炭黑的性质和分类

一、炭黑的定义：

气态或液态的碳氢化合物在空气不足的条件下进行不xx燃烧或热裂分解所生成的无定形碳，为疏松、质轻而极细的黑色粉末。

二、炭黑的分类：

1. 按制造方法，炭黑可分为不xx燃烧法炭黑和热裂解法炭黑两大类。不xx燃烧法炭黑包括油炉法炭黑、气炉法炭黑、灯烟法炭黑、喷雾法炭黑、槽法炭黑、滚筒法炭黑和混气法炭黑；热裂解法炭黑包括热裂法炭黑、乙炔法炭黑和等离子体法炭黑。不xx燃烧法炭黑产量占炭黑总产量的97%以上，而油炉法炭黑产量和需求量均占不xx燃烧法炭黑总量的95%以上。

2. 按用途，炭黑可分为橡胶用炭黑，染色炭黑，导电炭黑等等。

3. 按填充胶料性能，炭黑可分为硬质炭黑和软质炭黑两大类。硬质炭黑指在橡胶制品中以补强为主要作用的炭黑，是相对软质炭黑而言，标准平均粒径在11～30 nm范围，用接触法生产的炭黑及油炉法生产的大部分炭黑也为硬质炭黑，多用于胎面胶，又称为胎面炭黑，其填充的胶料硬度较高、强伸性能和耐磨性能较好；软质炭黑指在橡胶制品中补xx果较差、在很大程度上起填充作用的炭黑，是相对硬质炭黑而言，标准平均粒径在31～500 nm范围，用气炉法和热裂法生产的炭黑及小部分油炉法生产的炭黑也属于软质炭黑，多用于胎体胶，又称胎体炭黑，其填充的胶料硬度和生热较低、弹性较好。

三、炭黑的物理性质

1.     密度

炭黑的密度有两种，一种是真密度，即由组成炭黑的元素及结构(或晶体结构)确定，在没有特别说明的情况下，炭黑的密度指真密度；另一种是倾注密度或视密度，其随炭黑的加工条件变化而不同，需经常测定。视密度主要为工程设备以及包装、贮运等容器的容积计算提供依据。

炭黑的石墨层间距比石墨大，其密度比石墨小。炭黑密度可用不同方法测定，{zj1}代表性的测试方法有X射线衍射法和氦置换法。不同测试方法测定的炭黑密度不同。用X射线衍射法测定的炭黑密度一般为2.O4～2.11Mg·m^-3 ；用氦置换法测定的炭黑密度一般为1.84～2.O6Mg·m^-3，而石墨化炭黑的密度可达2.18Mg·m^-3。

在橡胶工业中，多用常规混炼法将一定质量的炭黑混入已知密度的橡胶中，通过测试胶料密度来测定炭黑密度。用此法测定的橡胶用炭黑密度一般为1.80～1.86Mg·m^-3，常取1.86Mg·m^-3。粉状炭黑的倾注密度一般为30～48kg·m^-3，增密后粉状炭黑的倾注密度一般为8O～190 kg·m^-3，湿法造粒炭黑的倾注密度一般为3OO～500 kg·m^-3。粒径小、结构高的炭黑倾注密度小。

2.     导电性

炭黑的导电性与其结构(尤其是石墨微晶结构)、表面性质和粒径密切相关。炭黑在橡胶中的导电原理主要有导电通道和场致发射等机理。导电通道机理是炭黑聚集体在胶料中相互接触形成网络状通道而导电。场致发射机理是炭黑聚集体链之间的电势差足够大时会引发场致发射，使电子跃过势垒而导电。根据这些导电机理得出，炭黑粒子越小，即单位体积胶料的炭黑粒子越多，炭黑粒子间接触的几率越大或粒子间间距越小，电阻越小，导电性越好。在粒径相同的炭黑中，高结构炭黑的导电性好，这是高结构炭黑具有较多链枝，从而形成较多链枝交织的导电通道所致。炭黑表面挥发物或残留焦油状物多会在炭黑表面形成绝缘膜而降低炭黑导电性。将这类炭黑在真空或惰性气体中进行加热处理以除去表面绝缘膜，会使其导电性提高。表面粗糙度越大的炭黑导电性越好，这是因为在炭黑用量相同的胶料中，粗糙炭黑粒子间接触的几率比光滑炭黑粒子间大。

综上所述，粒子小、结构高、表面纯净和表面粗糙度大的炭黑导电性好。制备导电胶料时，炭黑的用量不能小于某一临界值，否则胶料中过少的炭黑不能形成导电通道或不能引发场致发射，使胶料的导电性不能达到要求。

3.     着色强度

炭黑的着色强度是指一定量的炭黑染黑一定量的白色颜料(如氧化锌)的能力。炭黑的着色强度与炭黑的基本性质密切相关。一般来说，炭黑的粒径和聚集体尺寸越小及分布越窄，炭黑的着色强度越大。新工艺炭黑的着色强度比相同粒径或比表面积的普通工艺炭黑大，如新工艺炭黑N234和N339的着色强度分别为124和11O，而普通工艺炭黑N220和N330的着色强度仅为115%和103％。这两种工艺炭黑的着色强度之差主要是聚集体尺寸分布不同造成的。新工艺炭黑的聚集体尺寸分布较窄，而普通工艺炭黑聚集体尺寸分布较宽。另外，近年来开发的低滞后炭黑(低滚动阻力炭黑)的聚集体尺寸分布较宽，着色强度较低。

炭黑的生产工艺

一、炭黑的主要生产原料

煤焦油，乙烯焦油，蒽油，天然气，高炉煤气等等。

二、炭黑的生产工艺

炭黑的生产工艺有炉法、喷雾法、灯烟法、槽法、滚筒法、混气法、热裂法、乙炔法和等离子体法，其中炉法、喷雾法、灯烟法、槽法、滚筒法、混气法为不xx燃烧法，热裂法、乙炔法和等离子体法为热裂解法。目前灯烟法炭黑主要用作涂料着色剂，滚筒法和混气法炭黑主要用于油漆和油墨用色素炭黑，乙炔法炭黑主要用于干电池生产，其他生产工艺方法均在生产橡胶用炭黑中应用。

三、橡胶用炭黑的主要生产工艺

1.     炉法

炉法是在反应炉内，原料烃(液态烃、气态烃或其混合物)与适量空气形成密闭湍流系统，通过部分原料烃与空气燃烧产生高温使另一部分原料烃裂解生成炭黑，然后将悬浮在烟气中的炭黑冷却、过滤、收集、造粒成成品炭黑的方法。其中，以气态烃(天然气或煤层气)为主要原料的制造方法称为气炉法(主要产品为软质炭黑)，以液态烃(芳烃重油，包括催化裂化澄清油、乙烯焦油、煤焦油馏出物等)为主要原料的制造方法称为油炉法。

油炉法由于具有工艺调节方法多、热能利用率高、能耗小及成本低等特点，已成为主要的炭黑制造方法。与油炉法相比，气炉法的原料消耗量和综合能耗较大，在天然气涨价后，其主要产品已被油炉法产品取代。然而在天然气廉价的地区，制造气炉法炭黑仍然有利，且气炉法炭黑还在很多橡胶制品中应用。目前我国气炉法炭黑年产量为3万～4万吨。

2.     喷雾法

喷雾法的原料油是从反应炉的上游端用机械雾化喷嘴喷入的，这种制造方法由前苏联开发。喷雾炭黑具有粒子大、结构极高、填充胶料强度中等和{yj}变形很小的特点，特别适用于橡胶密封制品。目前我国喷雾炭黑年产量为几千吨。

3.     槽法

槽法是在自然通风的火房内，天然气或煤层气通过数以千计的瓷质火嘴与空气进行不xx燃烧而形成鱼尾形扩散火焰，通过火焰还原层与缓慢往复运动的槽钢接触使裂解生成的炭黑沉积在槽钢表面，然后由漏斗上的刮刀将炭黑刮入漏斗内，经螺旋输送器输出、造粒而制成成品炭黑的方法。槽法炭黑补强性能优异，特别适用于NR，曾在橡胶工业中大量应用。但由于原料气涨价及生产造成的环境污染问题严重，其已在2O世纪7O年代基本停产。但槽法炭黑是{wy}可用于与食品接触的橡胶用炭黑品种，目前在亚美尼亚还有一家工厂生产。

4. 热裂法

热裂法是一种不连续的炭黑制造方法，每条生产线设置2个内衬耐火材料的反应炉。生产时，先在一个反应炉内通入天然气和空气并燃烧，待反应炉达到一定温度后停止通入空气，使天然气在隔绝空气的条件下热裂解生成炭黑。在该反应炉进行裂解反应时另一个反应炉开始燃烧。每个反应炉均在完成裂解反应且温度降到一定程度后再燃烧加热，如此循环生产。生产出的炭黑与烟气一起冷却，然后将收集到的炭黑进行造粒处理。

热裂法炭黑是粒子{zd0}、结构{zd1}的炭黑品种。热裂法炭黑填充的胶料强伸性能较低，但弹性高、硬度和生热低、电导率小，且热裂法炭黑的填充量大，其适用于轨枕垫等要求弹性高、生热低和绝缘性能好的橡胶制品。另外，热裂法炭黑的碳含量大和纯度高，可用于硬质合金、碳素制品的生产。

5.等离子体法

等离子体法是用等离子体发生器加热反应炉，使其达到极高温度来裂解原料烃(气态烃、液态烃或固态烃)以连续生产炭黑的方法。该法具有以下优点：

·不用原料和燃料加热反应炉，原料烃的利用率高，且可以使用芳烃含量不高的油，能缓解燃料和原料短缺的问题。

·裂解产生的氢气可作化工原料或汽车清洁燃料。

·不产生和排放一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮和二氧化氮等有害废气，有利于环境保护。

·裂解反应生成的尾气少，可以降低炭黑收集系统的投资和运转费用。

·反应炉可达到的温度高且范围宽，有利于产品的多样化。

但等离子体法生成炭黑的氛围和产品性质与常规方法相差较大，此法尚处于研发阶段。目前已开发出氮吸附比表面积为52×10³～9O×1O³m²·kg^-1、DBP吸收值为90×10^-5～250×10^-5m³·kg^-1、表面没有孔隙且填充胶料物理性能接近常规炭黑的等离子体法炭黑。

等离子体法有可能成为炭黑制造的主要方法。

炭黑的常见牌号和功能

常见牌号及性能：

N220

特性：耐磨性及抗裂性高，与N110相比，定神应力较低、分散性较好。

典型用途：补强型炭黑，用于轮胎胎面，高质量工业橡胶制品及高负载运输带。

N234

特性：耐磨性能优良，动态稳定性高，回弹率低。

典型用途：高性能轿车胎胎面。高质量工业橡胶制品及高负载运输袋。

N326

特性：定神应力低，扯断伸长率高，耐疲劳性能好，抗撕裂强度大。

典型用途：工程轮胎胎面，钢丝带束层胶料，运输带，工业密封件及制品。

N330

特性：兼具良好的耐磨性和中等的滞后。

典型用途：轮胎带束层，胎侧，实心轮胎，滚筒外层，胶管表层，工业橡胶制品，轿车胎胎面。

N351

特性：耐磨性高，压出性能优美。

典型用途：轿车轮胎胎面，工业橡胶制品及运输带。

N375

特性：同N339和N347相比，具有较高的补强性，模量较低，滞后性较高。

典型用途：轿车和卡车轮胎胎面，运输带表层，工业橡胶制品。

N550

特性：在半补强品种中具有{zh0}的补强性能，非常好的挤出性能，回弹率低。

典型用途：胎体及内胎胶料，胶管，挤出胶条，密封件及压模等工业橡胶制品。

N660

特性：同N550相比，补强性较低，结构较低，较高的口型膨胀，填充量较大。

典型用途：胎体和内胎胶料，普通模压及挤出应用，单层防潮系统制品。

    炭黑-白炭黑双相填充剂是用卡博特公司开发的独特技术生产的。传统的炭黑由90%-99%碳元素组成，氧和氢是其他主要成分，而这种新型填充剂由炭黑相和分散在炭黑相中的白炭黑相构成。其主要特点是提高了烃类弹性体中橡胶与填充剂的相互作用，降低了填充剂与填充剂的相互作用。该填充剂可改善胶料性能，尤其是轮胎胎面胶的滞后损失

与温度之间的关系，大大降低了滚动阻力，提高了牵引力，但并未降低传统炭黑的耐磨耗性能。

   炭黑-白炭黑双相填充剂(CSDPF)已经以ECOBLACK^TM、CRX^TM2XXX系列的商品名在市场上销售，所以同时还有CSDPF2000系列和CSDPF4000系列产品。CSDPF2000与4000的不同之处包括白炭黑的分布、白炭黑表面覆盖率和硅含量。CSDPF4000具有比CSDPF2000更高的白炭黑表面覆盖率和硅含量。这种情况可以从硅含量的变化和氢氟酸(HF)抽提时的表面积变化看出来。在HF抽提时，白炭黑被保持不变的炭黑相溶解。从进行CSDPF的HF抽提时仍有大量白炭黑存在，表面积急剧增加这一事实可知，CSDPF2000白炭黑遍布于聚集体中。与此相反，CSDPF4000表面积没有多大变化，且HF抽提

后几乎没有留下白炭黑。这表明，CSDPF4000聚集体。中的白炭黑只停留在表面。

    与传统炭黑和白炭黑相比，当与烃类聚合物混合时，CSDPF2000和4000均具有更高的填充剂-聚合物相互作用和更低的填充剂-填充剂相互作用。对于填充胶料来说，弹性模量随着应变振幅减小而减小，这被称为“佩恩效应(Payne Effect)”。主要通过填充剂-填充剂相互作用来控制的佩恩效应，通常被用作衡量填充剂网状结构的一种方法。虽然从化学复合材料观点看，CSDPF2000和4000的性能都处于炭黑与白炭黑之间，但这里实际观察到的是，这两种新填充

剂都具有{zd1}的佩恩效应。

    采用CSDPF2000，可提高载重汽车轮胎胎面与公路路面的摩擦系数，进而提高轮胎的湿路面防滑性能。而CRX4000的高白炭黑覆盖率可以减小微弹性流体力学润滑，有利于提高轿车轮胎的湿路面防滑性能。因此，为了提高轮胎胎面

的综合性能，可在轿车轮胎胎面胶配方中使用CSDPF4000，而在载重汽车轮胎胎面胶配方中采用CSDPF2000。