Пористость

Пористость технического углерода относится к его морфологическим свойствам. Различают открытую и закрытую пористость. Открытая пористость имеет малые поры (несколько нанометров), которые могут соединяться с внутренними пустотами частицы.Если эти пустоты остаются недоступными с поверхности, то они представляют собой внутреннюю пористость.

Методы определения степени пористости технического углерода основываются на результатах измерений плотности и газовой адсорбции.

Плотность дает нам информацию об общей закрытой и открытой пористости путем сравнения результатов измерений, выполненных в разных средах. Для газовой адсорбции в наше время разработаны методы, которые дают информацию о размере пор, их распределении, общем объеме и занимаемой доле в общей площади поверхности. Одним из первых таких методов был предложен Войетом. Метод основывался на сравнении уменьшения количества адсорбируемого азота для пористого материала и непористой поверхности при различных давлениях. Затем Войет сравнивал среднестатистическое число n молекулярных слоев азота, адсорбированных на поверхности. Величина n рассчитывалась делением количества азота, адсорбированного при разных давлениях, на объем монослоя Vм. Из этих данных Войет делал вывод о проценте площади пор. Позже Липпенс и де-Боер разработали метод анализа микропор, названный t- методом. Данный метод дает нам информацию о форме, размерах и распределении пор. Метод основывался на графических зависимостях объема адсорбированного азота Vа от статистической толщины азотного слоя t для непористого образца.

Среднестатистическую толщину азотного слоя рассчитывают по формуле:

t = (0,354* (Va/ Vм) (нм) (2.13)

где 0,354 – толщина монослоя азота, нм

После этого строился график зависимости Vа= f (t), представляющий собой прямую линию, проходящую через начало координат. Если есть поры, то на графике будет виден перелом. Острый перелом указывает на узкое распределение пор, а плавный изгиб на широкое распределение пор.

На практике для оценки пористости используют отношение площади поверхности по азоту или йодного числа к удельной площади поверхности по ЦТАБ [16].

Структурность.

В процессе получения сажи множества ее частиц, совместно срастаясь в пространстве, образуют гроздевидные структуры, называемые первичными агрегатами. Их размер и форма, удельный объем между частицами (Vn), число касаний (n) каждой частицы с соседними (плотность упаковки), размеры сужений (l) и пор между частицами в пространстве агрегатов - все это в совокупности и определяет одну из важнейших характеристик технического углерода, называемую структурностью.

Последняя оценивается по так называемому ''масляному числу'' (адсорбции дибутилфталата - А_дбф), измеряемому объемом, поглощенным навеской сажи при ее растирании в фарфоровой чашке, в которую каплями подается льняное масло (дибутилфталат) [17]. Структурность оказывает существенное влияние на технологические характеристики содержащих сажу смесей и эксплуатационные свойства получаемых из них изделий. По значению А_дбф невозможно определить ни один из названных параметров структурности агрегатов. Их размеры и форма, которым в понятии структурности придается приоритетное значение, могут быть установлены только на основании данных электронной микроскопии [18-22]. Остальные параметры практически не рассматриваются, хотя они могут оказаться весьма полезными как для технологов так и для исследователей. Например, по удельному объему пор между частицами в агрегатах можно вычислить теоретически возможное количество вещества (полимера или других ингридиентов), которое может войти в контакт с сажей, а по параметрам межчастичного пространства судить о размерах макромолекул или других компонентов, способных проникнуть внутрь агрегата. Таким образом, наличие информации о параметрах внутреннего пространства агрегатов - необходимое условие рационального использования сажи. Например, выбор дозировки наполнителя для достижения необходимых свойств резины рекомендуется рассчитывать по уравнению [23,24]:

Ph_r=178,474 – 172,563(V_n) – 1,072(S) (2.14)

где Ph_r – дозировка наполнителя на 100 весовых частей каучука, V_n - обьем пустот в агрегатах, S - удельная поверхность по азоту.

Помимо заполнения промежутков между агрегатами, часть дибутилфталата адсорбируется их поверхностью. Эта часть масляного числа пропорциональна удельной адсорбционной поверхности сажи. Таким образом масляное число является комплексным показателем: оно увеличивается с ростом удельной поверхности и с повышением уровня структурности [3].

Более четко различия между разноструктурными марками саж, вне зависимости от дисперсности и типа, обнаруживаются по величине удельного объема пор в агрегатах, определенного методом ртутной порометрии. Экспериментально ртутная порометрия заключается в измерении количества вдавливаемой ртути в предварительно вакуумированное пористое тело под давлением Р. Зависимость между радиусом цилиндрического капилляра r и Р, при котором он заполняется ртутью, выражается уравнением:

(2.15.)

где - поверхностное натяжение ртути;

- угол смачивания ртутью стенок капилляра.

Этот метод позволяет определять размеры пор радиусом от 3,5 нм (заполняемых при максимальном давлении 200 МПа), до 7500 нм, заполняемых при атмосферном давлении. Он широко применяется для определения пористой структуры различных адсорбентов. Однако для определения параметров пористого пространства агрегатов сажи, за исключением приводимых результатов, не используется. Возможно это связано с тем, что для его применения требуется аппаратура, работающая со ртутью при высоком давлении, либо из-за того, что определяемым этим методом параметрам как показателям структурности не придается должного значения [25].

К другим методам определения структуры агрегатов относятся: метод рассеивания нейтронов, проникающая электронная микроскопия, рентгеновское рассеивание, газовая инверсионная хроматография, сканирующая проникающая микроскопия (STM) [26].