炭黑的基本常識

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)炭黑的基本常識什么是炭黑？產(chǎn)品分冊：“碳黑是碳（主要為石油衍生物）經(jīng)過不完全燃燒形成的精細(xì)粉末狀的準(zhǔn)石墨結(jié)構(gòu)物質(zhì)，表觀呈純黑色粉或者粒狀。碳黑（無機(jī)顏料）不溶于水；有酸堿性之分，燃燒后產(chǎn)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）?！睘榱藴?zhǔn)確把握這一概念，可參看下圖和所附電鏡照片：碳元素準(zhǔn)石墨結(jié)構(gòu)聚集體附聚體粒狀炭黑 （原粉）生 （一次結(jié)構(gòu)） （二次結(jié)構(gòu)） （納米 nm ） （微米m ） 依靠范德華

2、力（分子間作用力），一次結(jié)構(gòu)的炭黑聚集體會附聚成附聚體（又稱二次結(jié)構(gòu)）。在涂料、油墨或塑膠中，在外力的作用下，炭黑的二次結(jié)構(gòu)變成一次結(jié)構(gòu)，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(jīng)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(jù)2005年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，碳黑的全球年產(chǎn)量接近800萬噸，其中90%以上為橡膠碳黑，用于橡膠補(bǔ)強(qiáng)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（pigment carbon black），色素碳黑(coloring carbon black)或者特種碳黑(special carbon black)。最穩(wěn)定的顏

3、料：有很好的耐熱性，耐化學(xué)性和耐光性。三碳黑的用途 炭黑具有優(yōu)良的著色(coloring)、導(dǎo)電(conductive)或抗靜電(antistatic)以及紫外線吸收(UV absorption)的功能，因此炭黑可以作為橡膠(rubber) ，輪胎（tyre）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(dǎo)電劑、抗靜電劑、紫外光屏蔽劑等被廣泛應(yīng)用。四，碳黑技術(shù)工藝（生產(chǎn)方法）全球碳黑生產(chǎn)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(chǎn)工藝-爐法和氣法。所謂爐法(油爐法和氣爐法)就是在密閉的反應(yīng)爐中，將液烴原料（一般是煤焦油）噴射

4、到燃燒的熱空氣和天然氣中，在高溫下經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)出的碳黑的性能多種多樣。產(chǎn)品一般為堿性。得率高，一般均是萬噸級。舉例著名的炭黑生產(chǎn)商（國際，國內(nèi)） 而氣法即無槽氣法，是從槽法改進(jìn)而來的生產(chǎn)工藝。槽法是將固態(tài)烴（粗蒽）或液態(tài)烴（蒽油）經(jīng)氣化釜氣化后，和可燃性氣體（一般使用天然氣，也使用焦?fàn)t煤氣或水煤氣）混合后作為原料，由環(huán)形布置的管網(wǎng)送入火房在槽鋼下的火嘴中高溫燃燒并經(jīng)槽鋼冷卻面收集生成碳黑的工藝。無槽氣法即火房不設(shè)槽鋼冷卻面的改進(jìn)工藝。這種工藝生產(chǎn)出來的顏料碳黑

5、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(chǎn)品。產(chǎn)量小。 滾筒炭黑是從傳統(tǒng)槽法改進(jìn)而來的接觸法生產(chǎn)工藝。槽法炭黑是用往復(fù)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(zhuǎn)運動的內(nèi)通冷水的圓筒?；旌显蠚獾娜紵鹧?，與回轉(zhuǎn)滾筒接觸，炭黑沉積在筒面上。不斷被刮刀刮下，經(jīng)螺旋輸送機(jī)送出火房，進(jìn)入風(fēng)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(chǎn)商使用的生產(chǎn)方式分類。 各類生產(chǎn)方式的區(qū)分。 五，炭黑聚集體的存在狀態(tài)，及其對各種應(yīng)用性質(zhì)的影響。炭黑聚集體的基本存在狀態(tài)有三種：粒徑。顏料碳黑的原生粒子是由許多疊合

6、層面所組成。在很大程度上，生產(chǎn)工藝決定其原生粒子的粒徑大小。在爐法生產(chǎn)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(jié)構(gòu)和表面活性的情況下的大小。如圖7： 粒徑小 粒徑大通常我們所說的“原生粉”，是指沒有經(jīng)過造粒的二次結(jié)構(gòu)的炭黑。而勇鋒公司工廠生產(chǎn)的粉狀炭黑是一種比“原生粉”的粒徑略粗的炭黑，它的平均粒徑一般在120微米之間。 圖5： PC2419F的粒徑分布圖結(jié)構(gòu)。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(diào)整；而氣黑的聚集程

7、度則很難調(diào)控。碳黑原始粒子的聚集程度通常被稱為“結(jié)構(gòu)”。高聚集度的碳黑被稱為高結(jié)構(gòu)碳黑，而低聚集度的碳黑則被稱為低結(jié)構(gòu)碳黑?！敖Y(jié)構(gòu)”的高低是不考慮粒徑和表面活性的高低。如圖8： 結(jié)構(gòu)低 結(jié)構(gòu)高結(jié)構(gòu)是炭黑理論里最難理解的概念。實際上，炭黑理論里的結(jié)構(gòu)具有兩種不同的含義：一是微觀的鏡像學(xué)的結(jié)構(gòu)概念。梅達(dá)利所研究的結(jié)構(gòu)就是這種結(jié)構(gòu)。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(xué)的結(jié)構(gòu)概念。我們在實驗室里，用DBP吸附值來測定的結(jié)構(gòu)就是宏觀的統(tǒng)計學(xué)的結(jié)構(gòu)概念。當(dāng)我們用DBP吸附值來測定炭黑的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該注意的是：兩種不同的炭黑，只有當(dāng)?shù)街迪嗤瑫r，DBP吸附值大的炭黑才比DBP吸附值小的

8、炭黑結(jié)構(gòu)高。下面的照片是DEGUSSAGS公司的P 35的電鏡照片。他還對五種炭黑聚集體的分布頻率做過統(tǒng)計分析。表1：3，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(tuán)的多少。這些酸性表面基團(tuán)主要為羧基、酚羥基、 醌基、內(nèi)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(xué)性能?！氨砻婊钚浴钡膹?qiáng)弱是不考慮粒徑的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱。如圖9：表面活性低 表面活性高 粒徑、結(jié)構(gòu)、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

9、等指標(biāo)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(zhì)?！按嬖跊Q定性質(zhì)”這一自然辨證法則永遠(yuǎn)不會改變。表2 炭黑性質(zhì)隨聚集體的存在狀態(tài)的變化而變化的規(guī)律表 聚集體存在狀態(tài)炭黑性質(zhì)的變化 炭黑的性質(zhì)物理的化學(xué)的粒徑（變小）結(jié)構(gòu)（變高）表面活性（增強(qiáng)）炭黑性質(zhì)氮吸附表面積增大吸油值提高提高揮發(fā)性增大PH值降低炭黑在涂料中的性能黑度提高提高著色力提高降低提高色調(diào)紅棕藍(lán)藍(lán)分散性變差變好變好分散穩(wěn)定性變差變好變好光澤降低降低提高粘度增加增加降低導(dǎo)電性變好變好變差炭黑在油墨中的 性能 黑度較黑 較黑 著色力 較強(qiáng) 較弱 較強(qiáng) 色相 偏棕 偏藍(lán) 偏藍(lán) 吸油量/粘

10、度 較高 較高 較低 發(fā)散性 較難 較易 較易、較好 流動性 較差 較差 較好 光澤 較差 較差 較好 潤濕性 較慢 較慢 較快 觸變性 較高 較低 較低炭黑在塑膠中的性能 主色黑度 較深 較黑 粘度 較高 較高 較低 分散 較難 較易 較好 潤濕 較慢 較慢 較快 著色力 較高 較弱 較強(qiáng) 導(dǎo)電性 較高 較高 變差 紫外線防護(hù) 較好 較好 增強(qiáng) 光澤 較低 較低 較好填充量 較低 較低 增加 六，什么是炭黑的分散性？分散性指標(biāo)對炭黑的其他性能指標(biāo)有什么影響？分散性是一個常掛嘴邊，反復(fù)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

11、場合下使用它的含義是不同的：在炭黑的技術(shù)指標(biāo)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(xì)度指標(biāo)。涂料廠的生產(chǎn)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(chǎn)配方操作時，待磨的炭黑漿粘度太高，無法施工，生產(chǎn)時易堵網(wǎng)，生產(chǎn)周期長，經(jīng)多遍研磨仍達(dá)不到細(xì)度要求，甚至嚴(yán)重磨損研磨機(jī)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。制成涂料產(chǎn)品后，沒過多長時間，涂料就出現(xiàn)“返粗”現(xiàn)象，質(zhì)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。涂料成膜后，因為沒有光澤，機(jī)械性能不好，使

12、用者也會反映說這種黑漆光澤不好，機(jī)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。為了說明這一點，讓我們來看一組對比試驗，試驗中的第一個樣品是無油醇酸與硝基樹脂配合，另一個樣品是氨基樹脂與硝基樹脂配合。在樹脂狀態(tài)下，這兩個樣品都是相溶的，他們的顏色同樣都是清徹、透明。再按同樣的固體份樹脂量與同樣量的炭黑混合研磨制成黑漆并涂膜。成膜后，經(jīng)比較，用氨基樹脂和硝化棉混合后制成的膜明顯比用無油醇酸和硝化棉混合后制成的膜光澤好、黑度高。這只是因為炭黑在前一個體系中的“分散性”比后一個體系的“分散性”好。上面的這些關(guān)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(yīng)該是指在涂料在生產(chǎn)、儲存、使用的全過程中，炭黑由大顆粒還原成附聚體，再至