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烴類在嚴格控制的工藝條件下經氣相不完全燃燒或熱解而成的黑色粉末狀物質。其成分主要是元素碳,並含有少量氧、氫和硫等。炭黑粒子近似球形,粒徑介於10~500μm 間。許多粒子常熔結或聚結成三維鍵枝狀或纖維狀聚集體。在橡膠加工中,通過混煉加入橡膠中作補強劑(見增強材料)和填料。炭黑是最古老的工業產品之一。

1 炭黑 -炭黑

烴類在嚴格控制的工藝條件下經氣相不完全燃燒或熱解而成的黑色粉末狀物質。其成分主要是元素碳,並含有少量氧、氫和硫等。炭黑粒子近似球形,粒徑介於10~500μm 間。許多粒子常熔結或聚結成三維鍵枝狀或纖維狀聚集體。在橡膠加工中,通過混煉加入橡膠中作補強劑(見增強材料)和填料。

炭黑是最古老的工業產品之一。早在公元前,中國就用植物油不完全燃燒製取顏料炭黑。1872年,美國首先以天然氣為原料用槽法生產炭黑。當時,炭黑也仍主要用作著色劑。1912年S.C.莫特發現炭黑對橡膠的補強作用之後,炭黑工業才迅速發展起來。20世紀20年代,又出現了以天然氣為原料的氣爐黑和熱裂黑,R.D.斯諾於1937年開始研究高效的炭黑生產方法。後來,J.C.克雷奇致力於從液態烴生產炭黑,開發了油爐法工藝。1941年,試產出第一批油爐黑。1943年,世界上第一座工業化規模的油爐黑工廠在美國投產。當今,油爐法是效率最高、經濟效益最好的炭黑生產方法。油爐黑的產量已佔炭黑總量的70%~90%。

 

2 炭黑 -生產方法

主要有爐法、槽法、熱裂法三種。

炭黑炭黑
爐法

由天然氣或高芳烴油料在反應爐中經不完全燃燒或熱解生成炭黑,此種炭黑稱為爐黑,是炭黑品種中產量最大、品種最多的一類。爐黑與槽黑及熱裂黑的顯著區別是,其粒子的熔結或聚結程度可根據不同用途來調節。所以,同一粒徑範圍的爐黑,又分為若干不同結構的衍生品種。另外,爐黑的含氧量通常比槽黑低(少於1%),表面呈中性或弱鹼性。

爐黑生產的特點是,燃料在反應爐中燃燒,提供原料裂解所需的熱量。燃燒和裂解過程同時發生。根據所用原料形態的不同,爐黑生產可分為氣爐法和油爐法兩種。氣爐法所用原料和燃料均是天然氣。油爐法的燃料可以是天然氣、焦爐氣,也可以是液態烴,原料則選用高芳烴油料,如乙烯焦油和蒽油等。在爐黑生產工藝流程(見圖)中,反應爐是核心設備。生產不同品種的爐黑需採用不同結構尺寸的反應爐。空氣和燃料在反應爐中燃燒,原料經霧化后噴入燃燒的火焰中,經高溫熱解生成炭黑。炭黑懸浮於燃餘氣中形成煙氣。煙氣經急冷後送空氣預熱器、油預熱器進一步降溫,最後送入袋濾器,分離出的炭黑送到造粒機中造粒,然後在乾燥機中乾燥。

槽法

以天然氣為主要原料,以槽鋼為火焰接觸面而生產炭黑,此種炭黑稱為槽黑。與爐黑及熱裂黑相比,其粒子較細而比表面積較大。同時,由於採用特定的生產方式,其表面受到氧化,含有較多的含氧官能團而呈酸性。這類炭黑粒子的聚結程度較低。因含有較多的含氧官能團,可延緩橡膠的硫化速度,提高聚烯烴的耐候性以及賦予油墨良好的流動性和印刷性能。

熱裂法

以天然氣、焦爐氣或重質液態烴為原料,在無氧、無焰的情況下,經高溫熱解生成炭黑,稱為熱裂黑。它是炭黑品種中比表面積最低的一類,基本上以單個球形粒子存在,不熔結或聚結成聚集體,其表面含氧量亦很少(0.1%~0.3%)。熱裂黑主要有三個品種:中熱裂黑、不污染的中熱裂黑和細熱裂黑。中熱裂黑的氮吸附比表面積為6~10m2/g,細熱裂黑則為10~15m2g。

3 炭黑 -理化性質

各種炭黑的差異主要在表面積(或粒子大小)、聚集體形態、粒子和聚集體的質量分佈和化學組成等方面。

表面積  用來鑒別和分類命名炭黑的重要性質之一。表面積用氣相或液相吸附法測得。最經典的測定方法是低溫氮吸附法(即BET法)。由於氮分子相對較小,可進入炭黑微孔之中,該法測得的結果表徵炭黑的總表面積。近年來研究成功大分子吸附法(如CTAB),因大分子不能進入微孔,其測定結果表徵炭黑的外表面積,即「光滑」表面積。大多數橡膠用炭黑是無孔的,所以BET測定結果和CTAB測定結果是一致的。對某些色素用炭黑,這兩種表面積測定結果的差,即表徵炭黑的粗糙度或孔隙度。另一種測定方法──吸碘法也廣泛用於生產控制和產品分類,其特點是簡單快速,但測定結果受炭黑表面氧化程度的影響。

結構  炭黑的第二個重要性質。炭黑的結構取決於聚集體尺寸、形狀以及每個聚集體的粒子數和平均質量。上述這些特性均影響聚集體的堆積狀態和粉末的空隙容積。通常,炭黑的結構用DBP(Dibutyl Phthalate,鄰苯二甲酸二丁酯)吸油值表示。炭黑在 170MPa下壓縮4次后的DBP值,習慣上稱為壓縮吸油值或24M4DBP值。壓縮吸油值更真實地反映炭黑聚集體在膠料中的狀態。

 

4 炭黑 -著色強度

著色力: 
  是表示炭黑染色白體的能力,一般著色力高,其遮蓋性能好。測試方法按ASTM-3265進行。對於著色強度而言,主要是特指色素炭黑來說的,也就是主要用做顏料的炭黑。這種炭黑產品對黑度、吸油量、著色力、細度、PH值等一系列技術指標要求比較嚴格,是出廠前必須要檢驗的項目 。炭黑的著色力與自身結構有著必要的相關聯繫,一般來講結構高的炭黑較容易分散,但是著色力相對較低,結構低的炭黑著色力較高,但是在分散時需要更大的剪切力。在應用領域是作為顏料來使用,多用於塗料、油漆、油墨、密封膠、色漿、陶瓷、塑料等領域。色素炭黑是所有顏料中最難分散的一種,在各領域的使用中要求也不盡相同。

5 炭黑 -分類

各種炭黑的分類常常涉及其生產方式,如槽黑、爐黑和熱裂黑等。也可按用途分類,如橡膠用炭黑和色素用炭黑等。炭黑品種的命名原則是在生產和使用過程中逐漸形成的。最初,以炭黑特性和生產方式的英文辭彙的縮寫字母表示,如以HAF表示高耐磨爐黑,以MCC表示中色素槽黑。美國試驗和材料學會(ASTM)頒布了一種命名系統,主要規定了橡膠用炭黑的命名原則。目前,ASTM命名系統已被世界各國所接受。它是由一個字母和三個數字組成,字母表明炭黑表面性質對橡膠加工過程的影響,以N表示正常硫化的品種,以S表示緩慢硫化的品種。字母後面的第一個數字錶示炭黑的粒子大小。以電子顯微鏡法測定的平均粒徑為依據,把所有炭黑的粒徑範圍分為10個等級,最細的為0而最粗的為9。其餘后兩個數字用以區別炭黑結構和使用性能方面的差異。如超耐磨爐黑可表示為SAF或N110;高耐磨爐黑表示為HAF或N330;高耐磨高結構爐黑表示為HAF-HS或N347;半補強爐黑為SRF或N770等。易混槽黑則表示為EDC或S300。

 

6 炭黑 -應用

主要用作橡膠的補強劑和填料,其消耗量約為橡膠消耗量的一半,橡膠用炭黑占炭黑總量的94%,其中約60%用於輪胎製造。此外,也用作油墨、塗料和塑料的著色劑以及塑料製品的紫外光屏蔽劑。在許多其他製品,如電極、乾電池、電阻器、炸藥、化妝品及拋光膏中,它也是重要的助劑。

爐黑主要用於橡膠製品,炭黑的粒徑越細,其補強性能越優越;炭黑結構度越高,其定伸應力及模量越高。細粒徑的補強性品種主要用於輪胎胎面,賦予輪胎優良的耐磨性能。輪胎的其他部位,如胎側、帘布層、帶束緩衝層和內襯層,要求膠料耐曲撓龜裂、耐臭氧氧化、具有良好的回彈性和較低的生熱性能,一般選用較粗粒徑的半補強型(比表面積低於40m2/g)爐黑。

色素用槽黑廣泛用於油墨、塗料和塑料中。油墨、特別是新聞油墨主要使用中色素槽黑。在塗料製造過程中,高色素槽黑賦予高級汽車面漆極好的黑度和光澤,中色素槽黑用於一般工業塗料。此外,中色素槽黑也常用作聚烯烴的紫外光屏蔽劑,用於提高塑料製品的耐候性。橡膠用槽黑主要用於輪胎特別是越野及工程輪胎的胎面膠,它賦予胎面較高的強度及良好的耐磨性能。

熱裂黑主要用於橡膠製品。因粒徑粗而補強性能差,僅用於要求最大限度填充增量的場合,如用於製造膠墊、膠管、海綿製品、密封圈、輪胎內襯層、胎圈膠以及絕緣製品等。(見彩圖)

 

炭黑炭黑
 
炭黑炭黑

  

7 炭黑 -相關連接

橡膠工業
石油工業
顏料

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