各類炭黑的工藝特性及相關應用 炭黑是碳元素的一種，以納米級粒徑、無定形碳形式存在，是有機物（天然氣、重油、燃料油等）在空氣不足的條件下經不*燃燒或熱分解而得的產物。炭黑是人類開發、應用和目前產量的納米材料，被國際化學品領域列為二十五種基本化工產品及精細化工產品之一。中國產業信息網發布的《2014-2019年中國炭黑行業運營態勢與投資前景評估分析報告》顯示，炭黑工業對汽車產業、新能源產業以及提高民用生活產品質量等方面具有非常重要的意義。 炭黑結構性能變化圖 炭黑的主要成分是碳，其基本粒子尺寸在10-100nm 之間，因此具有良好的橡膠補強、著色、導電或抗靜電以及紫外線吸收功能。炭黑作為一種功能材料，能夠賦予其他材料或制品一些特殊的使用性能，在許多領域中有著不可替代的作用。炭黑在粘度、著色力、分散性、光澤度及導電性等方面的性能會隨著其結構的變化而有所變化，從而適用于不同的需求及環境。炭黑是橡膠補強填充劑，是僅次于生膠的第二位橡膠原材料，同時炭黑可作為著色劑、紫外光屏蔽劑、抗靜電劑或導電劑，廣泛應用于塑料、化纖、油墨、涂料、電子元器件、皮革化工和干電池等很多行業，炭黑作為高純碳材料還可以用于冶金及碳素材料行業中。 1、炭黑的分類 炭黑按主要用途分類可分為橡膠用炭黑、導電炭黑和色素炭黑等。 （1）橡膠用炭黑 橡膠用炭黑按造粒方式分類，可分為干法造粒炭黑與濕法造粒炭黑兩類。干法造粒是采用干法造粒機對炭黑進行造粒，粉狀炭黑在滾動中，利用分子間力的作用形成球狀顆粒。這種粒子的硬度低，單個粒子的平均硬度一般在15克以下。包裝和運輸后粒子的破損較為嚴重，細粉含量平均為15-20%。濕法造粒是把粉狀炭黑和適量的水及粘結劑在造粒機中混合、攪拌形成球形狀顆粒，再經干燥除去水分得到最終的顆粒狀產品。濕法造粒的炭黑，單個粒子的平均硬度一般在35 克以上，使得炭黑粒子在運輸過程的破損大幅度減少，使用前可以保持炭黑細粉含量在7%以下，有效地解決了炭黑使用過程中粉塵對環境的污染。 濕法造粒炭黑具有密度高、強度大、便于儲存運輸、環境污染小的特點，符合我國炭黑生產新工藝化、生產裝置環保化的發展要求。濕法造粒的炭黑粒子在混煉膠中的分散性好，可滿足大型煉膠裝置如子午線輪胎生產線的投料需求。 按炭黑填充輪胎膠料的性能分類，炭黑可分成硬質炭黑和軟質炭黑兩大類。硬質炭黑又稱胎面炭黑，炭黑原生粒子的粒徑一般為15nm 到45nm 之間，它們可以和橡膠分子形成有效的化學鍵，能顯著提高胎面膠的強度、抗撕裂性能和耐磨性能，多用于輪胎的胎面膠。按照ASTM 的分類方法，N100（包括N115 等）、N200（包括N220、N234 等）、N300（包括N326、N375、N339 等）系列為硬質炭黑。軟質炭黑又稱胎體炭黑，在橡膠中的補強效果較差，在很大程度上起填充作用，多用于輪胎的胎側膠和內胎膠，炭黑原生粒子的粒徑一般為45nm 以上，可達100nm 以上，能顯著改善膠料的粘彈性、耐曲繞性并能起到填充作用。按照ASTM 的分類方法，N500（包括N539、N550 等）、N600（包括N650、N660 等）、N700（包括N762、N774 等）系列為軟質炭黑。 （2）導電炭黑 導電炭黑是一種高性能炭黑，可以賦予材料更好的強度、韌性等技術指標，具有低電阻或高電阻性能，可賦予制品導電或防靜電作用。其特點為粒徑小，比表面積大且粗糙，結構高，表面潔凈(化合物少)等。導電炭黑加入絕緣聚合物（塑料、橡膠）形成的導電網絡臨界濃度比一般炭黑大的多，電阻系數比一般炭黑小的多。導電炭黑的加入，使原本為絕緣物的塑料、橡膠體積電阻率顯著下降。 導電炭黑是半導體材料，具有較低的電阻率，能夠使橡膠或塑料具有一定的導電性能，用于不同的導電或抗靜電制品，導電炭黑主要用于電力電纜屏蔽材料，如圖所示： 高壓電纜剖面圖 導電炭黑還應用在導電橡膠、塑料制品等領域，可以做干電池的原材料，在航空航天、工、電動汽車、無線通訊、消費電子等領域具有廣闊的應用前景。 （3）色素炭黑 色素炭黑是著色顏料用炭黑,按著色強度(或黑度)和粒子大小一般分為高色素炭黑、中色素炭黑、普通色素炭黑和低色素炭黑四種,主要由接觸法和油爐法生產。色素炭黑的黑度直接與炭黑的粒徑相關，粒徑越小，其表面積愈大，炭黑的黑度越高。色素炭黑主要用于油墨、油漆等行業。 2、炭黑的制造方法 炭黑制造方法按照炭黑生成方式分為不*燃燒法和熱裂解法。不*燃燒法是在有氧參與的條件下，將烴類化合物進行熱裂解的方法，其中油爐法是最主要的制造方法。熱裂解法是在無氧的條件下進行的，采用這種制造方法生產的炭黑產量僅占總產量的1%左右。不*燃燒法又可以分為在密封的湍流系統中和開放的擴散火焰系統中生成炭黑，然后再細分為若干小類。 炭黑制造方法分類表 化工過程 制造方法 主要原料 不*燃燒法 密閉的湍流系統 油爐法 芳烴重油（乙烯焦油、煤焦油鎦出物） 氣爐法 天然氣、煤層氣 打煙法 芳烴重油 開放的擴散火焰系統 槽法 天然氣 滾筒法 芳烴重油、載體氣（焦爐煤氣等） 混氣法 芳烴重油、載體氣（焦爐煤氣等） 熱裂解法 不連續 熱裂法 天然氣 連續 乙炔法 乙炔 連續（研究開發中） 等離子體法 烴類化合物（固、液、氣均可） 廢輪胎熱裂解炭黑 熱裂解法 廢輪胎 3、炭黑的用途 炭黑是一種重要的化工原材料，和人們的生活密切相關，被廣泛運用在多個領域。在這些用途中，用量的是橡膠用炭黑。橡膠用炭黑約占炭黑總量的89.5%，橡膠用炭黑中又以輪胎用炭黑用量，約占橡膠用炭黑的67.5%；非橡膠用炭黑約占10.5%。 炭黑用途分類圖 炭黑產品廣泛用于以下行業： （1）橡膠工業 炭黑是橡膠制品的重要補強劑和填充劑。橡膠工業沒有炭黑工業輔助配合，是不可能發展的；反之，炭黑工業沒有橡膠工業的支撐，也不可能得到迅速的發展。在橡膠用炭黑中，炭黑被用來制造各種類型的輪胎，如汽車輪胎、拖拉機輪胎、飛機輪胎、力車胎等，其余被用來制造其他橡膠制品，如膠管、膠帶、膠鞋等。炭黑在橡膠中的用量約為生膠用量的35-50％。 （2）塑料工業 塑料用炭黑在非橡膠應用領域里占很大的比重。它不僅可以著色或調色，還可起到防止紫外線老化、抗靜電或導電等作用。在使用上，為使炭黑在塑料中具有良好的分散性，通常是把炭黑預先分散在某種介質之中，再與適當配比的塑料進行稀釋。 塑料是一種絕緣材料，這是由于其優異的介電性能所致。在一般情況下，要使電流通過含炭黑復合塑料，電子必須通過炭黑而傳導。為此，正確選擇炭黑品種和添加量，是塑料具有一定導電性的關鍵。導電炭黑在塑料中均勻分散時，其添加量在10-35％之間。炭黑的分散性與添加方法對塑料導電性能影響很大，而且大量填充炭黑，往往使塑料制品的機械性能變壞。因此，導電塑料中炭黑，常選用導電性能優良的炭黑品種，力求在較低添加量下獲得較好的導電效果。 （3）油墨工業 炭黑是黑色油墨的主要顏料。印刷油墨大多使用優質的色素炭黑，炭黑的基本性質（粒徑大小、結構性和表面性質）在很大程度上影響著油墨的質量和印刷品的質量。印刷油墨對炭黑的要求主要是黑度、色相、流相度、粘度、干燥性和觸變性等。現代的油墨種類很多，用途很廣，其中新聞油墨用炭黑占全部油墨用炭黑的70％左右，新聞油墨的炭黑含量為11-13％。 （4）涂料工業 炭黑具有對化學物質、光、熱的穩定性，這是其他黑色無機顏料和有機染料的。炭黑加入涂料中，其反射小，黑度高，著色力強。炭黑的基本性能直接影響涂料的黑度、流變性和光澤等性能。炭黑表面活性增加時，黑度增加，粘度降低，分散性增加，光澤也提高。這相當于加入一種有效的潤滑劑或分散劑，降低了炭黑被漆料潤滑的界面阻力，幫助漆料滲透到炭黑粒子中去。 （5）其他領域 除上述應用范圍外，炭黑還用于干電池、電碳制品、電器及電子元件、硬質合金、高純石墨、印染、感光膠片、、通信、水泥、鑄造、皮革等多個方面，在這些領域中，炭黑起到了至關重要的作用。
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