碳黑

碳黑是無定形碳。輕、松散極細的黑色粉末，比表面積很大，從10-3000m2/g，是有機物（天然氣、重油、燃料油等）空氣不足條件下不完全燃燒或熱分解得到的產(chǎn)物。比重1.8-2.由天然氣制成的秤“氣黑”，表示用油做的“燈黑”，表示由乙炔制成“乙炔黑”此外還有“槽黑”爐黑”根據(jù)炭黑的性質(zhì)，有“補強炭黑”導(dǎo)電炭黑”耐磨炭黑”等。它可以被用作制造中國墨的黑色染料、油墨、油漆等也用作橡膠的增強劑。據(jù)記載，中國是世界上最早生產(chǎn)炭黑的國家之一。

碳黑

2017年10月27日，初步整理了世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構(gòu)公布的致癌物名單，以供參考，炭黑在2B類致癌物名單中。

中國是世界上最早生產(chǎn)炭黑的國家之一。在古代，人們?nèi)紵齽又参镉汀⑺缮⒌臉渲Γ占馃熌Y(jié)而成的黑灰，用于制備墨水和黑色顏料。這種被稱之為“炱”黑灰是最早的炭黑。

1821年，人們在北美首次從天然氣中生產(chǎn)出炭黑從此，炭黑不再“炱”那么簡單，它是“氣態(tài)或液態(tài)碳氫化合物在空氣不足的情況下不完全燃燒或熱分解生成的無定形碳是疏松的、輕而極細的黑色粉末”大型油氣田相繼被開采，源源不斷的原料供應(yīng)將炭黑的生產(chǎn)從手工操作推向了大規(guī)模工業(yè)化時代。

1912年發(fā)現(xiàn)炭黑可以補強橡膠，從此炭黑逐漸成為橡膠工業(yè)不可或缺的原料。生膠在世界橡膠工業(yè)原材料消耗中排名第一，炭黑排名第二；換句話說，炭黑已經(jīng)成為用量最大的橡膠配合劑。炭黑的消耗量一般占橡膠消耗量的40%～50%換句話說，在橡膠配方中，通常每兩份橡膠使用一份炭黑。

炭黑的結(jié)構(gòu)用炭黑顆粒聚集成鏈或葡萄狀的程度來表示。由凝聚體的尺寸、炭黑由聚集體組成，聚集體的形態(tài)和每個聚集體中的粒子數(shù)稱為高結(jié)構(gòu)炭黑。吸油值通常用于表示結(jié)構(gòu)吸油值越大，炭黑的結(jié)構(gòu)越高，容易形成空間網(wǎng)絡(luò)通道，不易破壞。高結(jié)構(gòu)炭黑顆粒細小，網(wǎng)絡(luò)鏈密集，比表面積大，單位質(zhì)量顆粒多，有利于聚合物中鏈狀導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的形成，其中乙炔炭黑是眾多炭黑品種中的佼佼者。寬粒徑分布的炭黑粒子比窄粒徑分布的炭黑粒子能賦予聚合物更多的導(dǎo)電性，并用統(tǒng)計學(xué)方法解釋了這一現(xiàn)象。對于粒徑分布較寬的炭黑，需要用大量直徑較小的顆粒來補償少數(shù)大直徑顆粒具有寬平均粒度分布的炭黑比具有窄分布的炭黑具有更多的總顆粒。

形成

炭黑一般指碳顆粒一般是由于有機物燃燒不充分，其中氫氧元素轉(zhuǎn)化為水，而碳元素會脫離分子形成炭黑。

形態(tài)

炭黑是由碳組成的，但它通常被歸類為無機顏料。炭黑是烴類在氣相中不完全燃燒或熱裂解形成的黑色粉末狀物質(zhì)。由于生產(chǎn)工藝的不同，通過不同的工藝條件可以得到不同性能的各種產(chǎn)品。

1）炭黑的微觀構(gòu)造

炭黑顆粒具有微晶結(jié)構(gòu)在炭黑中，碳原子的排列類似于石墨，形成六邊形平面通常，3~5個這樣的層形成一個微晶由于炭黑微晶各石墨層中碳原子的排列是有序的，相鄰層之間碳原子的排列是無序的，所以又稱為準石墨晶體。

2）炭黑的粒徑

顏料炭黑的顆粒細度可以低至5nm一般來說，炭黑顆粒不是孤立存在的，而是多個顆粒通過碳晶體層相互滲透形成鏈狀。通過不同的生產(chǎn)工藝可以獲得具有寬范圍粒度的炭黑顆粒燈黑生產(chǎn)工藝得到的產(chǎn)品比較粗糙，氣黑生產(chǎn)工藝得到的產(chǎn)品比較精細。

幾乎所有粒度范圍的炭黑都可以通過爐黑生產(chǎn)工藝獲得同一品種炭黑的粒徑并不完全相同，呈現(xiàn)出一個粒徑分布范圍。一般來說，顆粒越細的品種，粒徑分布越窄。

型號：N330

指標：GB3778―2003標準）

項目單位指標標準質(zhì)量體系

吸碘值g/kg82±7

吸油值10―5m3/kg102±7

壓縮樣品的吸油值為10―5m3/kg80―96

CTAB吸附比表面積為103m2/kg73―91

STSA103m2/kg75±9

氮氣吸附比表面積為103m2/kg71―85

著色強度%96―112

加熱減量%≦1.

傾注密度kg/m3380 40

PH值%≦―

灰分%≦0.5

45目篩余物%≦0.001

325目篩余物%≦0.02

100目篩余物%≦0.1

雜質(zhì)無

300%定伸應(yīng)力-9±1.6 

化學(xué)性質(zhì)

不同生產(chǎn)工藝的炭黑表面化學(xué)性質(zhì)不同。大多數(shù)炭黑的真實表面積大于根據(jù)粒度計算的幾何表面積。這是因為炭黑，尤其是粒徑小于25nm的炭黑，表面有很多微孔。

據(jù)分析，在炭黑表面可以檢測到酚基、醌基、羧基等基團，這些酸性基團在氣黑和氧化爐黑表面的濃度特別高。爐黑中可以檢測到吡喃酮結(jié)構(gòu)，這決定了爐黑的堿性。揮發(fā)分含量可以用來判斷表面官能團的濃度，也可以測量炭黑的極性。此外，由于炭黑表面積大，在揮發(fā)性環(huán)境中容易吸潮，因此在運輸儲存和使用過程中要特別注意炭黑的吸潮問題。

其中大部分是關(guān)于導(dǎo)電粒子接觸的幾何研究。根據(jù)這一理論，炭黑填充量越大，分散狀態(tài)下的炭黑顆粒或炭黑顆粒聚集體的密度越大，顆粒間的平均距離越小，相互接觸的概率越高，炭黑顆粒或炭黑顆粒聚集體形成的導(dǎo)電路徑越多。不同極性的聚合物與炭黑組成的共混體系極性越大，炭黑的臨界體積分數(shù)越大，意味著體系的電導(dǎo)率下降由于炭黑表面含有強極性基團，基體具有極性，效果增強此時強度增加，但阻礙了導(dǎo)電顆粒的聚集，導(dǎo)致導(dǎo)電性差。但在多組分基體樹脂和炭黑組成的共混體系中，由于不同基體的極性不同，填充的炭黑會發(fā)生離析此時，電導(dǎo)率取決于炭黑顆粒在分凝相中的濃度和分布，也取決于高聚物在分凝相中的比例。

黑度

黑度是指炭黑的黑色呈現(xiàn)強度。炭黑著色時，黑度主要是基于對光的吸收對于特定濃度的炭黑，炭黑越細，光吸收程度越高。黑度不僅被炭黑內(nèi)部的光吸收，而且由于顆粒表面幾何形狀的影響，被具有增亮效果的光散射，會降低黑度。隨著粒徑的減小，光散射程度降低。1]只有對于極細的炭黑，增加炭黑的濃度才能提高黑度對于粗炭黑，優(yōu)勢光散射度隨著炭黑數(shù)的增加而增加，但黑度相應(yīng)降低。

著色強度

著色強度可以理解為抵消白色顏料增白能力的效果。著色強度也隨著初級粒子的粒徑和結(jié)構(gòu)的減小而增加。

色調(diào)

炭黑粒子”光散射的程度隨著粒徑的減小而減小，不僅影響增亮效果，還會影響色調(diào)，原因如下：當(dāng)光線可以穿過一個主色為黑色的有色層時，短波藍光的散射作用比長波紅光的散射作用更強。炭黑越細，這種影響越明顯。因為紅光成分的散射損耗小，所以紅光成分進入著色層的深度較大。藍光一般是強散射，也是反方向強散射，也就是后方，然后從有色層反射。在觀察反射過程時，被精細炭黑著色后出現(xiàn)藍色色調(diào)，會給人一種黑度更高的感覺。如果炭黑較粗，它會相應(yīng)地呈現(xiàn)棕色。當(dāng)觀察傳輸過程時，同樣的彩色層（不完整透明膜）隨著粒徑的減小，強散射的藍光穿過有色層的深度變小，即藍光穿過有色層到達成分較少的另一側(cè)，從另一側(cè)出來。因此，由于觀察側(cè)缺少藍光成分，在透射過程中觀察時，著色層呈現(xiàn)棕色調(diào)。當(dāng)以鈦白粉調(diào)灰（灰色色調(diào)）類似于傳輸過程中觀察到的主色的著色情況，光在含有黑色顏料的塑料片中的白色顏料中來回散射炭黑的粒徑越小，可見光中藍光的散射越強，因此更多的剩余紅光被透射，呈現(xiàn)出帶有黃色調(diào)的灰色相反，如果在著色中使用粗粒度的炭黑，特別是粗燈黑，將獲得帶有藍色調(diào)的灰色。

分散性

顏料黑越細，炭黑聚集體之間的接觸點越多，結(jié)果，它們之間的內(nèi)聚力越強當(dāng)顏料黑混入物料中，也就是初始炭黑開始均勻分布時，為了分散所要做的功會很大，從而分離出炭黑顆粒，最終達到最高的黑度和著色。與高結(jié)構(gòu)炭黑相比，低結(jié)構(gòu)炭黑可能達到高濃度，但在分散過程中需要較大的分散力。炭黑的分散性受結(jié)構(gòu)度的影響由于高結(jié)構(gòu)炭黑分散性好，著色強度自然強。

用粉末炭黑的話會有分散和麻煩粉塵的問題，所以可以用母料或者漿料。

預(yù)制炭黑的價格比單獨的顏料黑要高，但是如果考慮到清潔工藝、炭黑制備具有效率高技術(shù)投資少的優(yōu)點，有其存在的價值。

光穩(wěn)定性

光線會使塑料老化，尤其是陽光中的紫外線會加速塑料的老化。有機紫外線吸收劑和抗氧化劑的結(jié)合可以延長使用壽命。然而，顏料黑仍然被認為是最好的紫外線穩(wěn)定劑。

顏料黑作為一種紫外線吸收劑，主要用于延長塑料制品的戶外使用壽命。

濃度為0.5%的小粒徑炭黑（20nm）與2%炭黑相對較粗的顆粒尺寸（95nm）具有幾乎相同的光保護效果。

食品接觸

食品衛(wèi)生法規(guī)定的所有涉及日用品的有色顏料，包括色素，都必須符合規(guī)定的純度標準。首先，這些標準規(guī)定了一般顏料中重金屬的含量，其成分在0.在1N鹽酸中的溶解度（酸度和胃液一樣），并指定芳香氨的含量。然后專門制定了炭黑的純度標準，這個標準各國不一樣。

生產(chǎn)顏料炭黑的原料是石油產(chǎn)品和瀝青煤焦油產(chǎn)品。它是由碳氫化合物在高溫下不完全燃燒或熱解而形成的。

1）燈黑生產(chǎn)工藝

歷史上最早的炭黑生產(chǎn)方法是燈黑生產(chǎn)工藝在這個過程中，原材料大到1.含有碳黑的燃燒氣體被裝有磚塊的排氣罩收集，然后通過彎管（彎折1/4）和到達沉積裝置的火管。為了控制產(chǎn)生的炭黑的特性，應(yīng)確保原料主要在燃燒盤和排氣罩之間的間隙附近不完全燃燒。而在稍微進入的管道中，在氧氣不足的情況下燃燒熱解，形成較大的炭黑顆粒由于這些原因，它形成了廣泛的粒度分布，主要表現(xiàn)為粗顆粒。因為在燃燒盤和排氣罩之間形成的顆粒只有一小部分能與空氣中的氧氣接觸，所以這些炭黑只有少量的表面氧化物，對應(yīng)的pH值為中性，揮發(fā)物很少。

2)氣黑的生產(chǎn)工藝

氣黑這個名字來源于它的生產(chǎn)過程：原料烴加熱時會先氣化，然后轉(zhuǎn)化為自燃氣體（供以能量）這些蝙蝠狀的燃燒器噴出的大量扇形火焰中產(chǎn)生了作為載體的炭黑。因為每個火焰都很小，在空氣中燃燒，所以炭黑的形成與燈黑的生產(chǎn)過程有很大的不同（不完全燃燒）這里，碳黑顆粒非常細根據(jù)種類不同，平均粒徑在10~30nm之間，氣黑平均粒徑在10 ~ 30nm。在燃燒的火焰上，有一個緩慢旋轉(zhuǎn)的充水鼓炭黑沉積在鼓上，刮完就刮下來了當(dāng)溫度仍然較高時，新生成的炭黑與空氣中的氧氣接觸，因此被部分氧化，形成大量酸性基團，對應(yīng)的氣黑pH值處于酸性范圍。并可得到約6%揮發(fā)性物質(zhì)代表其表面氧化物含量。

3）槽黑的生產(chǎn)工藝

這種生產(chǎn)工藝以天然氣為原料，罐黑的過程類似于氣黑生產(chǎn)工藝的氣體燃燒過程天然氣燃燒發(fā)出許多扇形火焰，得到的產(chǎn)物類似于氣黑，但不同的是這里的炭黑沉淀槽采用了一個扁平的水冷U型槽。由于生態(tài)和經(jīng)濟原因，這種方法在很多年前就被停止了。氣黑的生產(chǎn)不會影響生態(tài)環(huán)境，這種氣黑工藝還在使用。

4）爐黑生產(chǎn)工藝

氣黑是在開放的大氣中生產(chǎn)的，但爐黑生產(chǎn)過程是在缺氧條件下的密閉爐中進行的。取代許多小火，使用大火焰以油為原料，加入可燃氣體，使其在爐內(nèi)達到要求的溫度。通過改變爐黑生產(chǎn)的工藝條件，可以得到所需的顏料黑。比如：在不同的條件下，炭黑的平均粒徑可以達到很寬的范圍，從80nm到小至15nm，甚至小到氣黑。但對于同樣的粒徑，氣黑和爐黑還是有區(qū)別的，主要是表面化學(xué)不同。爐黑產(chǎn)品較粗，平均粒度為40nm。另外，采用爐黑生產(chǎn)工藝時，可以加入少量的堿性化合物或其他添加劑，改變聚集體的聚集程度和類型，從而得到高結(jié)構(gòu)或低結(jié)構(gòu)的炭黑。

因為爐黑是在幾乎低于大氣壓和空氣不足的條件下產(chǎn)生的。因此，它們大多缺乏酸性表面氧化物，但發(fā)現(xiàn)了上述具有堿性反應(yīng)的吡喃酮結(jié)構(gòu)。爐黑的堿性pH值是由于當(dāng)炭黑的產(chǎn)生終止時，向噴霧淬火冷水中加入堿土金屬和堿性鹽。另外，如果爐黑氧化后不處理，其揮發(fā)分含量低。

2000年以前，年產(chǎn)能5萬t的炭黑企業(yè)只有一家；截至2001年底，中國共有炭黑生產(chǎn)企業(yè)111家，總產(chǎn)量120萬噸。其中，生產(chǎn)能力為5萬噸/a以上(包括5萬t/a)企業(yè)數(shù)量已經(jīng)增長到6家；年生產(chǎn)能力5萬t的炭黑企業(yè)只有一家。2003年，增長到9、我國新增炭黑產(chǎn)能約3815萬t，全部來自年產(chǎn)115萬~ 210萬t的濕法造粒炭黑生產(chǎn)線。

2004年，中國 美國炭黑工業(yè)與橡膠工業(yè)同步發(fā)展。到2004年底，中國的年總生產(chǎn)能力為1000萬噸美國炭黑工業(yè)已超過160萬噸，炭黑年產(chǎn)量達到125萬噸，比2003年增長235%進口約11.37萬噸，出口約7.85萬噸，表觀消耗量128左右.52萬噸。

2005年橡膠用炭黑的需求增長率將達到16%炭黑需求約149萬噸，進口炭黑需求10萬噸。隨著國內(nèi)炭黑企業(yè)出口量的增加，2005年全國炭黑出口量達到10萬噸，增長率為17%這樣進出口會基本持平，國內(nèi)市場對炭黑的需求應(yīng)該是實際產(chǎn)量。

按生產(chǎn)

主要分為燈黑、氣黑、爐黑和槽黑。

按用途

炭黑通常根據(jù)用途不同分為顏料炭黑、橡膠用炭黑、導(dǎo)電炭黑和特種炭黑。

色素用炭黑—國際上根據(jù)炭黑的著色能力，通常分為三類，即高顏料炭黑中顏料炭黑和低顏料炭黑。這種分類通常用三個英文字母表示，前兩個字母表示炭黑的著色能力，最后一個字母表示生產(chǎn)方法。

橡膠用炭黑—橡膠用炭黑最初是按粒徑分類，后來是按氮表面積分類。此外，命名時還考慮了炭黑顏料的硫化速度結(jié)構(gòu)等因素，由四個體系組成。第一個英文字母代表膠料的硫化速度，N代表正常硫化速度，S代表慢速硫化速度。后三位是阿拉伯?dāng)?shù)字。第一個數(shù)字代表炭黑的氮表面積范圍，列為0~9級。第二和第三個數(shù)字由美國材料試驗協(xié)會負責(zé)炭黑和術(shù)語D24.委員會作出的指定反映了不同的結(jié)構(gòu)程度，即確定了炭黑的大致高低結(jié)構(gòu)，具有一定的隨意性。相對來說，數(shù)字越大，結(jié)構(gòu)越高。

按功能

主要分為補強炭黑、著色碳黑、導(dǎo)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。

炭黑N330屬于高耐磨爐黑。N330是應(yīng)用最廣泛的爐黑，具有很高的耐磨性。該產(chǎn)品耐磨性略差于超耐磨系列炭黑，但優(yōu)于溝槽炭黑。本產(chǎn)品用于輪胎胎面、簾布膠、側(cè)壁和各種橡膠工業(yè)產(chǎn)品。本品是一種補強性能良好的炭黑，能賦予膠料更好的拉伸性能、抗撕裂性能、耐磨性和彈性。使用該產(chǎn)品的乘用車輪胎滾動損失僅大于N300系列中的N351，小于其他品種，在膠料中具有良好的分散和擠出性能適用于各種合成橡膠和天然橡膠。