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碳黑的基本常識(shí)
一，什么是炭黑？
碳黑是碳（主要為石油衍生物）經(jīng)過(guò)不完全燃燒形成的精細(xì)粉末狀的準(zhǔn)石墨結(jié)構(gòu)物質(zhì)，表觀呈純黑色粉或者粒狀。碳黑（無(wú)機(jī)顏料）不溶于水；有酸堿性之分，燃燒后產(chǎn)生二氧化碳。碳黑的主要成分是碳，同時(shí)包含微量氫，氧，硫（含硫量），灰份（灰分），焦油（甲苯透光率）和水份（加熱減量）。
碳元素→準(zhǔn)石墨結(jié)構(gòu)→聚集體→附聚體→粒狀炭黑（原粉）生
（一次結(jié)構(gòu)）（二次結(jié)構(gòu)）
←（納米 nm ）∣（微米μm ）→
依靠范德華力（分子間作用力），一次結(jié)構(gòu)的炭黑聚集體會(huì)附聚成附聚體（又稱二次結(jié)構(gòu)）。在涂料、油墨或塑膠中，在外力的作用下，炭黑的二次結(jié)構(gòu)變成一次結(jié)構(gòu)，分布在體系中。
而粒狀炭黑是為了滿足儲(chǔ)存、運(yùn)輸、防止污染的需要，經(jīng)過(guò)濕法或干法造粒而生成的粒徑更大的炭黑顆粒。
二．什么是顏料碳黑？
據(jù)2005年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，碳黑的全球年產(chǎn)量接近800萬(wàn)噸，其中90%以上為橡膠碳黑，用于橡膠補(bǔ)強(qiáng)用途和汽車輪胎；只有大約10%作為色素用于油墨，塑膠和涂料，稱為顏料碳黑，色素碳黑或者特種碳黑。最穩(wěn)定的顏料：有很好的耐熱性，耐化學(xué)性和耐光性。
三．碳黑的用途
炭黑具有優(yōu)良的著色、導(dǎo)電或抗靜電以及紫外線吸收的功能，因此炭黑可以作為橡膠，輪胎等工業(yè)中的填充劑，涂料、油墨、塑料、化纖、皮革等工業(yè)的著色劑，以及導(dǎo)電劑、抗靜電劑、紫外光屏蔽劑等被廣泛應(yīng)用。
四，碳黑技術(shù)工藝（生產(chǎn)方法）
全球碳黑生產(chǎn)工藝一般為爐法、接觸法（主要為槽法和無(wú)槽氣法）和熱解法。我們正在使用的是最重要也是最常用的生產(chǎn)工藝--爐法和氣法。
1、所謂爐法(油爐法和氣爐法)就是在密閉的反應(yīng)爐中，將液烴原料（一般是煤焦油）噴射到燃燒的熱空氣和天然氣中，在高溫下經(jīng)熱氧化而分解，所生成碳黑的性能可以通過(guò)猝熄火焰來(lái)控制。然后，使用過(guò)濾系統(tǒng)把產(chǎn)成的顏料碳黑從氣煙中分離出來(lái)。
爐法的特點(diǎn)是原材料的選擇范圍很廣，且生產(chǎn)出的碳黑的性能多種多樣。產(chǎn)品一般為堿性。得率高，一般均是萬(wàn)噸級(jí)。
2、而氣法即無(wú)槽氣法，是從槽法改進(jìn)而來(lái)的生產(chǎn)工藝。槽法是將固態(tài)烴（粗蒽）或液態(tài)烴（蒽油）經(jīng)氣化釜?dú)饣螅涂扇夹詺怏w（一般使用天然氣，也使用焦?fàn)t煤氣或水煤氣）混合后作為原料，由環(huán)形布置的管網(wǎng)送入火房在槽鋼下的火嘴中高溫燃燒并經(jīng)槽鋼冷卻面收集生成碳黑的工藝。
無(wú)槽氣法即火房不設(shè)槽鋼冷卻面的改進(jìn)工藝。這種工藝生產(chǎn)出來(lái)的顏料碳黑收率較爐法偏低，但原生粒子粒徑小，在黑度和著色力方面均有更好的表現(xiàn)。氣法炭黑一般為酸性產(chǎn)品。產(chǎn)量小。
3、滾筒炭黑是從傳統(tǒng)槽法改進(jìn)而來(lái)的接觸法生產(chǎn)工藝。槽法炭黑是用往復(fù)運(yùn)動(dòng)的槽鋼作為冷卻面來(lái)收集生成碳黑的，滾筒炭黑的火焰接觸面是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)通冷水的圓筒。混合原料氣的燃燒火焰，與回轉(zhuǎn)滾筒接觸，炭黑沉積在筒面上。不斷被刮刀刮下，經(jīng)螺旋輸送機(jī)送出火房，進(jìn)入風(fēng)送系統(tǒng)回收造粒。
與無(wú)槽氣法相比，滾筒炭黑對(duì)燃燒的火焰具有更多的控制手段。氣法炭黑生產(chǎn)商使用的生產(chǎn)方式分類。
五，炭黑聚集體的存在狀態(tài)，及其對(duì)各種應(yīng)用性質(zhì)的影響。
炭黑聚集體的基本存在狀態(tài)有三種：
1，粒徑。
顏料碳黑的原生粒子是由許多疊合層面所組成。在很大程度上，生產(chǎn)工藝決定其原生粒子的粒徑大小。在爐法生產(chǎn)的碳黑中，原生粒子粒徑的變化范圍最大：從10納米到80納米。原生粒子的平均粒徑和粒徑分布從根本上決定了顏料碳黑的性能。
“粒徑”的大小是指在不考慮結(jié)構(gòu)和表面活性的情況下的大小。如下圖：
粒徑小→粒徑大
通常我們所說(shuō)的“原生粉”，是指沒(méi)有經(jīng)過(guò)造粒的二次結(jié)構(gòu)的炭黑。它的平均粒徑一般在1～20微米之間。
（粒徑分布圖）
2，結(jié)構(gòu)。
顏料碳黑原生粒子并非以單獨(dú)地分離狀態(tài)存在。它們通過(guò)物理作用形成聚熔體和聚集體。爐黑的聚集程度可以通過(guò)工藝的變化來(lái)調(diào)整；而氣黑的聚集程度則很難調(diào)控。碳黑原始粒子的聚集程度通常被稱為“結(jié)構(gòu)”。高聚集度的碳黑被稱為高結(jié)構(gòu)碳黑，而低聚集度的碳黑則被稱為低結(jié)構(gòu)碳黑。
“結(jié)構(gòu)”的高低是不考慮粒徑和表面活性的高低。如下圖：
結(jié)構(gòu)是炭黑理論里最難理解的概念。實(shí)際上，炭黑理論里的結(jié)構(gòu)具有兩種不同的含義：
一、是微觀的鏡像學(xué)的結(jié)構(gòu)概念。梅達(dá)利所研究的結(jié)構(gòu)就是這種結(jié)構(gòu)。上圖中纖維狀的炭黑大量地出現(xiàn)在氣法炭黑里。
二、是宏觀的統(tǒng)計(jì)學(xué)的結(jié)構(gòu)概念。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里，用DBP吸附值來(lái)測(cè)定的結(jié)構(gòu)就是宏觀的統(tǒng)計(jì)學(xué)的結(jié)構(gòu)概念。
當(dāng)我們用DBP吸附值來(lái)測(cè)定炭黑的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該注意的是：兩種不同的炭黑，只有當(dāng)?shù)街迪嗤瑫r(shí)，DBP吸附值大的
炭黑才比DBP吸附值小的炭黑結(jié)構(gòu)高。
3，表面活性。
炭黑主要由碳元素組成，含碳量為90%～99%左右也含有少量的氧、氫、氮、和硫等元素。這里所說(shuō)的表面活性，對(duì)于酸性炭黑是指在炭黑粒子表面生成的含氧表面基團(tuán)的多少。這些酸性表面基團(tuán)主要為羧基、酚羥基、醌基、內(nèi)酯基等。對(duì)于堿性炭黑是指炭黑表面的堿性氧化物，它們影響著炭黑的理化性能，如潤(rùn)濕分散性，催化活性以及電化學(xué)性能。
“表面活性”的強(qiáng)弱是不考慮粒徑的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱。如圖9：
粒徑、結(jié)構(gòu)、表面活性，這三種存在狀態(tài)可以由氮吸附表面積、吸油值、揮發(fā)份、PH值等指標(biāo)定量描述。
同時(shí)，這三種存在狀態(tài)又決定了炭黑添加到各種涂料、油墨、塑膠體系以后所表現(xiàn)出的各種性質(zhì)。“存在決定性質(zhì)”這一自然辨證法則永遠(yuǎn)不會(huì)改變。
六，什么是炭黑的分散性？分散性指標(biāo)對(duì)炭黑的其他性能指標(biāo)有什么影響？
分散性是一個(gè)常掛嘴邊，反復(fù)使用的詞匯，我們總是在考慮炭黑在涂料體系里的分散性問(wèn)題。什么是炭黑的分散性呢？事實(shí)上“分散性”這個(gè)概念在不同的場(chǎng)合下使用它的含義是不同的：
1、在炭黑的技術(shù)指標(biāo)中，“分散性”是指：按國(guó)家規(guī)定的檢測(cè)方法，把炭黑混合到亞麻仁油中，用平磨儀磨到規(guī)定要求時(shí)，炭黑漿的細(xì)度指標(biāo)。
2、涂料廠的生產(chǎn)工人反映說(shuō)某種炭黑“分散性”不好，可能是指按常規(guī)的生產(chǎn)配方操作時(shí)，待磨的炭黑漿粘度太高，無(wú)法施工，生產(chǎn)時(shí)易堵網(wǎng)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，經(jīng)多遍研磨仍達(dá)不到細(xì)度要求，甚至嚴(yán)重磨損研磨機(jī)械。這時(shí)“分散性”是指：在研磨漿中把炭黑從顆粒狀分散成附聚體；再分散成聚集體的難易程度。
3、制成涂料產(chǎn)品后，沒(méi)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間，涂料就出現(xiàn)“返粗”現(xiàn)象，質(zhì)檢人員會(huì)說(shuō)，這是因?yàn)樘亢诘摹胺稚⑿浴辈缓谩＿@時(shí)，“分散性”實(shí)際上是指分散穩(wěn)定性。
4、涂料成膜后，因?yàn)闆](méi)有光澤，機(jī)械性能不好，使用者也會(huì)反映說(shuō)這種黑漆光澤不好，機(jī)械性不好是因?yàn)樘亢凇胺稚⑿浴辈缓迷斐傻摹＿@時(shí)，“分散性”指的是在漆膜中炭黑顏料與樹(shù)脂體系的混容程度。
上面的這些關(guān)于“分散性”的說(shuō)法在概念上是有區(qū)別的，但它們又是一致的。概括的說(shuō)：炭黑的“分散性”應(yīng)該是指在涂料在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、使用的全過(guò)程中，炭黑由大顆粒還原成附聚體，再至聚集體，均勻、穩(wěn)定地混溶于涂料體系和漆膜之中的能力和水平。
當(dāng)炭黑分散性好時(shí)，則涂料具有以下特性：
①光學(xué)性質(zhì)如黑度、著色力、光澤、遮蓋力等都好；
②流動(dòng)性好；
③分散穩(wěn)定性好；
④涂膜的平滑性，光澤保持性，機(jī)械性能（如硬度、伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度和附著性），耐候性均會(huì)提高。
由此可見(jiàn)，炭黑在涂料體系中的存在狀態(tài)，也就是所謂的分散性，是展示炭黑其他性能（如黑度、著色力、光澤、流動(dòng)性、機(jī)械性能）的決定性因素。
