炭黑基礎知識

作者：小曉日期： 2024-11-27 文字大小：大中小

炭黑基礎知識

據記載，我國是世界上最早生產炭黑的國家之一。古時，人們焚燒動植物油和松枝，收集火煙凝結的黑灰，用來配制墨汁和黑色顏料，這種被稱為“炱”的黑灰就是最早的炭黑。1821年，在北美人們首次以天然氣為原料來生產炭黑，從此炭黑不再是“炱”那么簡單，而是氣態或液態碳氫化合物在空氣不足的條件下，經過不完全燃燒或熱裂解分解產生的無定形碳，是一種疏松、輕質、極細的黑色粉末。隨著人們對大片油氣田陸續開采，原料的源源不斷的供應，推動炭黑生產從手工操作進入大規模工業化生產時代。

1912年，人們發現炭黑對橡膠有補強作用，從此炭黑逐漸成為橡膠工業不可或缺的原料。世界橡膠工業原料消耗量中，生膠居第一位，炭黑位居第二位，也就是說炭黑已經成為橡膠最大的配合劑。炭黑的消耗量一般占橡膠消耗量的40%~50%，在橡膠配方中，通常每兩份橡膠就要使用一份炭黑。

一、結構

炭黑的結構是以炭黑粒子間聚成鏈狀或葡萄狀的程度來表示的，由聚集體的大小和形態以及每種聚集體中的顆粒數組成，稱為高結構炭黑。吸油值常用來表示結構，吸油值越大，炭黑的結構越高，易形成空間網絡通道，不易被破壞。高結構炭黑顆粒細、網鏈密、比表面積大、單位質量顆粒多，有利于在聚合物中形成鏈狀導電結構，其中乙炔炭黑是眾多炭黑品種中的佼佼者。寬粒徑分布的炭黑顆粒比窄粒徑分布的炭黑顆粒更能賦予聚合物導電性能，并用統計方法解釋了這一現象，對于粒徑分布較寬的炭黑，少量的大直徑顆粒需要由大量較小顆粒來補償，相同平均粒徑分布的炭黑比粒徑分布較窄的炭黑總顆粒更多。

二、形態

炭黑是由碳組成的，但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狀物質，由于生產工藝不同，通過不同的工藝條件可以得到各種性能不同的產品。

1、炭黑微觀結構

炭黑顆粒具有微晶結構，在炭黑中碳原子的排列類似石墨，形成六角形平面，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排列有序，相鄰層間碳原子排列無序，故又稱準石墨晶體。

2、炭黑粒徑

顏料炭黑的顆粒細度可低至5納米，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層相互穿插形成鏈狀支路，通過不同的生產工藝可以得到粒徑范圍較廣的炭黑顆粒，燈黑產工藝得到的產品相對粗糙，而氣體黑產工藝得到的產品精細。爐黑生產工藝可以獲得幾乎所有粒徑范圍的炭黑，同一品種炭黑的粒徑并不完全相同，會呈現出一個粒徑分布的范圍。一般來說，顆粒較細的品種，其粒徑分布較窄。

三、主要化學性質

炭黑的生產工藝不同，會導致其表面化學性質不同。大多數炭黑的真實比表面積大于由粒徑計算的幾何比表面積，這是因為炭黑表面有很多微孔，尤其是粒徑小于25nm的炭黑。據分析，炭黑表面可檢測到苯酚基、醌基、羧基等基團，而這些酸性基團在氣體黑和氧化爐黑表面的濃度特別高。在爐黑中可以檢測到吡喃酮結構，它決定了爐黑的堿性性質，揮發分含量可以判斷表面官能團的濃度，也可以測量炭黑的極性。此外，由于炭黑比表面積大，在揮發性環境中容易吸濕，因此在炭黑的運輸、儲存和使用過程中要特別注意防潮。

電粒子接觸的幾何學研究認為，炭黑填充量越大，分散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電路徑越多。不同極性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越大，意味著共混體系的電導率降低。由于炭黑表面含有強極性基團，基體極化，功能增強，但強度增加，導電粒子卻受阻，導致自凝集，導致導電性差。但在多元基體樹脂與炭黑組成的共混體系中，由于不同基體的極性不同，炭黑填充炭黑會產生偏析。此時電導率取決于偏析相中炭黑顆粒的濃度和分布，也取決于偏析相中聚合物的比例。

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