各類炭黑的工藝特性及相關(guān)應(yīng)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(jī)物（天然氣、重油、燃料油等）在空氣不足的條件下經(jīng)不*燃燒或熱分解而得的產(chǎn)物。炭黑是人類開發(fā)、應(yīng)用和目前產(chǎn)量的納米材料，被國際化學(xué)品領(lǐng)域列為二十五種基本化工產(chǎn)品及精細(xì)化工產(chǎn)品之一。中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2014-2019年中國炭黑行業(yè)運(yùn)營態(tài)勢與投資前景評估分析報告》顯示，炭黑工業(yè)對汽車產(chǎn)業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)以及提高民用生活產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有非常重要的意義。 炭黑結(jié)構(gòu)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(bǔ)強(qiáng)、著色、導(dǎo)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(lǐng)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(dǎo)電性等方面的性能會隨著其結(jié)構(gòu)的變化而有所變化，從而適用于不同的需求及環(huán)境。炭黑是橡膠補(bǔ)強(qiáng)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?qū)щ妱?，廣泛應(yīng)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(yè)，炭黑作為高純碳材料還可以用于冶金及碳素材料行業(yè)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(dǎo)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(jī)對炭黑進(jìn)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(yùn)輸后粒子的破損較為嚴(yán)重，細(xì)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(jié)劑在造粒機(jī)中混合、攪拌形成球形狀顆粒，再經(jīng)干燥除去水分得到最終的顆粒狀產(chǎn)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(yùn)輸過程的破損大幅度減少，使用前可以保持炭黑細(xì)粉含量在7%以下，有效地解決了炭黑使用過程中粉塵對環(huán)境的污染。 濕法造粒炭黑具有密度高、強(qiáng)度大、便于儲存運(yùn)輸、環(huán)境污染小的特點，符合我國炭黑生產(chǎn)新工藝化、生產(chǎn)裝置環(huán)保化的發(fā)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(chǎn)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(zhì)炭黑和軟質(zhì)炭黑兩大類。硬質(zhì)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(xué)鍵，能顯著提高胎面膠的強(qiáng)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(zhì)炭黑。軟質(zhì)炭黑又稱胎體炭黑，在橡膠中的補(bǔ)強(qiáng)效果較差，在很大程度上起填充作用，多用于輪胎的胎側(cè)膠和內(nèi)胎膠，炭黑原生粒子的粒徑一般為45nm 以上，可達(dá)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(zhì)炭黑。 （2）導(dǎo)電炭黑 導(dǎo)電炭黑是一種高性能炭黑，可以賦予材料更好的強(qiáng)度、韌性等技術(shù)指標(biāo)，具有低電阻或高電阻性能，可賦予制品導(dǎo)電或防靜電作用。其特點為粒徑小，比表面積大且粗糙，結(jié)構(gòu)高，表面潔凈(化合物少)等。導(dǎo)電炭黑加入絕緣聚合物（塑料、橡膠）形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)臨界濃度比一般炭黑大的多，電阻系數(shù)比一般炭黑小的多。導(dǎo)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(dǎo)電炭黑是半導(dǎo)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(dǎo)電性能，用于不同的導(dǎo)電或抗靜電制品，導(dǎo)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(dǎo)電炭黑還應(yīng)用在導(dǎo)電橡膠、塑料制品等領(lǐng)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(fèi)電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 （3）色素炭黑 色素炭黑是著色顏料用炭黑,按著色強(qiáng)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(chǎn)。色素炭黑的黑度直接與炭黑的粒徑相關(guān)，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(yè)。 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(jìn)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(jìn)行的，采用這種制造方法生產(chǎn)的炭黑產(chǎn)量僅占總產(chǎn)量的1%左右。不*燃燒法又可以分為在密封的湍流系統(tǒng)中和開放的擴(kuò)散火焰系統(tǒng)中生成炭黑，然后再細(xì)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(tǒng) 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(kuò)散火焰系統(tǒng) 槽法 天然氣 滾筒法 芳烴重油、載體氣（焦?fàn)t煤氣等） 混氣法 芳烴重油、載體氣（焦?fàn)t煤氣等） 熱裂解法 不連續(xù) 熱裂法 天然氣 連續(xù) 乙炔法 乙炔 連續(xù)（研究開發(fā)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(guān)，被廣泛運(yùn)用在多個領(lǐng)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(chǎn)品廣泛用于以下行業(yè)： （1）橡膠工業(yè) 炭黑是橡膠制品的重要補(bǔ)強(qiáng)劑和填充劑。橡膠工業(yè)沒有炭黑工業(yè)輔助配合，是不可能發(fā)展的；反之，炭黑工業(yè)沒有橡膠工業(yè)的支撐，也不可能得到迅速的發(fā)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(jī)輪胎、飛機(jī)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(yè) 塑料用炭黑在非橡膠應(yīng)用領(lǐng)域里占很大的比重。它不僅可以著色或調(diào)色，還可起到防止紫外線老化、抗靜電或?qū)щ姷茸饔?。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(yù)先分散在某種介質(zhì)之中，再與適當(dāng)配比的塑料進(jìn)行稀釋。 塑料是一種絕緣材料，這是由于其優(yōu)異的介電性能所致。在一般情況下，要使電流通過含炭黑復(fù)合塑料，電子必須通過炭黑而傳導(dǎo)。為此，正確選擇炭黑品種和添加量，是塑料具有一定導(dǎo)電性的關(guān)鍵。導(dǎo)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(dǎo)電性能影響很大，而且大量填充炭黑，往往使塑料制品的機(jī)械性能變壞。因此，導(dǎo)電塑料中炭黑，常選用導(dǎo)電性能優(yōu)良的炭黑品種，力求在較低添加量下獲得較好的導(dǎo)電效果。 （3）油墨工業(yè) 炭黑是黑色油墨的主要顏料。印刷油墨大多使用優(yōu)質(zhì)的色素炭黑，炭黑的基本性質(zhì)（粒徑大小、結(jié)構(gòu)性和表面性質(zhì)）在很大程度上影響著油墨的質(zhì)量和印刷品的質(zhì)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?，F(xiàn)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(yè) 炭黑具有對化學(xué)物質(zhì)、光、熱的穩(wěn)定性，這是其他黑色無機(jī)顏料和有機(jī)染料的。炭黑加入涂料中，其反射小，黑度高，著色力強(qiáng)。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(dāng)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(lǐng)域 除上述應(yīng)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(zhì)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(lǐng)域中，炭黑起到了至關(guān)重要的作用。
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