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碳黑的基本常識
一，什么是炭黑？
碳黑是碳（主要為石油衍生物）經過不完全燃燒形成的精細粉末狀的準石墨結構物質，表觀呈純黑色粉或者粒狀。碳黑（無機顏料）不溶于水；有酸堿性之分，燃燒后產生二氧化碳。碳黑的主要成分是碳，同時包含微量氫，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→準石墨結構→聚集體→附聚體→粒狀炭黑（原粉）生
（一次結構）（二次結構）
←（納米 nm ）∣（微米μm ）→
依靠范德華力（分子間作用力），一次結構的炭黑聚集體會附聚成附聚體（又稱二次結構）。在涂料、油墨或塑膠中，在外力的作用下，炭黑的二次結構變成一次結構，分布在體系中。
而粒狀炭黑是為了滿足儲存、運輸、防止污染的需要，經過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2005年統(tǒng)計數據顯示，碳黑的全球年產量接近800萬噸，其中90%以上為橡膠碳黑，用于橡膠補強用途和汽車輪胎；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，耐化學性和耐光性。
三．碳黑的用途
炭黑具有優(yōu)良的著色、導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，以及導電劑、抗靜電劑、紫外光屏蔽劑等被廣泛應用。
四，碳黑技術工藝（生產方法）
全球碳黑生產工藝一般為爐法、接觸法（主要為槽法和無槽氣法）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，在高溫下經熱氧化而分解，所生成碳黑的性能可以通過猝熄火焰來控制。然后，使用過濾系統(tǒng)把產成的顏料碳黑從氣煙中分離出來。
爐法的特點是原材料的選擇范圍很廣，且生產出的碳黑的性能多種多樣。產品一般為堿性。得率高，一般均是萬噸級。
2、而氣法即無槽氣法，是從槽法改進而來的生產工藝。槽法是將固態(tài)烴（粗蒽）或液態(tài)烴（蒽油）經氣化釜氣化后，和可燃性氣體（一般使用天然氣，也使用焦爐煤氣或水煤氣）混合后作為原料，由環(huán)形布置的管網送入火房在槽鋼下的火嘴中高溫燃燒并經槽鋼冷卻面收集生成碳黑的工藝。
無槽氣法即火房不設槽鋼冷卻面的改進工藝。這種工藝生產出來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品。產量小。
3、滾筒炭黑是從傳統(tǒng)槽法改進而來的接觸法生產工藝。槽法炭黑是用往復運動的槽鋼作為冷卻面來收集生成碳黑的，滾筒炭黑的火焰接觸面是回轉運動的內通冷水的圓筒。混合原料氣的燃燒火焰，與回轉滾筒接觸，炭黑沉積在筒面上。不斷被刮刀刮下，經螺旋輸送機送出火房，進入風送系統(tǒng)回收造粒。
與無槽氣法相比，滾筒炭黑對燃燒的火焰具有更多的控制手段。氣法炭黑生產商使用的生產方式分類。
五，炭黑聚集體的存在狀態(tài)，及其對各種應用性質的影響。
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，生產工藝決定其原生粒子的粒徑大小。在爐法生產的碳黑中，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構和表面活性的情況下的大小。如下圖：
粒徑小→粒徑大
通常我們所說的“原生粉”，是指沒有經過造粒的二次結構的炭黑。它的平均粒徑一般在1～20微米之間。
（粒徑分布圖）
2，結構。
顏料碳黑原生粒子并非以單獨地分離狀態(tài)存在。它們通過物理作用形成聚熔體和聚集體。爐黑的聚集程度可以通過工藝的變化來調整；而氣黑的聚集程度則很難調控。碳黑原始粒子的聚集程度通常被稱為“結構”。高聚集度的碳黑被稱為高結構碳黑，而低聚集度的碳黑則被稱為低結構碳黑。
“結構”的高低是不考慮粒徑和表面活性的高低。如下圖：
結構是炭黑理論里最難理解的概念。實際上，炭黑理論里的結構具有兩種不同的含義：
一、是微觀的鏡像學的結構概念。梅達利所研究的結構就是這種結構。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)計學的結構概念。我們在實驗室里，用DBP吸附值來測定的結構就是宏觀的統(tǒng)計學的結構概念。
當我們用DBP吸附值來測定炭黑的結構時，應該注意的是：兩種不同的炭黑，只有當氮吸附值相同時，DBP吸附值大的
炭黑才比DBP吸附值小的炭黑結構高。
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。這里所說的表面活性，對于酸性炭黑是指在炭黑粒子表面生成的含氧表面基團的多少。這些酸性表面基團主要為羧基、酚羥基、醌基、內酯基等。對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，如潤濕分散性，催化活性以及電化學性能。
“表面活性”的強弱是不考慮粒徑的結構的強弱。如圖9：
粒徑、結構、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值等指標定量描述。
同時，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?！按嬖跊Q定性質”這一自然辨證法則永遠不會改變。
六，什么是炭黑的分散性？分散性指標對炭黑的其他性能指標有什么影響？
分散性是一個常掛嘴邊，反復使用的詞匯，我們總是在考慮炭黑在涂料體系里的分散性問題。什么是炭黑的分散性呢？事實上“分散性”這個概念在不同的場合下使用它的含義是不同的：
1、在炭黑的技術指標中，“分散性”是指：按國家規(guī)定的檢測方法，把炭黑混合到亞麻仁油中，用平磨儀磨到規(guī)定要求時，炭黑漿的細度指標。
2、涂料廠的生產工人反映說某種炭黑“分散性”不好，可能是指按常規(guī)的生產配方操作時，待磨的炭黑漿粘度太高，無法施工，生產時易堵網，生產周期長，經多遍研磨仍達不到細度要求，甚至嚴重磨損研磨機械。這時“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、制成涂料產品后，沒過多長時間，涂料就出現(xiàn)“返粗”現(xiàn)象，質檢人員會說，這是因為炭黑的“分散性”不好。這時，“分散性”實際上是指分散穩(wěn)定性。
4、涂料成膜后，因為沒有光澤，機械性能不好，使用者也會反映說這種黑漆光澤不好，機械性不好是因為炭黑“分散性”不好造成的。這時，“分散性”指的是在漆膜中炭黑顏料與樹脂體系的混容程度。
上面的這些關于“分散性”的說法在概念上是有區(qū)別的，但它們又是一致的。概括的說：炭黑的“分散性”應該是指在涂料在生產、儲存、使用的全過程中，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。
當炭黑分散性好時，則涂料具有以下特性：
①光學性質如黑度、著色力、光澤、遮蓋力等都好；
②流動性好；
③分散穩(wěn)定性好；
④涂膜的平滑性，光澤保持性，機械性能（如硬度、伸長率、沖擊強度和附著性），耐候性均會提高。
由此可見，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、流動性、機械性能）的決定性因素。
