標籤:化學化工產品乾燥劑

碳黑(carbon black,又名炭黑),是一種無定形碳。輕、松而極細的黑色粉末,比表面積非常大,範圍從10-3000m2/g,是有機物(天然氣、重油、燃料油等)在空氣不足的條件下經不完全燃燒或受熱分解而得的產物。比重1.8-2.1 由天然氣製成的稱「氣黑」,由油類製成的稱「燈黑」,由乙炔製成的稱「乙炔黑」。此外還有「槽黑」、「爐黑」。按炭黑性能區分有「補強炭黑」、「導電炭黑」、「耐磨炭黑」等。可作黑色染料,用於製造中國墨、油墨、油漆等,也用於做橡膠的補強劑。

1基本信息

中文名稱:炭黑
中文別名:燈墨;合成纖維色母粒用炭黑;爐法碳黑;木絲,刨花;碳納米管;乙炔黑;炭黑[CI77266];碳黑
英文名稱:Carbon nanotubes/Carbon Black
英文別名:C.I. 77266; C.I. Pigment Black 6; C.I. Pigment Black 7; Carbon black; Acetylene black; lamp black; Carbonnanotubesmultiwalled; Fullerene carbon soot (contains 2-20% C60/C70); Carbonanotubesmultiwalled; Carbonsoot; carbon
CAS:1333-86-4
EINECS:215-609-9
HS:28030000
分子式:C
碳黑

2產地

據記載,中國是世界上最早生產炭黑的國家之一。在古時候,人們焚燒動植物油、松樹枝,收集火煙凝成的黑灰,用來調製墨和黑色顏料。這種被稱之為「炱」的黑灰就是最早的炭黑。
1821 年人們在北美地區首次用天然氣為原料生產炭黑,從此炭黑不再是「炱」那麼簡單,它是「氣態或液態的碳氫化合物在空氣不足的條件下進行不完全燃燒或熱裂分解所生成的無定形碳,為疏鬆、質輕而極細的黑色粉末」。大片油氣田相繼開採,源源不斷的原料供應推動炭黑生產由手工操作邁入了大規模工業化時代。
1912 年人們發現炭黑對橡膠具有補強作用,從此炭黑逐漸成為橡膠工業不可缺少的原材料。世界橡膠工業原材料耗用量排在第一位的是生膠,第二位的是炭黑;換言之,炭黑已成為消費量最大的橡膠配合劑。炭黑的耗用量一般占橡膠耗用量的40%~50% ,也就是說,在橡膠配方中,通常每使用2 份橡膠就會搭配使用1 份炭黑。

3結構

炭黑的結構性是以炭黑粒子間聚成鏈狀或葡萄狀的程度來表示的。由凝聚體的尺寸、形態和每一凝聚體中的粒子數量構成的凝聚體組成的炭黑稱為高結構炭黑。常用吸油值表示結構性,吸油值越大,炭黑結構性越高,容易形成空間網路通道,而且不易破壞。高結構炭黑顆粒細,網狀鏈堆積緊密,比表面積大,單位質量顆粒多,有利於在聚合物中形成鏈式導電結構,其中在眾多炭黑品種中以乙炔炭黑為最佳。粒徑分佈寬的炭黑粒子比分佈窄的炭黑粒子更能賦予聚合物導電性,並用統計方法解釋這個現象。粒徑分佈寬的炭黑,少數大直徑粒子需要數目巨大,直徑更小的粒子給予補償,相同平均粒徑分佈寬的炭黑比分佈窄的炭黑有更多的粒子總數。
形態
炭黑由炭組成,但通常被定為無機顏料類。炭黑是烴類經氣相不完全燃燒或熱烈解而成的黑色粉末狀物質。由於生產工藝的不同,通過不同的工藝條件可得到各種性質不同的產品。
1) 炭黑的微觀構造
炭黑粒子具有微晶結構,在炭黑中,碳原子的排列方式類似於石墨,組成六角形平面,通常 3~5個這樣的層面組成一個微晶,由於炭黑微晶的每個石墨層面中,碳原子的排列是有序的,而相鄰層面間碳原子的排列又是無序的,所以又叫准石墨晶體。
2) 炭黑的粒徑
顏料炭黑的粒子細度可低至5nm,一般說來,炭黑粒子不是孤立存在的,而是多個粒子通過碳晶層互相穿插,形成鏈枝狀。不同生產工藝可得到粒徑範圍極廣的炭黑粒子,燈黑生產工藝得到的產品相對粗糙,而氣黑生產工藝可得到精細的產品。
用爐黑生產工藝可得到幾乎所有粒徑範圍的炭黑,同一品種的炭黑,其粒子大小並不完全相同,呈現一個粒徑分佈範圍。一般來說,粒子較細的品種,粒徑分佈較窄。
黑度
黑度是指炭黑所具有的黑色呈現強度。炭黑作著色時,黑度主要基於對光的吸收,對於特定濃度的炭黑,炭黑越細小,則光吸收程度越高。黑度除了受炭黑內部的光吸收外,也受由於粒子表面幾何機構的影響而產生了具有增亮效應的光散射,這會降低黑度。隨著粒徑的減小,光散射程度降低。只有對於很細的炭黑,提高炭黑的濃度才能提高黑度,對於粗大的炭黑,具支配因素的光散射程度因炭黑數增加而提高,黑度反而相應降低。
色調
「炭黑粒子」的光散射程度,隨著粒徑的減小而降低,除了影響增光效應,也影響色調,原因如下: 當可將光穿過一主色為黑色的著色層時,短波的藍光比長波的紅光的散射效應更強烈。炭黑越細,這種效應越顯著。紅光成分由於散射損失較小,因此進入著色層的深度大一些。藍光總體散射強烈,在相反方向,即後方的散射也強烈,於是又從著色層中反射出來。當觀察反射過程時,經細炭黑著色的出現藍色色調,會給人黑度更高的感覺。如果炭黑粗大,則相應地呈現棕色色調。 當觀察透射過程時,相同的著色層(不完全透明的薄膜)的色調關係正好相反,隨著粒徑的減小,散射較強的藍光穿過著色層的深度較小,即藍光穿過著色層至另一面成分較少,從另一面穿出來。因此,由於在觀察的那一面缺少藍光成分,著色層在透射過程中觀察時,便呈現棕色色調。 當以鈦白粉調灰(灰色色調)時的情形,與在透射過程中觀察主色的著色狀況相似,光線在含有黑色顏料塑料片中的白顏料中來回散射,越小粒徑的炭黑,會使可見光內藍光的散射越強,因此較多其餘的紅光部分便透射過來,呈現出帶黃色色調的灰色,相反地,如著色時用粗粒徑的炭黑,尤其是較為粗大的燈黑,則會得到帶藍色色調的灰色。
光穩定性
光會使塑料老化,尤其是陽光中的紫外線會加速塑料的老化。在配合運用有機紫外光吸收劑和抗氧化劑可使壽命延長。然而顏料黑仍然被認為是最好的紫外線穩定劑。
顏料黑作為紫外光吸收劑,主要用作延長塑料製品在戶外使用壽命。
濃度為0.5%的小粒徑炭黑(20nm)與2%的相對粗粒徑的炭黑(95nm)。差不多具有同樣的光保護作用。
按生產
主要分為燈黑、氣黑、爐黑和槽黑。
按功能
主要分為補強碳黑、著色碳黑、導電碳黑等。

按型號

主要分為N220、N330、N550、N660、N990、N110、N115、N234、N326、N339、N375、N539、N550、N880等。

4生產工藝

生產顏料炭黑的原料是石油產品和瀝青煤焦油產品。通過烴類在高溫下不完全燃燒或熱解而成。
1)燈黑生產工藝
歷史上最早的炭黑生產法是燈黑生產工藝,在該工藝過程中,原料在直徑大至1.5m的平坦的燃燒鐵盤上燃燒,含有炭黑的燃燒氣體由內鋪有磚塊的排氣罩收集,然後通過彎管(彎折1/4)和通火管到達沉積的裝置。為了控制所產炭黑的特性,應當保證在燃燒盤和排氣罩之間的間隙附近,原料主要作不完全燃燒。而在稍進管道裡面,燃燒在氧氣不足下發生熱烈解,因而形成較大的炭黑顆粒,由於這些原因,組成較寬範圍的粒徑分佈,主要特徵為顆粒粗大。由於在燃燒盤和排氣罩間隙間形成的顆粒只有小部分能與空氣中的氧份接觸,因此這些炭黑只有少量的表面氧化物,相應的PH值呈中性,並且揮發份極少。
2) 氣黑的生產工藝
氣黑此名稱源於其生產過程:原料烴加熱時先氣化,然後由可自燃的氣體(供以能量)作為載體帶到燃燒器內,炭黑在這些蝙蝠形的燃燒器所發出的大量扇形的火焰中生成。由於每束火焰都較小且在空氣中燃燒,炭黑的形成,與燈黑生產工藝很不同(不完全燃燒)。在此炭黑顆粒很細,根據不同種類,平均粒徑在10~30nm之間,氣黑平均粒徑為13nm。燃燒的火焰上,是一個緩慢旋轉的充水轉鼓,炭黑在轉鼓上沉積,在經刮到把炭黑颳走,當溫度仍高時,新生成炭黑與空氣中的氧接觸,於是發生部分氧化,形成了大量的酸性基團,相應氣黑PH值介於酸性範圍。並可得到約6%的揮發份,代表其表面氧化物含量。
3) 槽黑的生產工藝
這種生產工藝以天然氣作原料,槽黑的工藝與氣黑生產工藝的氣體燃燒過程相似,天然氣燃燒,發出許多扇形火焰,得到的產品與氣黑類似,而不同的是這裡採用了平坦的水冷U形槽作為炭黑的沉積槽。由於生態和經濟原因,許多年前就停止了這種方法的使用。而氣黑的生產不會對生態環境造成影響,而此氣法炭黑工藝仍在運用。
4) 爐黑生產工藝
氣黑是在開放大氣中生產的,但爐黑生產工藝則是在缺氧條件下的密閉爐中進行的。使用的不是許多束小火,而是一團大火焰,以油類作原料,並加入可燃氣體使之達到爐內所需溫度。而改變爐黑生產工藝條件,可得到所需要之顏料黑。比如:不同條件下,炭黑可達到廣闊的平均粒徑範圍,從80nm到小至15nmj,更直到細小至氣黑那樣小的顆粒。但對於同一粒徑,氣黑和爐黑還是有區別的,主要是表面化學不同。爐黑產品較為粗糙,平均粒徑為40nm。此外,當採用爐黑生產工藝時,可加入少量的鹼性化合物或其它添加劑以改變聚集體的聚集度和類型,由此可得到高結構或低結構的炭黑。
由於爐黑是在幾乎低於大氣壓及空氣不足條件下生產出來的。所以它們大部分缺乏酸性表面氧化物,然而卻發現了其面所提到的呈鹼性反應的吡喃酮結構。關於爐黑的鹼性PH值,是因為在終止炭黑生成時噴射淬化冷水中加入鹼土,以及為降低結構而添加的鹼性鹽。另外,如果此爐黑不再進行氧化后處理,則其揮發份含量較低。

5中國炭黑行業發展回顧

2000年前,具有5萬t 年產能力的炭黑企業只有1 家;2001年年底,全國共有炭黑生產企業發展到111家,總生產達120 萬t。其中,生產能力在5萬t?a-1以上(包括5萬?a-1) 的企業發展到6 家; 具有5萬t 年產能力的炭黑企業只有1家,目前已發展到9 家。2003 年全國新增炭黑產能約3815 萬t ,全部來自年產115萬~210萬t 濕法造粒炭黑生產線。
  2004年,中國炭黑工業伴隨著橡膠工業前進步伐而同步發展。到2004年底,中國炭黑工業總年產能力已超過160萬噸,全年炭黑總產量達125萬噸,,比2003年增長23%;進口約11.37萬噸,出口約7.85萬噸,表觀消費量約128.52萬噸。
  預計2005年橡膠用炭黑需求增長率將達16%,將需求炭黑約149萬噸,預計需要進口炭黑10萬噸。由於國內炭黑企業都在加大出口量,預計2005年全國炭黑出口量可達10萬噸左右,增長速度為17%。這樣,進出口將基本持平,國內市場炭黑需求量則應為實際出產量。
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