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1.2 CSDPF的结构、形态
CSDPF中含有白炭黑和炭黑两相，白炭黑相有部分呈壳状分布在炭黑聚集体表面，还有部分在聚集体内部。CSDPF表面有大量活性含氧官能团，如羟基、羰基等比炭黑多许多，且基团有更高的活性。CSDPF最大的优点在于相比传统物理方法混合的填料，填料-填料相互作用更低，填料-聚合物相互作用更强，填料能更好地分散于聚合物基体中，并且使得聚合物之间相互作用更好，由于填料不易团聚，所以能更有效地提高橡胶胶料的力学性能[3]、热稳定性能[4]。因为CSDPF相比起传统填料有着许多的优点，所以在汽车轮胎胎面胶料上的运用有着很大的发展前景。
Murphy[5]测量过CSDPF粒子间和粒子内的元素含量，得到CSDPF粒子主要含有硅元素和碳元素，硅含量在25wt%（重量比）到0.5wt%之间不等，大部分含量在6wt%到2wt%之间。不同牌号的CSDPF中，白炭黑的表面覆盖率、分布和其中硅的含量都有所不同，白炭黑有一部分是呈壳状随机分布在粒子表面，还有一部分是在粒子的内部，白炭黑经过HF处理后，留下的微孔可大约估计出尺寸在0.4nm到2nm之间[6]，CSDPF粒子透射电子显微镜（TEM）照片及结构示意图见图1.1。
a) CSDPF2000粒子TEM照片 c) CSDPF4000粒子TEM照片
a)CSDPF粒子TEM图及结构示意图
图1.1 CSDPF TEM照片及粒子结构示意图[2]
1.3 CSDPF表面化学性质
Murphy等[7]经过实验发现，CSDPF有比传统白炭黑和炭黑更好的综合性能，既具有白炭黑的高比表面积，又具备了炭黑的高活性。CSDPF中白炭黑相的表面化学性质与二氧化硅相似， 可推测其表面含有活性官能团-硅醇基，Murphy等[8]采用红外光谱分析技术测得CSDPF在975cm-1处有吸收峰，可证实表面含有硅醇基。而后再使用三甲基氯硅烷（TMCS）作为探针的方法来测定CSDPF表面的硅醇基，通过TMCS的吸收值来判断填料表面可以参加偶联反应的硅醇基含量，实验结果发现，CSDPF的TMCS的吸收值比炭黑高很多，既说明其表面的活性官能团-硅醇基数量比炭黑更高。而后实验中通过HF处理去除了CSDPF的白炭黑，发现TMCS仍有吸收，说明CSDPF中表面活性含氧量比炭黑高，其中炭黑相的活性也较高，因此CSDPF的pH值比炭黑小，并利用吸附法测定了CSDPF里炭黑相和白炭黑相的比表面积，表1.1对比了几种双相粒子及几种传统填料的表面化学性质。
表1.1 CSDPF及传统填料的表面化学性质[2]
填料 总比表面积
/m2•g-1 外比表面积（STSA）/m2•g-1 一级结构CDBP/
mL/100g SiO2覆盖率/% TMCS吸收/nm2
N234 122 118 100.7 — 0.02
2000 154.3 121.4 101.0 — —
2006 200 135.7 102 — —
2124 171 133 115 21 0.32
4210 — 119 108 55 1.04
白炭黑Z1165 168 132 — 100 2.02
1.4 CSDPF对橡胶的补强机理
填料与聚合物和填料与填料之间的相互作用非常复杂，一般情况下都取决于它们的表面特性以及和其他配合物之间的作用，但由于填料表面性能缺乏标准的表征方法，所以在这方面的报道是比形态结构少很多的。在这里，我们将CSDPF和橡胶的相互作用视为一般的烃类橡胶和填料体系，在没有化学键合作用的情况下，这两种物质之间的相互作用主要取决于它们的表面能[9]，材料的表面能涉及到多种类型的内聚力，如诱导偶极-偶极作用、偶极-偶极相互作用、色散作用、氢键作用以及酸-碱作用。对于一般物质而言，固体的表面能是色散组分 和极性组分 之和，即：