性主要來源于羧基。
當炭黑在1000"的惰性氣氛或真空中熱處理時，釋放出所有表面復合物之后，再冷卻至室溫，并與氧氣接觸，此時生成堿性氧化物。
中性表面氧化物是由于在碳表面上的不飽和區(qū)〈烯類)對氧的不可逆吸附而形成的。氧原子組成-C-C-O-C-C-鍵，在真空熱處理時，分解成二氧化碳，中性表面氧化物比酸性表面氧化物更為穩(wěn)定，它在500?600度時才開始分解。
碳-氫表面基團氫是以化學吸附水、部分羥基、酚基和氫醌基團的方式存在于炭黑中，此外，也有少量的氫原子直接鍵合在碳原子上，構成C — H鍵。炭黑的元素分析表明，氫含量在0.01%?0.7% (質(zhì)量分數(shù))范圍內(nèi)。爐法炭黑中，氨含量有隨炭黑比表面積降低而增加的趨勢。炭黑中的氫主要分布在碳的表面上，少量位于碳的晶格內(nèi)。
與碳-氧表面復合物相比，碳-氫復合物更為穩(wěn)定，在惰性氣氛或真空中高溫熱處理時，逸出水和元素氨。當溫度約700度時有少量的氫被解吸。在1000度到1200度時大量的氫開始解吸。然而，即使在1200度時，仍然有一定比例的化學吸附氫滯留在炭黑內(nèi)，直至1600度時，后殘留的吸附氫才會被排出。
其他化學官能團除氧和氫以外，炭黑中也存在其他元素與碳形成的官能團。這些元索有的是炭黑原料如油和氣帶入的，有的則是炭黑后處理時形成的。
硫在炭黑中的含量可達1%，并以多種形式存在，如元素硫、無機鹽和有機硫化物。元素硫約占硫含量的10%，在橡膠應用中，它有助于膠料硫化時的交聯(lián)?；瘜W吸附的硫，以碳-硫表面復合物的形式出現(xiàn)，熱穩(wěn)定性較高，當用強回流，在1000度真空或惰性氣體中加熱時，也不會分解。但是，當在500?700度用氫作熱處理時，可完全解吸為只H2S。
炭黑氧正常生產(chǎn)的炭黑在存放時，由于與空氣和水蒸氣接觸發(fā)生緩慢自然氧化，這種現(xiàn)象在新生產(chǎn)炭黑的前三個月內(nèi)較為明顯，以后比較穩(wěn)定。自然氧化的結果使炭黑表面髙活性吸附點減少，表面復合物增加，碳黑吸值和PH值稍有降低。www.tstanhei.com
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