炭黑

炭黑指的是烃类在严格控制的工艺条件下经气相不完全燃烧或热解而成的黑色粉末状物质。其成分主要是碳单质，并含有少量氧、氢和硫等元素。炭黑粒子近似球形，粒径介于10～500μm 间。许多粒子常熔结或聚结成三维键枝状或纤维状聚集体。在橡胶加工中，通过混炼加入橡胶中作补强剂(见增强材料)和填料。炭黑是最古老的工业产品之一。

各种炭黑的差异主要在表面积(或粒子大小)、聚集体形态、粒子和聚集体的质量分布和化学组成等方面。

炭黑表面积

用来鉴别和分类命名炭黑的重要性质之一。表面积用气相或液相吸附法测得。最经典的测定方法是低温氮吸附法(即BET法)。由于氮分子相对较小，可进入炭黑微孔之中，该法测得的结果表征炭黑的总表面积。近年来研究成功大分子吸附法(如CTAB)，因大分子不能进入微孔，其测定结果表征炭黑的外表面积，即“光滑”表面积。大多数橡胶用炭黑是无孔的，所以BET测定结果和CTAB测定结果是一致的。对某些色素用炭黑，这两种表面积测定结果的差，即表征炭黑的粗糙度或孔隙度。另一种测定方法──吸碘法也广泛用于生产控制和产品分类，其特点是简单快速，但测定结果受炭黑表面氧化程度的影响。

炭黑结构

炭黑的第二个重要性质。炭黑的结构取决于聚集体尺寸、形状以及每个聚集体的粒子数和平均质量。上述这些特性均影响聚集体的堆积状态和粉末的空隙容积。通常，炭黑的结构用DBP(dibutyl phthalate，邻苯二甲酸二丁酯)吸油值表示。炭黑在 170MPa下压缩4次后的DBP值，习惯上称为压缩吸油值或24M4DBP值。压缩吸油值更真实地反映炭黑聚集体在胶料中的状态。

炭黑，也称为碳黑，是一种无定形碳，主要以纯黑色粉状或粒状的形式存在。它的表面积非常大，范围从10~3000m²/g，这是由于其由含碳物质(如煤、天然气、重油、燃料油等)在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物。具体来说，炭黑是由烃类化合物(主要为石油衍生物)经过不完全燃烧或热裂解形成的近似于球体的胶体粒子的准石墨结构物质，以聚集体形式存在。

炭黑的工作原理主要基于其物理和化学性质。炭黑粒子具有极大的比表面积和良好的吸附性能，这使得它能够有效地吸附在基材表面，从而起到增强和填充的作用。在橡胶工业中，炭黑是橡胶制品的主要补强剂和填料，通过混炼加入橡胶中，可以显著提高橡胶的耐磨性、抗裂性和强度。在塑料工业中，炭黑作为增强剂和着色剂，能够提高塑料制品的强度、硬度和耐磨性，同时吸收紫外线，提高耐候性和抗老化性能。此外，炭黑在油墨、涂料、电池和电子材料等领域也有广泛的应用。

炭黑的生成过程大致可分为五个阶段：初期反应、成核作用、粒子集聚、聚集体表面增长和氧化作用。在这个过程中，烃类化合物经过不完全燃烧或热裂解，生成炭黑粒子。这些粒子在反应过程中不断碰撞、集聚和增长，最终形成具有一定粒径和结构的炭黑产品。

炭黑的种类和性能因制造方法和原料的不同而有所差异。按制造方法可分为热解法炭黑、燃烧法炭黑和沉积法炭黑等;按性能可分为补强炭黑、导电炭黑、耐磨炭黑等。此外，还有按原料来源分类的，如由天然气制成的称“气黑”，由油类制成的称“灯黑”，由乙炔制成的称“乙炔黑”等。

一、炭黑的特点

高比表面积：炭黑的粒子非常小，因此具有极高的比表面积，这使得炭黑具有很强的吸附能力。

优异的导电性：炭黑是一种良好的导电材料，能够在材料中形成良好的导电网络，提高材料的导电性能。

良好的分散性：炭黑粒子在基材中能够均匀分散，不易团聚，从而提高了材料的整体性能。

耐候性和抗老化性：炭黑能够吸收紫外线，提高材料的耐候性和抗老化性能，延长材料的使用寿命。

增强和填充作用：炭黑能够显著提高材料的强度、硬度和耐磨性，同时起到填充作用，降低材料的成本。

二、炭黑的用途

橡胶工业：炭黑是橡胶制品的主要补强剂和填料，能够显著提高橡胶的耐磨性、抗裂性和强度。在轮胎、输送带、胶管等橡胶制品中，炭黑都发挥着重要作用。

塑料工业：炭黑作为增强剂和着色剂，能够提高塑料制品的强度、硬度和耐磨性，同时赋予塑料制品黑色或深色。在电线电缆、汽车配件、家电外壳等塑料制品中，炭黑都有广泛应用。

油墨和涂料：炭黑在油墨和涂料中作为黑色颜料使用，能够赋予油墨和涂料良好的黑色效果和遮盖力。同时，炭黑还能提高油墨和涂料的干燥速度和耐磨性。

电池和电子材料：炭黑在电池和电子材料中作为导电剂使用，能够提高电池的导电性能和循环稳定性。在锂离子电池、超级电容器等新型电子材料中，炭黑都有重要应用。

其他领域：炭黑还可以用于制造碳素制品(如碳刷、碳棒等)、油墨添加剂、橡胶制品的增塑剂、造纸工业的填料和颜料等。

一、炭黑的储藏

环境条件：炭黑应储存在阴凉、干燥、通风的库房中，以防止其受潮和变质。避免炭黑暴露在高温、潮湿或阳光直射的环境中，因为这些条件可能导致炭黑的质量下降。

包装要求：炭黑的包装应密封且符合防潮要求，如采用铁桶、塑料袋或专用包装袋等。包装上应标明炭黑的名称、规格、批号等信息，以便识别和管理。

防止污染：在储藏过程中，炭黑应避免与酸、碱等化学品接触，以防止发生化学反应。同时，防止炭黑受到物理损伤，如钩、拉、摔、掷和重压等，以免影响其性能。

安全管理：炭黑虽然为非危险品，但仍需远离火种和热源，以防发生火灾。同时，在储藏过程中，应有专人负责管理，确保炭黑的安全。

二、炭黑的运输

包装方式：在运输前，炭黑需要装入符合要求的包装中，如铁桶、塑料袋或专用包装袋等。包装应密封并标明炭黑的名称、规格、批号等信息。对于袋装的炭黑，应确保袋口密封;对于铁桶装的炭黑，应检查桶盖是否紧密。

防潮防晒：在运输过程中，炭黑不可接触水分，否则会导致其受潮和变质。因此，运输车辆应保持干燥，并避免雨水渗入。同时，炭黑应避免长时间暴露在阳光下，以防其变质。

防火要求：炭黑是易燃物质，在运输过程中必须注意防火。运输车辆应严禁烟火，并配备相应的消防器材。同时，炭黑应与火源保持一定的安全距离。

防止混载：在运输过程中，炭黑应与其他货物分开装载，以防止不同货物之间的相互影响和污染。如需混载，应确保炭黑不会与其他货物发生化学反应或物理损伤。

温度控制：在运输过程中，应控制货物的温度，保持在适宜的范围内。对于海运等长途运输方式，应特别注意控制温度和湿度，以防炭黑受潮或变质。

一、炉法工艺

由天然气或高芳烃油料在反应炉中经不完全燃烧或热解生成炭黑，此种炭黑称为炉黑，是炭黑品种中产量最大、品种最多的一类。炉黑与槽黑及热裂黑的显著区别是，其粒子的熔结或聚结程度可根据不同用途来调节。所以，同一粒径范围的炉黑，又分为若干不同结构的衍生品种。另外，炉黑的含氧量通常比槽黑低(少于1%)，表面呈中性或弱碱性。炉黑生产的特点是，燃料在反应炉中燃烧，提供原料裂解所需的热量。燃烧和裂解过程同时发生。根据所用原料形态的不同，炉黑生产可分为气炉法和油炉法两种。气炉法所用原料和燃料均是天然气。油炉法的燃料可以是天然气、焦炉气，也可以是液态烃，原料则选用高芳烃油料，如乙烯焦油和蒽油等。在炉黑生产工艺流程(见图)中，反应炉是核心设备。生产不同品种的炉黑需采用不同结构尺寸的反应炉。空气和燃料在反应炉中燃烧，原料经雾化后喷入燃烧的火焰中，经高温热解生成炭黑。炭黑悬浮于燃余气中形成烟气。烟气经急冷后送空气预热器、油预热器进一步降温，最后送入袋滤器，分离出的炭黑送到造粒机中造粒，然后在干燥机中干燥。

二、槽法工艺

以天然气为主要原料，以槽钢为火焰接触面而生产炭黑，此种炭黑称为槽黑。与炉黑及热裂黑相比，其粒子较细而比表面积较大。同时，由于采用特定的生产方式，其表面受到氧化，含有较多的含氧官能团而呈酸性。这类炭黑粒子的聚结程度较低。因含有较多的含氧官能团，可延缓橡胶的硫化速度，提高聚烯烃的耐候性以及赋予油墨良好的流动性和印刷性能。

三、热裂法

以天然气、焦炉气或重质液态烃为原料，在无氧、无焰的情况下，经高温热解生成炭黑，称为热裂黑。它是炭黑品种中比表面积最低的一类，基本上以单个球形粒子存在，不熔结或聚结成聚集体，其表面含氧量亦很少(0.1%～0.3%)。热裂黑主要有三个品种：中热裂黑、不污染的中热裂黑和细热裂黑。中热裂黑的氮吸附比表面积为6～10m2/g，细热裂黑则为10～15m2g。

四、二氧化碳转化

卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)热过程工程研究所开发的技术，可从大气中直接提取二氧化碳并将其转化为炭黑。

一、储藏注意事项

环境条件：炭黑应存放在阴凉、干燥、通风良好的仓库中，避免高温、潮湿和阳光直射。仓库内应设有有效的温湿度控制系统，确保炭黑的质量稳定。

包装要求：炭黑的包装应密封完好，防止空气、湿气和杂质进入。包装上应标明炭黑的品种、批次、生产日期等相关信息，并记录入库及出库时间等重要数据，以方便管理。

防止污染：炭黑存放区域内不应堆放其他易燃品及有害品，避免交叉污染和引发安全事故。同时，炭黑应避免长期接触强酸、强碱等化学物质，以防止其发生化学反应而失效。

安全管理：炭黑是易燃易爆品，储存时要远离火种和热源，禁止与氧化剂、有机溶剂等混存。仓库内应设置明显的安全警示标志，并配备相应的消防器材，定期进行安全检查。

二、运输注意事项

包装方式：在运输前，炭黑需要装入符合要求的包装中，如铁桶、塑料袋等，并确保包装密封完好。对于袋装的炭黑，应确保袋口扎紧，防止漏洒;对于桶装的炭黑，应检查桶盖是否紧密，防止泄漏。

防潮防晒：在运输过程中，炭黑应避免接触水分和阳光直射。运输车辆应保持干燥，并配备防雨设施。同时，炭黑应存放在阴凉处，避免长时间暴露在阳光下，以防变质。

防火要求：炭黑是易燃物质，在运输过程中必须注意防火。运输车辆应严禁烟火，并配备相应的消防器材。同时，炭黑应与火源保持一定的安全距离，防止发生火灾。

防止混载：在运输过程中，炭黑应与其他货物分开装载，防止不同货物之间的相互影响和污染。如需混载，应确保炭黑不会与其他货物发生化学反应或物理损伤。

三、使用注意事项

防护措施：在生产和使用炭黑的过程中，工作人员应佩戴防尘口罩、手套等防护用具，避免吸入炭黑粉尘或接触炭黑对皮肤造成损害。同时，应保持工作场所的通风良好，避免炭黑粉末在空气中堆积。

比例控制：在使用炭黑作为填料时，应按照合适的比例加入生产原料中，以确保产品的质量和性能。过量或不足都可能影响产品的最终效果。

废弃物处理：废弃的炭黑应按照环保要求进行合理处理，避免对环境造成污染。可以寻求专业的废弃物处理机构进行回收或处置。

一、炭黑分散不均

故障现象：

炭黑在基材中分散不均匀，出现团聚或结块现象。

排除方法：

选择合适的炭黑品种：根据应用需求，选择分散性更好的炭黑品种。

优化分散工艺：在分散前，先用部分溶剂、树脂及分散剂浸泡炭黑24小时以上。同时，检查分散设备的运行状况，确保分散效果。

调整配方：检查配方中炭黑的含量，确保炭黑浓度适中。同时，检查助剂的品种和用量是否正确，以辅助炭黑的分散。

二、炭黑黑度不够

故障现象：

炭黑添加后，产品的黑度未达到预期效果。

排除方法：

检查炭黑品种：确保所选炭黑的黑度符合应用要求。必要时，与炭黑供应商沟通，更换合适的炭黑品种。

检查分散效果：确保炭黑在基材中分散均匀，无团聚现象。如分散效果不佳，需优化分散工艺。

调整配方：增加炭黑的用量或调整其他成分的比例，以提高产品的黑度。

三、炭黑影响产品性能

故障现象：

炭黑添加后，产品的某些性能(如强度、硬度、耐磨性等)未得到预期提升，甚至出现下降。

排除方法：

检查炭黑品质：确保炭黑的品质符合应用要求，包括吸油值、挥发份等技术指标。

优化研磨工艺：确保炭黑的研磨细度达到要求，一般需砂磨4遍以上，以充分发挥炭黑的性能。

调整配方：检查配方中其他成分的比例和种类，确保与炭黑相容性良好。同时，检查助剂的用量和品种是否合适。

四、炭黑存储和运输问题

故障现象：

炭黑在存储和运输过程中出现受潮、结块、污染等问题。

排除方法：

改善存储环境：确保炭黑存储在阴凉、干燥、通风良好的仓库中，避免高温、潮湿和阳光直射。

优化包装方式：采用防潮、防尘的包装材料，确保炭黑在存储和运输过程中不受外界环境影响。

加强运输管理：在运输过程中，注意防潮、防晒和防火。同时，避免炭黑与其他货物混载，防止发生化学反应或物理损伤。