各类炭黑的工艺特性及相关应用 炭黑是碳元素的一种，以纳米级粒径、无定形碳形式存在，是有机物（天然气、重油、燃料油等）在空气不足的条件下经不燃烧或热分解而得的产物。炭黑是人类开发、应用和目前产量的纳米材料，被国际化学品领域列为二十五种基本化工产品及精细化工产品之一。中国产业信息网发布的《2014-2019年中国炭黑行业运营态势与投资前景评估分析报告》显示，炭黑工业对汽车产业、新能源产业以及提高民用生活产品质量等方面具有非常重要的意义。 炭黑结构性能变化图 炭黑的主要成分是碳，其基本粒子尺寸在10-100nm 之间，因此具有良好的橡胶补强、着色、导电或抗静电以及紫外线吸收功能。炭黑作为一种功能材料，能够赋予其他材料或制品一些特殊的使用性能，在许多领域中有着不可替代的作用。炭黑在粘度、着色力、分散性、光泽度及导电性等方面的性能会随着其结构的变化而有所变化，从而适用于不同的需求及环境。炭黑是橡胶补强填充剂，是仅次于生胶的第二位橡胶原材料，同时炭黑可作为着色剂、紫外光屏蔽剂、抗静电剂或导电剂，广泛应用于塑料、化纤、油墨、涂料、电子元器件、皮革化工和干电池等很多行业，炭黑作为高纯碳材料还可以用于冶金及碳素材料行业中。 1、炭黑的分类 炭黑按主要用途分类可分为橡胶用炭黑、导电炭黑和色素炭黑等。 （1）橡胶用炭黑 橡胶用炭黑按造粒方式分类，可分为干法造粒炭黑与湿法造粒炭黑两类。干法造粒是采用干法造粒机对炭黑进行造粒，粉状炭黑在滚动中，利用分子间力的作用形成球状颗粒。这种粒子的硬度低，单个粒子的平均硬度一般在15克以下。包装和运输后粒子的破损较为严重，细粉含量平均为15-20%。湿法造粒是把粉状炭黑和适量的水及粘结剂在造粒机中混合、搅拌形成球形状颗粒，再经干燥除去水分得到最终的颗粒状产品。湿法造粒的炭黑，单个粒子的平均硬度一般在35 克以上，使得炭黑粒子在运输过程的破损大幅度减少，使用前可以保持炭黑细粉含量在7%以下，有效地解决了炭黑使用过程中粉尘对环境的污染。 湿法造粒炭黑具有密度高、强度大、便于储存运输、环境污染小的特点，符合我国炭黑生产新工艺化、生产装置环保化的发展要求。湿法造粒的炭黑粒子在混炼胶中的分散性好，可满足大型炼胶装置如子午线轮胎生产线的投料需求。 按炭黑填充轮胎胶料的性能分类，炭黑可分成硬质炭黑和软质炭黑两大类。硬质炭黑又称胎面炭黑，炭黑原生粒子的粒径一般为15nm 到45nm 之间，它们可以和橡胶分子形成有效的化学键，能显著提高胎面胶的强度、抗撕裂性能和耐磨性能，多用于轮胎的胎面胶。按照ASTM 的分类方法，N100（包括N115 等）、N200（包括N220、N234 等）、N300（包括N326、N375、N339 等）系列为硬质炭黑。软质炭黑又称胎体炭黑，在橡胶中的补强效果较差，在很大程度上起填充作用，多用于轮胎的胎侧胶和内胎胶，炭黑原生粒子的粒径一般为45nm 以上，可达100nm 以上，能显著改善胶料的粘弹性、耐曲绕性并能起到填充作用。按照ASTM 的分类方法，N500（包括N539、N550 等）、N600（包括N650、N660 等）、N700（包括N762、N774 等）系列为软质炭黑。 （2）导电炭黑 导电炭黑是一种高性能炭黑，可以赋予材料更好的强度、韧性等技术指标，具有低电阻或高电阻性能，可赋予制品导电或防静电作用。其特点为粒径小，比表面积大且粗糙，结构高，表面洁净(化合物少)等。导电炭黑加入绝缘聚合物（塑料、橡胶）形成的导电网络临界浓度比一般炭黑大的多，电阻系数比一般炭黑小的多。导电炭黑的加入，使原本为绝缘物的塑料、橡胶体积电阻率显著下降。 导电炭黑是半导体材料，具有较低的电阻率，能够使橡胶或塑料具有一定的导电性能，用于不同的导电或抗静电制品，导电炭黑主要用于电力电缆屏蔽材料，如图所示： 高压电缆剖面图 导电炭黑还应用在导电橡胶、塑料制品等领域，可以做干电池的原材料，在航空航天、工、电动汽车、无线通讯、消费电子等领域具有广阔的应用前景。 （3）色素炭黑 色素炭黑是着色颜料用炭黑,按着色强度(或黑度)和粒子大小一般分为高色素炭黑、中色素炭黑、普通色素炭黑和低色素炭黑四种,主要由接触法和油炉法生产。色素炭黑的黑度直接与炭黑的粒径相关，粒径越小，其表面积愈大，炭黑的黑度越高。色素炭黑主要用于油墨、油漆等行业。 2、炭黑的制造方法 炭黑制造方法按照炭黑生成方式分为不燃烧法和热裂解法。不燃烧法是在有氧参与的条件下，将烃类化合物进行热裂解的方法，其中油炉法是最主要的制造方法。热裂解法是在无氧的条件下进行的，采用这种制造方法生产的炭黑产量仅占总产量的1%左右。不燃烧法又可以分为在密封的湍流系统中和开放的扩散火焰系统中生成炭黑，然后再细分为若干小类。 炭黑制造方法分类表 化工过程 制造方法 主要原料 不燃烧法 密闭的湍流系统 油炉法 芳烃重油（乙烯焦油、煤焦油镏出物） 气炉法 天然气、煤层气 打烟法 芳烃重油 开放的扩散火焰系统 槽法 天然气 滚筒法 芳烃重油、载体气（焦炉煤气等） 混气法 芳烃重油、载体气（焦炉煤气等） 热裂解法 不连续 热裂法 天然气 连续 乙炔法 乙炔 连续（研究开发中） 等离子体法 烃类化合物（固、液、气均可） 废轮胎热裂解炭黑 热裂解法 废轮胎 3、炭黑的用途 炭黑是一种重要的化工原材料，和人们的生活密切相关，被广泛运用在多个领域。在这些用途中，用量的是橡胶用炭黑。橡胶用炭黑约占炭黑总量的89.5%，橡胶用炭黑中又以轮胎用炭黑用量，约占橡胶用炭黑的67.5%；非橡胶用炭黑约占10.5%。 炭黑用途分类图 炭黑产品广泛用于以下行业： （1）橡胶工业 炭黑是橡胶制品的重要补强剂和填充剂。橡胶工业没有炭黑工业辅助配合，是不可能发展的；反之，炭黑工业没有橡胶工业的支撑，也不可能得到迅速的发展。在橡胶用炭黑中，炭黑被用来制造各种类型的轮胎，如汽车轮胎、拖拉机轮胎、飞机轮胎、力车胎等，其余被用来制造其他橡胶制品，如胶管、胶带、胶鞋等。炭黑在橡胶中的用量约为生胶用量的35-50％。 （2）塑料工业 塑料用炭黑在非橡胶应用领域里占很大的比重。它不仅可以着色或调色，还可起到防止紫外线老化、抗静电或导电等作用。在使用上，为使炭黑在塑料中具有良好的分散性，通常是把炭黑预先分散在某种介质之中，再与适当配比的塑料进行稀释。 塑料是一种绝缘材料，这是由于其优异的介电性能所致。在一般情况下，要使电流通过含炭黑复合塑料，电子必须通过炭黑而传导。为此，正确选择炭黑品种和添加量，是塑料具有一定导电性的关键。导电炭黑在塑料中均匀分散时，其添加量在10-35％之间。炭黑的分散性与添加方法对塑料导电性能影响很大，而且大量填充炭黑，往往使塑料制品的机械性能变坏。因此，导电塑料中炭黑，常选用导电性能优良的炭黑品种，力求在较低添加量下获得较好的导电效果。 （3）油墨工业 炭黑是黑色油墨的主要颜料。印刷油墨大多使用优质的色素炭黑，炭黑的基本性质（粒径大小、结构性和表面性质）在很大程度上影响着油墨的质量和印刷品的质量。印刷油墨对炭黑的要求主要是黑度、色相、流相度、粘度、干燥性和触变性等。现代的油墨种类很多，用途很广，其中新闻油墨用炭黑占全部油墨用炭黑的70％左右，新闻油墨的炭黑含量为11-13％。 （4）涂料工业 炭黑具有对化学物质、光、热的稳定性，这是其他黑色无机颜料和有机染料的。炭黑加入涂料中，其反射小，黑度高，着色力强。炭黑的基本性能直接影响涂料的黑度、流变性和光泽等性能。炭黑表面活性增加时，黑度增加，粘度降低，分散性增加，光泽也提高。这相当于加入一种有效的润滑剂或分散剂，降低了炭黑被漆料润滑的界面阻力，帮助漆料渗透到炭黑粒子中去。 （5）其他领域 除上述应用范围外，炭黑还用于干电池、电碳制品、电器及电子元件、硬质合金、高纯石墨、印染、感光胶片、、通信、水泥、铸造、皮革等多个方面，在这些领域中，炭黑起到了至关重要的作用。

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