炭黑的基本知識
1、什么是炭黑
炭黑的主要成分是碳，其基本粒子尺寸在10--100nm之間，因此具有優(yōu)良的橡膠補強、著色、導(dǎo)電或抗靜電以及紫外線吸收功能，是人類最早開發(fā)和應(yīng)用的納米級材料。
2、炭黑的應(yīng)用領(lǐng)域
炭黑作為一種功能性材料，在很多領(lǐng)域中有著不可代替的作用。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。炭黑也作為著色劑、紫外線屏蔽劑、抗靜電劑或?qū)щ妱瑥V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)制品中。炭黑還可用于冶金及炭素行業(yè)內(nèi)，作為高純碳材料。
3、炭黑的制造方法
炭黑是由烴類化合物（液態(tài)或氣態(tài)）經(jīng)不完全燃燒或熱裂解生成的，主要由碳元素組成，以近似于球體的膠體粒子及具有膠體大小的聚集體形式存在。炭黑的外觀為黑色粉末。
4、炭黑的分類
炭黑按照用途可以分為兩大類，即橡膠炭黑和特種炭黑。
橡膠炭黑根據(jù)補強性能可分為硬質(zhì)炭黑和軟質(zhì)炭黑兩大類。硬質(zhì)炭黑對橡膠補強作用比較大，填充硬質(zhì)炭黑的膠料硬度高，強伸性能和耐磨性能較好，主要用于輪胎的胎面，又叫胎面炭黑。軟質(zhì)炭黑硬度低，彈性好，主要用于輪胎的胎體，又叫胎體炭黑。
特種炭黑根據(jù)用途分可為油墨用炭黑、涂料用炭黑、密封膠用炭黑、色母用炭黑、建材用炭黑等。
5、炭黑的體積密度
根據(jù)炭黑的結(jié)構(gòu)和物理形態(tài)，炭黑的體積密度在各種級別的炭黑中差別很大。由于存在封閉空氣，炭黑的體積密度低于炭黑的真密度（比重）。炭黑聚集體的真密度（比重）約為1.8克/立方厘米（112.5磅/立方英寸）。
6、炭黑的保質(zhì)期
儲存于干燥密封環(huán)境條件下時，炭黑不易受分解的影響，其保質(zhì)期不受限制。隨著時間推移，炭黑會吸收濕氣，直至達(dá)到一個均衡值。如果濕氣影響很重要，則應(yīng)將炭黑儲存于干燥環(huán)境下，并盡可能密封。
7、粒徑
炭黑粒子大小與分布是炭黑的最重要的性質(zhì)之一，幾乎所有的炭黑粒子都不是單獨存在的，而是在炭黑炭黑生產(chǎn)過程中以聚集體狀態(tài)存在的，聚集體是炭黑單獨存在的最小單元。粒徑直接影響炭黑的其他性能和使用性能。炭黑粒徑大小主要通過電子顯微鏡法測定。
8、炭黑結(jié)構(gòu)的測量方法
鄰苯二甲酸二丁酯吸油值法是一種用于測量炭黑結(jié)構(gòu)的測量方法。較高的吸油紙對應(yīng)較高的炭黑結(jié)構(gòu)。
9、比表面積
炭黑的比表面積是指單位質(zhì)量或單位體積內(nèi)炭黑炭黑粒子表面積的總和，單位為m2/g或103m2/kg。比表面積與粒徑一樣是炭黑的基本性能之一，由于其測試方法比較方便，以取代粒徑成為炭黑分類的依據(jù)。對表面光滑的炭黑來說，比表面積與粒徑成反比，即粒徑越小比表面積越大，反之亦然。炭黑的粒子很小，因此比表面積是很大的。色素炭黑的比表面積在150-710m2/g之間。比表面積的測定方法比較多，常用的有氮吸附法，吸碘值法CTAB法等。吸碘值法以每克炭黑吸附碘的質(zhì)量表示，單位為mg/g。
10、炭黑的結(jié)構(gòu)
炭黑聚集體呈現(xiàn)鏈枝狀，形狀是非常復(fù)雜的。聚集體之間又相互吸引形成更大的附聚體團(tuán)塊，統(tǒng)稱為炭黑的結(jié)構(gòu)。炭黑結(jié)構(gòu)的測定有兩種方法，即吸油值法和壓縮比容法。兩種方法都是基于測定炭黑中的空隙容積而表征炭黑結(jié)構(gòu)的高低。吸油值法是基于測定充滿鏈枝結(jié)構(gòu)的空隙及表面浸潤所需要的最低鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）的量，稱之為DBP吸油值。高結(jié)構(gòu)的炭黑具有較發(fā)達(dá)的鏈枝結(jié)構(gòu)，堆積時更松散，因此具有較高的吸油值，反之亦然。炭黑的吸油值與炭黑比表面積也有一定的關(guān)系，比表面積大的炭黑具有較高的吸油值，換言之只有在比表面積相同時，吸油值才能客觀反應(yīng)炭黑的結(jié)構(gòu)性。
11、炭黑的著色強度
著色強度以油料中炭黑和氧化鋅組成的漿料的反射比測量為依據(jù)，其用于測量炭黑降低反射光數(shù)量的能力。通過減小初次顆粒的粒度可以獲得更高的著色力。
12、炭黑的表面性質(zhì)
炭黑主要由碳元素組成，含碳量為90%--99%，也含有少量的氫，氧，氮等，這些元素主要來自炭黑的原料。
13、炭黑的導(dǎo)電性
炭黑是一種半導(dǎo)體，添加炭黑能使通常具有高電阻的材料電阻率明顯降低。
14、乙炔炭黑
乙炔炭黑是通過乙炔的熱裂解反應(yīng)制成，是非常純的炭黑。它是所有炭黑中最接近石墨結(jié)構(gòu)的，因此導(dǎo)電性能比較好。
15、炭黑的熱導(dǎo)率
關(guān)于炭黑的熱導(dǎo)率的現(xiàn)有數(shù)據(jù)很少。關(guān)于含炭黑的橡膠化合物與不含炭黑的橡膠化合物熱導(dǎo)率的數(shù)據(jù)研究表明，炭黑提高了橡膠的熱導(dǎo)率。
16、表面氧化的炭黑
為了改善炭黑的某種性質(zhì)，通過后期的氧化處理，增加炭黑表面的氧的化學(xué)吸附量，從而改進(jìn)炭黑的分散性和穩(wěn)定性，降低炭黑的黏度。
17、初次顆粒
炭黑制造過程中形成的最初的微粒成為初次顆粒。幾乎所有的炭黑初次顆粒都不是單獨存在的，而是在炭黑炭黑生產(chǎn)過程中以聚集體狀態(tài)存在的，聚集體是炭黑單獨存在的最小單元。
18、制備炭黑分散液需要用分散劑或表面活性劑
在最佳分散體系中，分散劑連續(xù)單層分散在炭黑聚集體周圍，因此形成流體分散液所需要的分散劑的量與所用炭黑的表面積有關(guān)。對于給定的炭黑添加量，表面積大的炭黑所需要的分散劑較多。
19、影響漿狀油墨的光澤度的因素
在漿狀油墨中，光澤度的取決于分散體的質(zhì)量和炭黑聚集體的粒徑。聚集體越小分散性越好，光澤度越高。
20、影響油墨炭黑的掉色相的因素
初次聚集體粒徑和分散性影響掉色相。初次聚集體越小，掉色相越低。
21、炭黑的制造工藝
炭黑的制造工藝包括油爐法，燈煙法，噴霧法，槽法，熱裂解法，滾筒法和氣霧法等，目前95%以上的炭黑都是采用的油爐法。
22、測量液體中炭黑分散體的形態(tài)的方法
被廣泛接受的快速測量油漆中分散體質(zhì)量的方法是采用赫格曼細(xì)度儀表。對于油墨則使用G-1,G-2,G-3儀表。但是這些類型的儀表不能測量微分散體，而微分散性很大程度上決定了炭黑的性能。更好的測量炭黑分散體的方法是通過顯示顏色和光澤度。例如一起的光澤度度數(shù)能記錄分散時間，能確定炭黑在最終產(chǎn)品中分散至其最大程度的時間點。
23、炭黑的級別
炭黑的性質(zhì)需要進(jìn)行特別制定，以便適合特定的應(yīng)用。炭黑的性質(zhì)通常可以用改變其表面性質(zhì)來進(jìn)行控制。
24、炭黑吸收濕氣
炭黑會吸收濕氣直至達(dá)到平衡。該值通常會以重量%來表示，不同牌號的炭黑會有變化。
25、炭黑的多孔性
傳統(tǒng)的爐法炭黑含有極少的氣孔，此外存在的任何氣孔都被限制在微孔（納米級）范圍內(nèi)。可通過氮吸附等溫線分析，將此類氣孔量化為總微孔體積。
26、炭黑的分解
通常，在空氣活氧氣中，炭黑在450攝氏度到500攝氏度之間開始分解。在這些溫度下炭黑不會在氮氣中分解。炭黑的灰分測量通常在550攝氏度在進(jìn)行。
27、炭黑在電化學(xué)應(yīng)用中的應(yīng)用
由于炭黑具有導(dǎo)電性，電阻值相對較低，所以可以用于多種氧化還原設(shè)備中所使用的電極組件。
28、炭黑像聚合物中提供導(dǎo)電性能的機理
炭黑比聚合物，橡膠或樹脂更具有傳導(dǎo)性。添加炭黑會在聚合物基體中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而降低電阻率。炭黑級別的開發(fā)是為了符合導(dǎo)電應(yīng)用中的所有其他關(guān)鍵性能的同時，以更低的負(fù)荷達(dá)到優(yōu)化傳導(dǎo)性能的作用。
29、炭黑如何幫助形成最終產(chǎn)品的遮蓋力
炭黑是一種優(yōu)質(zhì)的乳濁劑，可用于多種應(yīng)用。這種特性源自炭黑吸收可見光光譜輻射的能力。這種極好的吸收能力可極大的減少吸收光和投射光。
30、炭黑的物理形態(tài)
所有等級的炭黑可以使粉末狀或蓬松態(tài)，珠狀或顆粒狀。
31、炭黑的CAS編號
1333-86-4
32、炭黑的PH值
炭黑的PH值是指炭黑表面存在的炭黑吸附氧的數(shù)量。對于大多數(shù)級別，爐法炭黑上低濃度的氧化合物和數(shù)量極少的水溶性鹽可對微堿性PH值進(jìn)行中和。為了增強特定的性質(zhì)，對炭黑進(jìn)行表面氧化，增加化學(xué)氧集團(tuán)的存在數(shù)量，這些產(chǎn)品通常具有酸性PH值。
33、炭黑的化學(xué)式
C
34、炭黑的原生粒子
在生產(chǎn)中可控制炭黑的原生粒子的粒徑。粒徑范圍可從8nm到75nm。
35、炭黑的可分散性
炭黑的可分散性通常指其易分散性或難分散性。通常是針對標(biāo)準(zhǔn)炭黑的分散性的相對度量。隨著炭黑的表面積的降低/結(jié)構(gòu)的增高，炭黑的分散性會增強。但是炭黑的其他性質(zhì)會隨著表面積和結(jié)構(gòu)的改變而改變。
36、炭黑的可溶性
正常炭黑是不溶于水的，經(jīng)過后處理的炭黑可溶于水。
37、炭黑的揮發(fā)物含量
揮發(fā)物含量是衡量化學(xué)吸附氧集團(tuán)數(shù)量的度量單位（以失重百分比表示），這些氧基團(tuán)將在炭黑加熱至高溫時而釋放。揮發(fā)物含量的值不包括吸收的濕氣。這與傳統(tǒng)意義上的揮發(fā)物的含量并無關(guān)聯(lián)，后者是指吸收有機化合物的含量的值。在加熱條件下，化學(xué)吸附的氧基團(tuán)可以通過轉(zhuǎn)化為氣體的方式被分解而消失，例如二氧化碳和水。
38、炭黑的混合
混合炭黑是分散炭黑的一個重要的步驟，它是指使用樹脂或溶劑來潤濕炭黑表面。本質(zhì)上是指對封閉空氣進(jìn)行置換和對聚集體表面進(jìn)行完全覆蓋，以獲得易于加工的分散性混合物。
39、炭黑的物理形態(tài)影響分散率的方法
可以直接使用粉狀炭黑或者較致密的粒狀炭黑。粒狀炭黑更容易處理，并且混合速度要快于粉狀炭黑。但是，粒狀炭黑較難分散，這是因為致密化過程增加了附聚體的臨近度，從而增加了必須在分散過程中客服的范德華力。
40、炭黑的用途
炭黑可用于橡膠中做補強，可用于油墨，油漆，涂料，密封膠，水泥建材，塑料的各行業(yè)。
41、炭黑的結(jié)構(gòu)影響光澤度
由于價高的吸油量，高結(jié)構(gòu)炭黑比低結(jié)構(gòu)的炭黑相比，使成品光澤度的降低的程度更大。
42、炭黑的結(jié)構(gòu)影響分散速率的原理
結(jié)構(gòu)高的炭黑通常比比表面積相似，結(jié)構(gòu)低的炭黑更容易分散。高結(jié)構(gòu)炭黑中的聚集體由許多原生粒子組成，這些原生粒子組成球團(tuán)，并且具有相當(dāng)多的分支和鏈狀結(jié)構(gòu)，因此聚集體聚集效果較差，減弱了聚集體之間的吸引力。低結(jié)構(gòu)炭黑更加緊密，允許聚集體更近，因此聚集體之間的吸引力更大，使得分散更加困難。不過雖然分散低結(jié)構(gòu)的炭黑需要更多的能量，然而較高的密度使其潤濕更容易，因為所排除的空氣更少。
43、炭黑的表面氧化如何影響導(dǎo)電性
在具有相同表面積和結(jié)構(gòu)的條件下，氧化后的炭黑其導(dǎo)電性要弱于未氧化的炭黑。由于表面在吸附含氧基團(tuán)后具有較大的絕緣性，因此導(dǎo)電性能降低。
44、炭黑的表面積和結(jié)構(gòu)性質(zhì)影響產(chǎn)品粘度的的原理
結(jié)構(gòu)是影響產(chǎn)品粘度的首要因素，表面積其次。在研究炭黑的結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的影響時，使用高結(jié)構(gòu)炭黑取代相同表面積的低結(jié)構(gòu)炭黑，會使最終產(chǎn)品獲得較高的粘度。使用高表面積的炭黑取代具有相同結(jié)構(gòu)的低表面積的炭黑，會試最終產(chǎn)品獲得較高粘度。
45、炭黑的表面積影響分散率的原理
與具有相同結(jié)構(gòu)的低表面積炭黑相比，較高表面積的炭黑更難分散，部分原因在于潤濕表面積等級更高，需要的能量越高，同樣隨著原生粒子變小，一定體積的單位重量炭黑含有更多的聚集體，導(dǎo)致聚集體之間的距離更小，接觸點更多，聚集體之間的吸引力更強。
46、炭黑的顏色性質(zhì)與表面積的關(guān)系
表面積較大的炭黑顯得更黑，表面積較小的炭黑顯得較灰。
47、炭黑結(jié)構(gòu)對顏色特性的影響
與比表面積相比，炭黑的結(jié)構(gòu)對顏色的影響較小，但是高結(jié)構(gòu)炭黑顏色減弱，又由于具有較好的分散性，因此色相要比相同表面積的地結(jié)構(gòu)的炭黑更藍(lán)。
48、炭黑表面化學(xué)性對炭黑分散速率的影響
通過后處理的炭黑，增加了表面吸附氧的含量，可以提高潤濕率從而更易分散，炭黑的分散穩(wěn)定性也得到提高，并且降低了產(chǎn)品粘度。
49、配方中使用炭黑的含量
通常，炭黑如果在塑料中用于著色，應(yīng)將其提供給色母生產(chǎn)商，色母廠商以高負(fù)荷（根據(jù)炭黑類型，塑料樹脂類型和混合設(shè)備的類型按重量計25%-50%）對炭黑進(jìn)行分散。母料供應(yīng)商提供給混合加工商，混合加工商將母料稀釋到最終使用水平（0.5%-3%），炭黑可能難于分撒，因此在高負(fù)荷下進(jìn)行共混以增強剪切力，從而對炭黑進(jìn)行分散。由于分散性有利于塑料化合物的顯色，表面質(zhì)量，機械性質(zhì)和加工處理，因此對產(chǎn)品質(zhì)量十分重要。
50、粒度降低影響塑料化合物的性質(zhì)
隨著炭黑粒度的降低會產(chǎn)生以下性質(zhì)的變化，主色調(diào)或黑度變暗，著色強度變強，母料粘度更高，炭黑分散更難。
51、選擇使用粉狀炭黑或粒狀炭黑考慮的因素
粒狀炭黑較粉狀炭黑更易儲存、運輸和處理。由于具有較少灰塵，因此更易于清理，減少生產(chǎn)管理問題。粒狀炭黑也不如對應(yīng)的粉狀炭黑貴。使用粒狀的炭黑主要缺點在于，與對應(yīng)的粉狀炭黑相比，更難于分散。當(dāng)對應(yīng)的分散設(shè)備不足以分散粒狀炭黑時，必須使用粉狀炭黑。
