炭黑基础知识

炭黑基础知识

 

据记载，我国是世界上最早生产炭黑的国家之一。古时，人们焚烧动植物油和松枝，收集火烟凝结的黑灰，用来配制墨汁和黑色颜料，这种被称为“炱”的黑灰就是最早的炭黑。1821年，在北美人们首次以天然气为原料来生产炭黑，从此炭黑不再是“炱”那么简单，而是气态或液态碳氢化合物在空气不足的条件下，经过不完全燃烧或热裂解分解产生的无定形碳，是一种疏松、轻质、极细的黑色粉末。随着人们对大片油气田陆续开采，原料的源源不断的供应，推动炭黑生产从手工操作进入大规模工业化生产时代。

 

1912年，人们发现炭黑对橡胶有补强作用，从此炭黑逐渐成为橡胶工业不可或缺的原料。世界橡胶工业原料消耗量中，生胶居第一位，炭黑位居第二位，也就是说炭黑已经成为橡胶最大的配合剂。炭黑的消耗量一般占橡胶消耗量的40%~50%，在橡胶配方中，通常每两份橡胶就要使用一份炭黑。

 

一、结构

炭黑的结构是以炭黑粒子间聚成链状或葡萄状的程度来表示的，由聚集体的大小和形态以及每种聚集体中的颗粒数组成，称为高结构炭黑。吸油值常用来表示结构，吸油值越大，炭黑的结构越高，易形成空间网络通道，不易被破坏。高结构炭黑颗粒细、网链密、比表面积大、单位质量颗粒多，有利于在聚合物中形成链状导电结构，其中乙炔炭黑是众多炭黑品种中的佼佼者。宽粒径分布的炭黑颗粒比窄粒径分布的炭黑颗粒更能赋予聚合物导电性能，并用统计方法解释了这一现象，对于粒径分布较宽的炭黑，少量的大直径颗粒需要由大量较小颗粒来补偿，相同平均粒径分布的炭黑比粒径分布较窄的炭黑总颗粒更多。

 

二、形态

炭黑是由碳组成的，但通常被归类为无机颜料。炭黑是烃类在气相中不完全燃烧或热裂解形成的黑色粉状物质，由于生产工艺不同，通过不同的工艺条件可以得到各种性能不同的产品。

1、炭黑微观结构

炭黑颗粒具有微晶结构，在炭黑中碳原子的排列类似石墨，形成六角形平面，通常3~5个这样的层形成一个微晶。由于炭黑微晶各石墨层中碳原子排列有序，相邻层间碳原子排列无序，故又称准石墨晶体。

 

2、炭黑粒径

颜料炭黑的颗粒细度可低至5纳米，一般来说炭黑颗粒不是孤立存在的，而是多个颗粒通过碳晶层相互穿插形成链状支路，通过不同的生产工艺可以得到粒径范围较广的炭黑颗粒，灯黑产工艺得到的产品相对粗糙，而气体黑产工艺得到的产品精细。炉黑生产工艺可以获得几乎所有粒径范围的炭黑，同一品种炭黑的粒径并不完全相同，会呈现出一个粒径分布的范围。一般来说，颗粒较细的品种，其粒径分布较窄。

 

三、主要化学性质

炭黑的生产工艺不同，会导致其表面化学性质不同。大多数炭黑的真实比表面积大于由粒径计算的几何比表面积，这是因为炭黑表面有很多微孔，尤其是粒径小于25nm的炭黑。据分析，炭黑表面可检测到苯酚基、醌基、羧基等基团，而这些酸性基团在气体黑和氧化炉黑表面的浓度特别高。在炉黑中可以检测到吡喃酮结构，它决定了炉黑的碱性性质，挥发分含量可以判断表面官能团的浓度，也可以测量炭黑的极性。此外，由于炭黑比表面积大，在挥发性环境中容易吸湿，因此在炭黑的运输、储存和使用过程中要特别注意防潮。

 

电粒子接触的几何学研究认为，炭黑填充量越大，分散的炭黑颗粒或炭黑颗粒聚集体的密度越大，颗粒间的平均距离越小，相互接触的概率越高，炭黑颗粒或炭黑颗粒聚集体形成的导电路径越多。不同极性聚合物与炭黑组成的共混体系极性越大，炭黑的临界体积分数越大，意味着共混体系的电导率降低。由于炭黑表面含有强极性基团，基体极化，功能增强，但强度增加，导电粒子却受阻，导致自凝集，导致导电性差。但在多元基体树脂与炭黑组成的共混体系中，由于不同基体的极性不同，炭黑填充炭黑会产生偏析。此时电导率取决于偏析相中炭黑颗粒的浓度和分布，也取决于偏析相中聚合物的比例。