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，因此具有優良的橡膠補強、著色、導電或抗靜電以及紫外線吸收功能，是人類最早開發和應用的納米級材料。

2、炭黑的應用領域

炭黑作為一種功能性材料，在很多領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制品中。炭黑還可用于冶金及炭素行業內，作為高純碳材料。

3、炭黑的制造方法

炭黑是由烴類化合物（液態或氣態）經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。

橡膠炭黑根據補強性能可分為硬質炭黑和軟質炭黑兩大類。硬質炭黑對橡膠補強作用比較大，填充硬質炭黑的膠料硬度高，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

根據炭黑的結構和物理形態，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、炭黑的保質期

儲存于干燥密封環境條件下時，炭黑不易受分解的影響，其保質期不受限制。隨著時間推移，炭黑會吸收濕氣，直至達到一個均衡值。如果濕氣影響很重要，則應將炭黑儲存于干燥環境下，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過程中以聚集體狀態存在的，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、炭黑結構的測量方法

鄰苯二甲酸二丁酯吸油值法是一種用于測量炭黑結構的測量方法。較高的吸油紙對應較高的炭黑結構。

9、比表面積

炭黑的比表面積是指單位質量或單位體積內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。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量表示，單位為mg/g。

10、炭黑的結構

炭黑聚集體呈現鏈枝狀，形狀是非常復雜的。聚集體之間又相互吸引形成更大的附聚體團塊，統稱為炭黑的結構。炭黑結構的測定有兩種方法，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構的高低。吸油值法是基于測定充滿鏈枝結構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。高結構的炭黑具有較發達的鏈枝結構，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炭黑的結構性。

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，其用于測量炭黑降低反射光數量的能力。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

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、炭黑的導電性

炭黑是一種半導體，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制成，是非常純的炭黑。它是所有炭黑中最接近石墨結構的，因此導電性能比較好。

15、炭黑的熱導率

關于炭黑的熱導率的現有數據很少。關于含炭黑的橡膠化合物與不含炭黑的橡膠化合物熱導率的數據研究表明，炭黑提高了橡膠的熱導率。

16、表面氧化的炭黑

為了改善炭黑的某種性質，通過后期的氧化處理，增加炭黑表面的氧的化學吸附量，從而改進炭黑的分散性和穩定性，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過程中以聚集體狀態存在的，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。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的方法

被廣泛接受的快速測量油漆中分散體質量的方法是采用赫格曼細度儀表。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能記錄分散時間，能確定炭黑在最終產品中分散至其最大程度的時間點。

23、炭黑的級別

炭黑的性質需要進行特別制定，以便適合特定的應用。炭黑的性質通常可以用改變其表面性質來進行控制。

24、炭黑吸收濕氣

炭黑會吸收濕氣直至達到平衡。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。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攝氏度在進行。

27、炭黑在電化學應用中的應用

由于炭黑具有導電性，電阻值相對較低，所以可以用于多種氧化還原設備中所使用的電極組件。

28、炭黑像聚合物中提供導電性能的機理

炭黑比聚合物，橡膠或樹脂更具有傳導性。添加炭黑會在聚合物基體中形成導電網絡，從而降低電阻率。炭黑級別的開發是為了符合導電應用中的所有其他關鍵性能的同時，以更低的負荷達到優化傳導性能的作用。

29、炭黑如何幫助形成最終產品的遮蓋力

炭黑是一種優質的乳濁劑，可用于多種應用。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

所有等級的炭黑可以使粉末狀或蓬松態，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量。對于大多數級別，爐法炭黑上低濃度的氧化合物和數量極少的水溶性鹽可對微堿性PH值進行中和。為了增強特定的性質，對炭黑進行表面氧化，增加化學氧集團的存在數量，這些產品通常具有酸性PH值。

33、炭黑的化學式

C

34、炭黑的原生粒子

在生產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。通常是針對標準炭黑的分散性的相對度量。隨著炭黑的表面積的降低/結構的增高，炭黑的分散性會增強。但是炭黑的其他性質會隨著表面積和結構的改變而改變。

36、炭黑的可溶性

正常炭黑是不溶于水的，經過后處理的炭黑可溶于水。

37、炭黑的揮發物含量

揮發物含量是衡量化學吸附氧集團數量的度量單位（以失重百分比表示），這些氧基團將在炭黑加熱至高溫時而釋放。揮發物含量的值不包括吸收的濕氣。這與傳統意義上的揮發物的含量并無關聯，后者是指吸收有機化合物的含量的值。在加熱條件下，化學吸附的氧基團可以通過轉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。本質上是指對封閉空氣進行置換和對聚集體表面進行完全覆蓋，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。

41、炭黑的結構影響光澤度

由于價高的吸油量，高結構炭黑比低結構的炭黑相比，使成品光澤度的降低的程度更大。

42、炭黑的結構影響分散速率的原理

結構高的炭黑通常比比表面積相似，結構低的炭黑更容易分散。高結構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，并且具有相當多的分支和鏈狀結構，因此聚集體聚集效果較差，減弱了聚集體之間的吸引力。低結構炭黑更加緊密，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。不過雖然分散低結構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電性

在具有相同表面積和結構的條件下，氧化后的炭黑其導電性要弱于未氧化的炭黑。由于表面在吸附含氧基團后具有較大的絕緣性，因此導電性能降低。

44、炭黑的表面積和結構性質影響產品粘度的的原理

結構是影響產品粘度的首要因素，表面積其次。在研究炭黑的結構變化產生的影響時，使用高結構炭黑取代相同表面積的低結構炭黑，會使最終產品獲得較高的粘度。使用高表面積的炭黑取代具有相同結構的低表面積的炭黑，會試最終產品獲得較高粘度。

45、炭黑的表面積影響分散率的原理

與具有相同結構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、炭黑的顏色性質與表面積的關系

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、炭黑結構對顏色特性的影響

與比表面積相比，炭黑的結構對顏色的影響較小，但是高結構炭黑顏色減弱，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構的炭黑更藍。

48、炭黑表面化學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，炭黑的分散穩定性也得到提高，并且降低了產品粘度。

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，應將其提供給色母生產商，色母廠商以高負荷（根據炭黑類型，塑料樹脂類型和混合設備的類型按重量計25%-50%）對炭黑進行分散。母料供應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，因此在高負荷下進行共混以增強剪切力，從而對炭黑進行分散。由于分散性有利于塑料化合物的顯色，表面質量，機械性質和加工處理，因此對產品質量十分重要。

50、粒度降低影響塑料化合物的性質

隨著炭黑粒度的降低會產生以下性質的變化，主色調或黑度變暗，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，減少生產管理問題。粒狀炭黑也不如對應的粉狀炭黑貴。使用粒狀的炭黑主要缺點在于，與對應的粉狀炭黑相比，更難于分散。當對應的分散設備不足以分散粒狀炭黑時，必須使用粉狀炭黑。