炭黑的基本常识

炭黑的基本常识
一，什么是炭黑？
产品分册：“碳黑是碳（主要为石油衍生物）经过不完全燃烧形成的精细粉末状的准石墨结构物质，表观呈纯黑色粉或者粒状。

碳黑（无机颜料）不溶于水；有酸碱性之分，燃烧后产生二氧化碳。

碳黑的主要成分是碳，同时包含微量氢，氧，硫（含硫量），灰份（灰分），焦油（甲苯透光率）和水份（加热减量）。

”
为了准确把握这一概念，可参看下图和所附电镜照片：
碳元素——→准石墨结构——→聚集体——→附聚体——→粒状炭黑
（原粉）生
（一次结构）（二次结构）
←（纳米 nm ）∣（微米μm ）→
依靠范德华力（分子间作用力），一次结构的炭黑聚集体会附聚成附聚体（又称二次结构）。

在涂料、油墨或塑胶中，在外力的作用下，炭黑的二次结构变成一次结构，分布在体系中。

而粒状炭黑是为了满足储存、运输、防止污染的需要，经过湿法或干法造粒而生成的粒径更大的炭黑颗粒。

二．什么是颜料碳黑？
据2005年统计数据显示，碳黑的全球年产量接近800万吨，其中90%以上为橡胶碳黑，用于橡胶补强用途和汽车轮胎；只有大约10%作为色素用于油墨，塑胶和涂料，称为颜料碳黑（pigment carbon black），色素碳黑(coloring carbon black)或者特种碳黑(special carbon black)。

最稳定的颜料：有很好的耐热性，耐化学性和耐光性。

三．碳黑的用途
炭黑具有优良的着色(coloring)、导电(conductive)或抗静电(antistatic)以及紫外线吸收(UV absorption)的功能，因此炭黑可以作为橡胶(rubber) ，轮胎（tyre）等工业中的填充剂，涂料、油墨、塑料、化纤、皮革等工业的着色剂，以及导电剂、抗静电剂、紫外光屏蔽剂等被广泛应用。

四，碳黑技术工艺（生产方法）
全球碳黑生产工艺一般为炉法、接触法（主要为槽法和无槽气法）和热解法。

我们正在使用的是最重要也是最常用的生产工艺--炉法和气法。

所谓炉法(油炉法和气炉法)就是在密闭的反应炉中，将液烃原料（一般是煤焦油）喷射到燃烧的热空气和天然气中，在高温下经热氧化而分解，所生成碳黑的性能可以通过猝熄火焰来控制。

然后，使用过滤系统把产成的颜料碳黑从气烟中分离出来。

炉法的特点是原材料的选择范围很广，且生产出的碳黑的性能多种多样。

产品一般为碱性。

得率高，一般均是万吨级。

举例著名的炭黑生产商（国际，国内）
而气法即无槽气法，是从槽法改进而来的生产工艺。

槽法是将固态烃（粗蒽）或液态烃（蒽油）经气化釜气化后，和可
燃性气体（一般使用天然气，也使用焦炉煤气或水煤气）混合后作为原料，由环形布置的管网送入火房在槽钢下的火嘴中高温燃烧并经槽钢冷却面收集生成碳黑的工艺。

无槽气法即火房不设槽钢冷却面的改进工艺。

这种工艺生产出来的颜料碳黑收率较炉法偏低，但原生粒子粒径小，在黑度和着色力方面均有更好的表现。

气法炭黑一般为酸性产品。

产量小。

滚筒炭黑是从传统槽法改进而来的接触法生产工艺。

槽法炭黑是用往复运动的槽钢作为冷却面来收集生成碳黑的，滚筒炭黑的火焰接触面是回转运动的内通冷水的圆筒。

混合原料气的燃烧火焰，与回转滚筒接触，炭黑沉积在筒面上。

不断被刮刀刮下，经螺旋输送机送出火房，进入风送系统回收造粒。

与无槽气法相比，滚筒炭黑对燃烧的火焰具有更多的控制手段。

气法炭黑生产商使用的生产方式分类。

各类生产方式的区分。

五，炭黑聚集体的存在状态，及其对各种应用性质的影响。

炭黑聚集体的基本存在状态有三种：
1，粒径。

颜料碳黑的原生粒子是由许多叠合层面所组成。

在很大程度上，生产工艺决定其原生粒子的粒径大小。

在炉法生产的碳黑中，原生粒子粒径的变化范围最大：从10纳米到80纳米。

原生粒子的平均粒径和粒径分布从根本上决定了颜料碳黑的性能。

“粒径”的大小是指在不考虑结构和表面活性的情况下的大小。

如图7：
●
粒径小粒径大通常我们所说的“原生粉”，是指没有经过造粒的二次结构的炭黑。

而勇锋公司工厂生产的粉状炭黑是一种比“原生粉”的粒径略粗的炭黑，它的平均粒径一般在1～20微米之间。

图5： PC2419F的粒径分布图
2，结构。

颜料碳黑原生粒子并非以单独地分离状态存在。

它们通过物理作用形成聚熔体和聚集体。

炉黑的聚集程度可以通过工艺的变化来调整；而气黑的聚集程度则很难调控。

碳黑原始粒子的聚集程度通常被称为“结构”。

高聚集度的碳黑被称为高结构碳黑，而低聚集度的碳黑则被称为低结构碳黑。

“结构”的高低是不考虑粒径和表面活性的高低。

如图8：
结构低结构高
结构是炭黑理论里最难理解的概念。

实际上，炭黑理论里的结构具有两种不同的含义：
一是微观的镜像学的结构概念。

梅达利所研究的结构就是这种结构。

上图中纤维状的炭黑大量地出现在气法炭黑里。

二是宏观的统计学的结构概念。

我们在实验室里，用DBP吸附值来测定的结构就是宏观的统计学的结构概念。

当我们用DBP吸附值来测定炭黑的结构时，应该注意的是：两种不同的炭黑，只有当氮吸附值相同时，DBP吸附值大的炭黑才比DBP吸附值小的炭黑结构高。

下面的照片是DEGUSSAGS公司的P 35的电镜照片。

他还对五种炭黑聚集体的分布频率做过统计分析。

表1：
3，表面活性。

炭黑主要由碳元素组成，含碳量为90%～99%左右也含有少量的氧、氢、氮、和硫等元素。

这里所说的表面活性，对于酸性炭黑是指在炭黑粒子表面生成的含氧表面基团的多少。

这些酸性表面基团主要为羧基、酚羟基、醌基、内酯基等。

对于碱性炭黑是指炭黑表面的碱性氧化物，它们影响着炭黑的理化性能，如润湿分散性，催化活性以及电化学性能。

“表面活性”的强弱是不考虑粒径的结构的强弱。

如图9：
表面活性低表面活性高
粒径、结构、表面活性，这三种存在状态可以由氮吸附表面积、吸油值、挥发份、PH值等指标定量描述。

同时，这三种存在状态又决定了炭黑添加到各种涂料、油墨、塑胶体系以后所表现出的各种性质。

“存在决定性质”这一自然辨证法则永远不会改变。

表2 炭黑性质随聚集体的存在状态的变化而变化的规律表
六，什么是炭黑的分散性？分散性指标对炭黑的其他性能指标有什么影响？
分散性是一个常挂嘴边，反复使用的词汇，我们总是在考虑炭黑在涂料体系里的分散性问题。

什么是炭黑的分散性呢？事实上“分散性”这个概念在不同的场合下使用它的含义是不同的：
1.在炭黑的技术指标中，“分散性”是指：按国家规定的检测方法，把炭黑混合到亚麻仁油中，用平磨仪磨到规定要求时，
炭黑浆的细度指标。

2.涂料厂的生产工人反映说某种炭黑“分散性”不好，可能是指按常规的生产配方操作时，待磨的炭黑浆粘度太高，无
法施工，生产时易堵网，生产周期长，经多遍研磨仍达不到细度要求，甚至严重磨损研磨机械。

这时“分散性”是指：在研磨浆中把炭黑从颗粒状分散成附聚体；再分散成聚集体的难易程度。

3.制成涂料产品后，没过多长时间，涂料就出现“返粗”现象，质检人员会说，这是因为炭黑的“分散性”不好。

这时，
“分散性”实际上是指分散稳定性。

4.涂料成膜后，因为没有光泽，机械性能不好，使用者也会反映说这种黑漆光泽不好，机械性不好是因为炭黑“分散性”
不好造成的。

这时，“分散性”指的是在漆膜中炭黑颜料与树脂体系的混容程度。

为了说明这一点，让我们来看一组对比试验，试验中的第一个样品是无油醇酸与硝基树脂配合，另一个样品是氨基树脂与硝基树脂配合。

在树脂状态下，这两个样品都是相溶的，他们的颜色同样都是清彻、透明。

再按同样的固体份树脂量与同样量的炭黑混合研磨制成黑漆并涂膜。

成膜后，经比较，用氨基树脂和硝化棉混合后制成的膜明显比用无油醇酸和硝化棉混合后制成的膜光泽好、黑度高。

这只是因为炭黑在前一个体系中的“分散性”比后一个体系的“分散性”好。

上面的这些关于“分散性”的说法在概念上是有区别的，但它们又是一致的。

概括的说：炭黑的“分散性”应该是指在涂料在生产、储存、使用的全过程中，炭黑由大颗粒还原成附聚体，再至聚集体，均匀、稳定地混溶于涂料体系和漆膜之中的能力和水平。

当炭黑分散性好时，则涂料具有以下特性：
①光学性质如黑度、着色力、光泽、遮盖力等都好；
②流动性好；
③分散稳定性好；
④涂膜的平滑性，光泽保持性，机械性能（如硬度、伸长率、冲击强度和附着性），耐候性均会提高。

由此可见，炭黑在涂料体系中的存在状态，也就是所谓的分散性，是展示炭黑其他性
能（如黑度、着色力、光泽、流动性、机械性能）的决定性因素。