碳黑

　　碳黑(carbon black)，又名炭黑，是一種無定形碳。輕、松而極細的黑色粉末，表面積非常大，范圍從10~3000m2/g，是含碳物質(煤、天然氣、重油、燃料油等)在空氣不足的條件下經(jīng)不完全燃燒或受熱分解而得的產(chǎn)物。比重1.8-2.1。由天然氣制成的稱“氣黑”，由油類制成的稱“燈黑”，由乙炔制成的稱“乙炔黑”。此外還有“槽黑”、“爐黑”。按炭黑性能區(qū)分有“補強炭黑”、“導電炭黑”、“耐磨炭黑”等?？勺骱谏玖?，用于制造中國墨、油墨、油漆等，也用于做橡膠的補強劑。

　　碳黑化學性質

　　炭黑的生產(chǎn)工藝不同，則表面的化學性能也有差別。大多數(shù)炭黑的真實表面積大于由粒徑計算出的幾何表面積。這是由于炭黑特別是粒徑小于25nm的炭黑表面存在許多微孔。

　　據(jù)分析，可在炭黑表面檢測如酚基、醌基、羧基等基團，這些酸性基團濃度在氣黑和氧化爐黑的表面特別高。在爐黑中可檢測到吡喃酮結構，這種結構決定了爐黑的堿性性質。揮發(fā)份含量可判斷表面官能團的濃度，也可測得炭黑的極性。另外由于炭黑的表面積較大，容易吸附揮發(fā)份環(huán)境中的水分，所以炭黑在運輸，貯存及使用過程中要特別注意吸濕問題。

　　大部分都是探討導電粒子接觸的幾何學研究。該理論認為，炭黑填充量越大，處于分散狀態(tài)的炭黑粒子或炭黑粒子集合體的密度也越大，粒子間的平均距離越小，相互接觸的幾率越高，炭黑粒子或炭黑粒子集合體形成的導電通路也越多。

　　不同極性的高聚物與炭黑組成共混體系的極性越大，炭黑臨界體積分數(shù)就越大，意味著體系的導電性下降，因為炭黑表面含有很強的極性基團，基體極性大，作用增強，這時強度增加，卻妨礙導電粒子自身的凝集，以致導電性差。但是在多組分基體樹脂與炭黑組成的共混體系中，由于不同基體的極性不同，填充炭黑會產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，這時導電性能取決于炭黑粒子在偏析相中的濃度和分布狀態(tài)，還取決于偏析相高聚物所占比例。

　　碳黑黑度

　　黑度是指炭黑所具有的黑色呈現(xiàn)強度。炭黑作著色時，黑度主要基于對光的吸收，對于特定濃度的炭黑，炭黑越細小，則光吸收程度越高。黑度除了受炭黑內(nèi)部的光吸收外，也受由于粒子表面幾何機構的影響而產(chǎn)生了具有增亮效應的光散射，這會降低黑度。隨著粒徑的減小，光散射程度降低。只有對于很細的炭黑，提高炭黑的濃度才能提高黑度，對于粗大的炭黑，具支配因素的光散射程度因炭黑數(shù)增加而提高，黑度反而相應降低。

　　碳黑著色強度

　　著色強度可以理解為抵消白色顏料增白能力的效果。著色強度也是隨著原生粒子的粒徑減小和結構的減小而提高。

　　碳黑色調(diào)

　　“炭黑粒子”的光散射程度，隨著粒徑的減小而降低，除了影響增光效應，也影響色調(diào)，原因如下：　當可將光穿過一主色為黑色的著色層時，短波的藍光比長波的紅光的散射效應更強烈。炭黑越細，這種效應越顯著。紅光成分由于散射損失較小，因此進入著色層的深度大一些。藍光總體散射強烈，在相反方向，即后方的散射也強烈，于是又從著色層中反射出來。當觀察反射過程時，經(jīng)細炭黑著色的出現(xiàn)藍色色調(diào)，會給人黑度更高的感覺。

　　如果炭黑粗大，則相應地呈現(xiàn)棕色色調(diào)。當觀察透射過程時，相同的著色層(不完全透明的薄膜)的色調(diào)關系正好相反，隨著粒徑的減小，散射較強的藍光穿過著色層的深度較小，即藍光穿過著色層至另一面成分較少，從另一面穿出來。因此，由于在觀察的那一面缺少藍光成分，著色層在透射過程中觀察時，便呈現(xiàn)棕色色調(diào)。

　　當以鈦白粉調(diào)灰(灰色色調(diào))時的情形，與在透射過程中觀察主色的著色狀況相似，光線在含有黑色顏料塑料片中的白顏料中來回散射，越小粒徑的炭黑，會使可見光內(nèi)藍光的散射越強，因此較多其余的紅光部分便透射過來，呈現(xiàn)出帶黃色色調(diào)的灰色，相反地，如著色時用粗粒徑的炭黑，尤其是較為粗大的燈黑，則會得到帶藍色色調(diào)的灰色。

　　碳黑分散性

　　顏料黑越細，炭黑聚集體之間接觸點便越多，結果它們之間內(nèi)聚力越強，當把顏料黑摻入料，即開始進行始炭黑均勻分布時，則對分散要作的功便大，以把炭黑粒子分隔開來，最終達到最高的黑度和著色。與高結構炭黑相比，低結構炭黑較有可能達到高的濃度，但在分散過程中卻因此需要較大分散力。炭黑的分散性能受結構程度的影響，由于高結構炭黑具有良好的分散性能，所以其著色強度也就自然較強。

　　在使用粉狀炭黑時，會出現(xiàn)分散及令人頭疼的灰塵問題，因此，可使用母?；驖{狀物。

　　預制炭黑的價格要比單純使用顏料黑要高，但若考慮到清潔的工序、高的效率及技術投資少的優(yōu)點，炭黑制劑是有其價值的。

　　碳黑光穩(wěn)定性

　　光會使塑料老化，尤其是陽光中的紫外線會加速塑料的老化。在配合運用有機紫外光吸收劑和抗氧化劑可使壽命延長。然而顏料黑仍然被認為是最好的紫外線穩(wěn)定劑。

　　顏料黑作為紫外光吸收劑，主要用作延長塑料制品在戶外使用壽命。

　　濃度為0.5%的小粒徑炭黑(20 nm)與2%的相對粗粒徑的炭黑(95 nm)差不多具有同樣的光保護作用。

　　食品接觸

　　所有涉及到食品衛(wèi)生法規(guī)定的日用品的著色顏料，包括顏料必須符合規(guī)定的純凈標準。首先，這些標準規(guī)定了一般顏料它的重金屬的含量，其組分在0.1N鹽酸中的溶解度(和胃液的酸度一樣)，以及規(guī)定芳香氨的含量。而后，特別制定了關于炭黑的純凈標準，而這一標準因國家而不同。

　　碳黑分類

　　按生產(chǎn)：主要分為燈黑、氣黑、爐黑和槽黑。

　　按用途：炭黑按用途不同，通常分為色素用炭黑、橡膠用炭黑、導電碳黑和專用碳黑。

　　色素用炭黑—國際上，根據(jù)炭黑的著色能力，通常分為三類，即高色素炭黑，中色素炭黑和低色素炭黑。這種分類通常用三個英文字母表示，前兩個字母表示炭黑的著色能力，最后一個字母表示生產(chǎn)方法。

　　橡膠用炭黑—橡膠用炭黑原來是按粒徑大小來分類的，但后來改為按氮表面積分類。

　　按功能：主要分為補強碳黑、著色碳黑、導電碳黑等。

　　按型號：主要分為N220、N330、N550、N660、N990、N110、N115、N234、N326、N339、N375、N539、N550、N880等。

　　碳黑生產(chǎn)工藝

　　生產(chǎn)顏料炭黑的原料是石油產(chǎn)品和瀝青煤焦油產(chǎn)品。通過烴類在高溫下不完全燃燒或熱解而成。

　　1)燈黑生產(chǎn)工藝

　　歷史上最早的炭黑生產(chǎn)法是燈黑生產(chǎn)工藝，在該工藝過程中，原料在直徑大至1.5 m的平坦的燃燒鐵盤上燃燒，含有炭黑的燃燒氣體由內(nèi)鋪有磚塊的排氣罩收集，然后通過彎管(彎折1/4)和通火管到達沉積的裝置。

　　為了控制所產(chǎn)炭黑的特性，應當保證在燃燒盤和排氣罩之間的間隙附近，原料主要作不完全燃燒。而在稍進管道里面，燃燒在氧氣不足下發(fā)生熱烈解，因而形成較大的炭黑顆粒，由于這些原因，組成較寬范圍的粒徑分布，主要特征為顆粒粗大。由于在燃燒盤和排氣罩間隙間形成的顆粒只有小部分能與空氣中的氧份接觸，因此這些炭黑只有少量的表面氧化物，相應的pH值呈中性，并且揮發(fā)份極少。

　　2) 氣黑的生產(chǎn)工藝

　　氣黑此名稱源于其生產(chǎn)過程：原料烴加熱時先氣化，然后由可自燃的氣體(供以能量)作為載體帶到燃燒器內(nèi)，炭黑在這些蝙蝠形的燃燒器所發(fā)出的大量扇形的火焰中生成。由于每束火焰都較小且在空氣中燃燒，炭黑的形成，與燈黑生產(chǎn)工藝很不同(不完全燃燒)。

　　3) 槽黑的生產(chǎn)工藝

　　這種生產(chǎn)工藝以天然氣作原料，槽黑的工藝與氣黑生產(chǎn)工藝的氣體燃燒過程相似，天然氣燃燒，發(fā)出許多扇形火焰，得到的產(chǎn)品與氣黑類似，而不同的是這里采用了平坦的水冷U形槽作為炭黑的沉積槽。由于生態(tài)和經(jīng)濟原因，許多年前就停止了這種方法的使用。而氣黑的生產(chǎn)不會對生態(tài)環(huán)境造成影響，而此氣法炭黑工藝仍在運用。