DOC《什么是炭黑？》

什么是炭黑? 炭黑(也称碳黑)是由烃类化合物(主要为石油衍生物)经过不完全燃烧或热裂解形成的近似于球体的胶体粒子的准石墨结构物质,以聚集体形式存在,表观呈纯黑色粉状或者粒状.

产品的粒径、结构和表面活性根据原料和生产工艺的不同而有很大差异.炭黑不溶于水,有酸碱性之分,燃烧后产生二氧化碳.炭黑的主要成分是碳,同时包含微量氢、氧、硫、灰份、焦油和水份. 什么是色素炭黑? 作为色素用于涂料、油墨和塑胶的炭黑称为色素炭黑,或者颜料炭黑.色素炭黑用到涂料、油墨、塑胶里,还有导电、防静电、屏蔽紫外线、防止树脂老化的作用,因此,人们区别用于橡胶的炭黑,把色素炭黑广义地称之为特种炭黑. 据美国NOTCH咨询集团的统计和预测:2007年世界炭黑生产能力为1016万吨,预计2012年世界炭黑生产能力将增加到1200万吨以上.其中被应用于轮胎和橡胶工业的橡胶用炭黑占总产量的90%以上,只有大约10%的炭黑作为色素. 色素炭黑的特点 1.与其他颜料相比,炭黑有更好的着色力和遮盖力. 2.与其他颜料相比,炭黑有非常优异的耐热性、耐化学性和耐光性. 3.由于炭黑的粒径只有几个纳米到几十个纳米,孔隙率达90%,又是无机材料,因此普通炭黑很难稳定地分散到有机的树脂体系中,而经过严格控制和特殊改性工艺生产的色素炭黑则能很好的在涂料、油墨和塑胶体系中体现分散性. 4.与橡胶炭黑相比,色素炭黑对黑度、着色力、表面活性、导电性、灰分、甲苯透光率、分散性、流动性等品质指标有着更多、更特殊的要求. 色素炭黑技术工艺(生产方法) 根据生产工艺的不同,炭黑生产方法分为炉法、接触法(主要为槽法和无槽气法)和热裂解法三种. 1.炉法就是在密闭的反应炉中,将气态烃(一般是天然气)或者液态烃(一般是煤焦油或蒽油)作为原料,供以适量的空气,在反应炉内形成密闭的湍流系统,在高温下经热氧化而分解生成炭黑(所生成的炭黑性能可通过猝熄火焰来控制),然后冷却并使用过滤系统把产成的炭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,且生产出的炭黑性能多种多样. 其中使用气态烃为主要原料的称为气炉法,使用液态烃为主要原料的称为油炉法. 油炉法和其他炭黑制造方法相比,能制造性能各异的炭黑品种,且具有工艺调节手段多,单位产能和热能利用率高,原料消耗和综合能耗低以及成本低等特点,因此已经成为炭黑制造的主导方法,目前全球95%以上的炭黑都是采用油炉法制造的. 2.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,也可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自然通风的火房,在槽钢下通过数以千计的瓷制火嘴进行不完全燃烧,形成鱼尾形的扩散火焰,其还原层与缓慢往复运动的槽钢相接触,使裂解生成的炭黑沉积在槽钢表面,经槽钢面冷却收集生成炭黑的工艺.这种工艺生产出来的色素炭黑收率较炉法偏低,但原生粒子粒径小,在黑度和着色力方面均有更好的表现. 无槽混气法是气法生产炭黑时火房不设槽钢的气法炭黑改进工艺,生产中只收集烟气中悬浮的炭黑.无槽混气法与槽法相比,生产能力较大,但由于取消了槽钢,对火焰的控制不如槽法和滚筒法,生成炭黑的黑度比槽法或滚筒法稍低. 炭黑的粉状和粒状 色素炭黑有两种物理存在形式:粉状和粒状.粉状易分散但运输成本高,使用时易污染环境.粒状炭黑扬尘小、密度高、更便于运输,但相对于粉状炭黑较难分散. 炭黑聚集体的存在状态 1.平均原生粒径 ?色素炭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.在炉法生产的炭黑中,因为生产工艺可调节的手段较多、自动化程度高,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色素炭黑的性能,特别是其黑度和着色力. 图一 炭黑性能随粒径变化而变化的规律 ? 2.结构 色素炭黑原生粒子并非以纳米级单独的分离状态存在.它们通过物理作用形成聚熔体和聚集体.炉法炭黑的聚集程度可以通过工艺的变化来调整;

而接触法炭黑的聚集程度因其开放式的工艺则很难调控.炭黑原始粒子的聚集程度通常被称为"结构".高聚集度的炭黑被称为高结构炭黑,而低聚集度的炭黑则被称为低结构炭黑. 图二 炭黑性能随结构变化而变化的规律 ? 3.表面活性 ?炭黑主要由碳元素组成,含碳量为90%~99%左右,炭黑中也含有少量的氧、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. 图三 炭黑性能随表面活性变化而变化的规律 ? 色素炭黑的性能 1. 着色力 又称着色强度.是将白色或彩色颜料和炭黑混合时,炭黑的着色能力.也就是炭黑使混合物系光吸收作用提高的程度.它通常是用百分数的形式来表现,可以通过使用黑度反射仪测量炭黑冲淡色浆得出的数据来衡量.根据工业标准操作,色浆为炭黑和钛白粉(或其他白色颜料如氧化锌)及一定溶剂的混合物.(着色力的测量参照 ASTM D-3849 或GB/T 7050-2003标准) 2. 比表面积 炭黑比表面积是指单位质量或单位体积内炭黑粒子表面积的总和,单位为m2/g . 比表面积与粒径一样是炭黑的基本性能之一.一般来说,表面相对较光滑的炭黑(如橡胶用炭黑)比表面积与粒径正好成反比,即粒径越小比表面积越大,反之亦然.所以,如把炭黑粒子假定为球形,可由粒径的数据计算比表面积. 炭黑的比表面积分为外比表面积(或称光滑比表面积),内比表面积(或称孔隙内比表面积)和总比表面积.总比表面积等于外比表面积和内比表面积的总和.比表面积的测定方法很多,常用的有氮吸附法(BET法),吸碘值法,CTAB法(大分子吸附法),t值法以及电子显微镜法等. 3. DBP吸收值 炭黑的结构可以用DBP(Dibutyl Phthlate邻苯二甲酸二丁酯)吸收值来测量. 根据经验,低结构颜料炭黑中,每100g炭黑的DBP吸收值应不高于70ml;

而高结构颜料炭黑中,每100g炭黑的DBP吸收值应不低于110ml.中结构炭黑则居于两者之间.结构对颜料炭黑应用性有实质性的影响.(吸油值的测量参照ASTM D-2414 标准或GB/T 7046-2003) 4. pH 值pH值和表面官能团数量有关.炉法炭黑表面官能团少,并存在少量的可溶性盐,因此炭黑本身多呈中性或碱性. 为了改善炭黑的粘性,稳定性以及流动性, 有些色素炭黑可通过表面处理来改变表面官能团数量,从而呈酸性.(pH值的测量参照GB/T 7045)