炭黑的制备及应用

摘要

炭黑是通过不完全燃烧或热解而得到的烃类（如煤炭、天然气、原油等）。

它的主体成分是碳，外表以黑色为主。在显微镜下，胶体粒子和几乎呈球状，观察这些物质的出现就象是某种凝胶状的高分子。相同的高分子材料，其初始颗粒的大小基本相同，而原始颗粒的大部分内部结构是平行的，稀薄的。注意：碳黑的初始颗粒大小及大小与碳黑的种类有直接关系。

在单一的颗粒群中，颗粒的大小基本相同。炭黑是一种轻质、松散、细小的黑色粉末。炭黑可以提高橡胶的强度，而利用橡胶来制造碳黑，是橡胶制品行业中的重要原料。在橡胶工业中，原料消耗最大，其次是天然橡胶，其次是碳黑。碳黑是橡胶中最大比例的一种。本文重点介绍了我国炭黑的成熟生产技术及其在我国的发展状况；通过实例阐述了橡胶炭黑对轮胎配方的影响；分析了胶料对炭黑的填充性和增强作用，并结合实际情况，说明了在不同的性质和经济效益下，炭黑的选用；采用标准测试法及仪器测试数据，对炭黑进行了分散性、着色强度、破碎强度、吸油值、比表面积、物理性能等方面的分析。综述了炭黑的生产应用新动向。

　关键词：炭黑,发展现状制备工艺,炭黑命名,橡胶配方,炭黑性能检验,发展趋势

第1章前言

炭黑是我国主要的化工原料，而碳黑在橡胶工业中也是一种主要的补强剂和填充剂，在橡胶原料中的使用量居世界第二，仅次于天然橡胶。提高生产效率，降低成本，追求更高的经济效益，是研究炭黑的制备和应用的基本目标。根据国际上相关的数据，碳黑在全球消费中占据了90%以上，轮胎和其他非橡胶产品的使用率分别为66%、95.5%和12%的非橡胶产品和碳黑。其余产品的用途包括：碳油墨和颜料涂料，塑料制品着色，新能源电池填料，电子应用和印刷工业。可以说，炭黑的品质所占比例对橡胶、轮胎的使用有很大的影响。不同的炭黑搭配生胶，可以更好地满足不同用途的实际需要，不同的炭黑对炭黑的特性有不同的要求。近年来，为满足各种需要，炭黑和非橡胶炭黑（亦称特种炭黑或特种炭黑）已发展出数十种，而炭黑的新品种也在不断研发中。在中国，炭黑是全国排名前100的主要化学原料。

炭黑的用途是随着社会的发展和技术的不断革新，我们需要对炭黑的生产和使用有一个全面的认识和掌握。综合运用最先进的科学理论与技术。本文旨在在实际应用中，结合生产工艺条件，为炭黑的生产应用、科研设计等提供借鉴。

　第2章炭黑简介

　　2.1炭黑发展史及国内现状

中国古代的时候，中国就用炭黑做墨汁，而国外的炭黑则是从其他国家的商人和使节带到了其他国家，他们把自己的经验传授给了希腊和罗马，最终传到了欧洲。

1912年，英国人莫特把炭黑添加到橡胶中，经过实验和实验，证实了在天然橡胶中添加炭黑有很好的增强效果，于是炭黑的需求量就有了改变。20世纪20年代，热裂法和气炉炭黑问世，这种技术可以降低橡胶的模量，减少汽车轮胎的热量，降低汽车轮胎的强度，减少汽车轮胎的补强性，炭黑被大量的应用到轮胎的制造中。

中国在建立具有中国特色的社会主义社会体系时，在国内进行了改革，从国外引进了先进的技术，经过不断的研究，我国的炭黑种类越来越多，质量越来越好，能源消耗越来越少，环保也越来越受到新技术的青睐。这表明，我国与国外技术的差距正在真正缩小。2005年，我国对橡胶用碳黑的需求增加了16%，对碳黑的需求量增加了149万吨，而今年的进口则增加了10万吨。2005年，全国煤炭出口达到10万吨，进口和出口基本持平，说明了我国的煤炭市场正逐渐从国内走向国际。

　2.2什么是炭黑的定义

“炭黑”这个词其实是一种普通的名称，它包含了不同用途的碳黑制品。炭黑是由大量的烃类成分（固态、液态或气态）通过不充分的燃烧或断裂而生成。一般是指一种由碳黑、热解碳黑和灯烟黑组成的工业产物。它的大部分成分是碳，而其它的产物则是类似石墨的，而且是同心的。其粒子为球状胶质粒子，其中大部分为熔化而成。因为很多碳氢化合物（固体、液体或气体）都是由不完全燃烧或裂化而生产的，因此，这一术语就是将碳黑产品的总称包含在不同用途中。每种碳黑的产物都有其不同的物理和化学性能，这与炭黑的工业原料，燃烧和裂化工艺，生产方法和操作条件有着很大的关系。

　2.3炭黑的生产方式

在反应器内，含有氢气的混合物未充分燃烧的称为炉法；使燃气与沟槽接触的方式被称为沟槽工艺；用乙炔热分解法制备的碳黑是一种特殊的热裂解炭黑；用打开的碟子里的烃类来制作灯黑色。按照炭黑的定义，碳黑是从理论上来说的。把燃烧条件设定在真空或高温的惰性气体中，实际上，具有类似于石墨晶体的排列顺序的微晶粒子，即石墨型碳黑。在碳原子形成的过程中，纳米颗粒的显微组织和碳元素的形成是非常有意义的。

“白炭黑”，也就是二氧化硅（SiO)，具有增强和填充天然胶的性能，除了颜色不同之外，其形状和其它碳黑一样，都是白色的，我们习惯上叫”白炭黑”，它的主要成份是二氧化硅，与一般的碳黑的组成不同。

2.4炭黑分类及命名方式

一般来说炭黑都是以按制造方法分类，其他情况下也可以按应用方式或性质分类。

2.4.1按制造方法分类

用两种方式将炭黑分类，最常见的是不完全燃烧和热分解。见表2-1。

表2-1按制造方法分类

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1.接触法

原材料燃烧过程中将火焰与温度较低的收集器（如：钢材、大理石）产生接触，裂解产生的炭黑冷却并附着在到收集器表面，然后通过一定的方式将其收集。

2.气炉法

将气态碳氢化合物，液态碳氢化合物，或气态碳氢化合物，以及液体作为原料，加入适当的可燃气体，在反应器中进行高温燃烧，使其分解，生成的烟雾为悬浮的炭黑，经反应后冷却，回收。

3.热解法

指在空气隔离（即燃烧存储）的情况下，天然气或乙炔气在预热反应器中的间歇运行热和热分解阶段）或连续（单次热分解）热裂化是一种生产炭黑的方法。

　2.4.2按用途和使用特点分类

根据用途，可分为两大类：橡胶和其它（或特种碳黑，特种碳黑）。非橡胶用炭黑是一种常见的碳黑，导电碳黑，塑料碳黑。和其它各类特殊用途的碳黑。

1.橡胶用炭黑

在选择在橡胶制品加工过程中中添加加入一定适量数量的炭黑,可以起到很好填充和补强作用,用以改善橡胶制品的性能会因此得到改善,譬如变得更耐腐蚀、耐磨、塑性好。在通常橡胶工业加工中,为了表示炭黑对橡胶的补强效果,可以将炭黑分为硬质炭黑和软质炭黑。硬质炭黑对橡胶补强作用大,用来改善性能。而软质炭黑较小,在很大程度上起到主要起填充作用,用来节约生产成本。

2.非橡胶用炭黑

颜料炭黑:根据中国国家标准，各种颜料炭黑可根据其粒径范围分为三类：高色素、中色素和普通色素。

导电炭黑：炭黑可以调整某些材料高阻或低阻的导电性能，这部分不同的制品如填充电池、橡胶导电、绝缘电缆外皮、某些电子元器件等。

塑料用炭黑：炭黑可以赋予塑料制品不同的着色，也可以做改善屏蔽紫外线剂和减少静电的产生。

其他专用炭黑：根据特殊使用要求来生产的特定用途的炭黑，如打印机用碳粉、黑色农膜炭黑等……

2.4.3炭黑品种命名方式

碳黑的四个字组合，以英文“N”和“S”为起始，说明炭黑在标准胶中的作用。“N”是气炉碳黑的正常硫化率，没有特别地对橡胶的硫化速率进行调整。“S”表示硫化速度较慢，适合于槽型或炉型炭黑，其目的是为了减少橡胶的硫化率。

(2)第二个特性是一个数字，它代表碳黑的表面，用氮吸附法测量。如表2-2所示，将这些表面分为10个级别。

(3)第三和第四字符是阿拉伯数字，可以随意地指定。（代表着什么？）比如：生产序列号，等等。

表2-2炭黑分组

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第3章橡胶用炭黑.

　　3.1常见的橡胶用炭黑

目前已正式列入中国国家国家标准的主要产品有：橡胶炭黑、色素炭黑、乙炔炭黑。

我国中国国家标准是参照ASTM D1765:2005ae1(ASTM D1765:2005ae1）《橡胶用炭黑标准分类系统》为依据，根据橡胶胶料的硫化速率、颗粒尺寸、结构等因素，制定了中国国家标准。根据我国现有的3个保护品种，将其分为10大类46个品种（参见GB/T3778-2011)，其分类如下：

1)Nl0O系列；2)N200,S200系列；3)N300系列、S300系列、N500系列、N6OO系列、6)N700系列、7)N900系列；8)半增强型的天然气、9）喷漆式碳黑、10）混合式碳黑；

　3.2炭黑品种的选择

之前提到过，碳黑在橡胶加工中起重要的作用，主要是做增强和填充。据了解，碳黑中大约75%的碳黑被用来生产不同的轮胎。在原料配方中，其用量约为原料胶量的37%至52%，一份天然生胶就能与一份炭黑相媲美。科学研究表明，碳黑对胶粘剂的增强性起到了增强的作用，并且对合成橡胶的增强效果也有明显的影响。主要体现在轮胎表面的耐磨性、耐磨性和耐磨性的提高，大大增加了汽车的使用寿命，同时也可以改善橡胶的物理、力学性能，如拉伸和撕裂。进步了。选择碳黑配方时要注意选择合适的碳黑，要根据其使用的环境和选择的橡胶，有针对性地填充不同种类的炭黑。

就像是同样的产品，在不同的地方使用，比如轮胎和路面的摩擦，需要高的抗拉强度，更好的耐磨。优良的抗老化、抗屈曲性能，是设计高续航里程和延长寿命的一个重要参考指标。以丁苯胶、顺丁胶为主要原料的胎面生胶系统，是N300、N200系列的最佳选择。轮胎的侧面在设计时会受到最大的变形，因此必须以优良的强力抗张能力为保证，可以优先选用N300系列。如果对挤压性能有较高的要求，可以选择N550和N660。对帘布带束层胶粘剂，要有很好的伸长性，在运动中抵抗变形，低热，耐弯曲性能也要好，用N660系列填料，可以得到很好的加工效果。内胎对高弹性、低产热、低生热、良好的气密性等性能要求，经常选择N700。在我们对其性能进行考量时，必须谨慎地选用炭黑。

　3.3炭黑用量的影响

在全组分中，碳黑的添加量对硫化橡胶的性质有很大的影响。其中，碳黑的抗磨性、邵氏硬度、伸长率、屈曲强度和耐屈曲性能都是最佳的。所以，在生胶系统的配方设计中，正确地选取填料比是非常关键的。如：硬度、定伸应力、运动生热等指标的变化较大，而弹性、膨胀率、伸长率、耐屈曲率等指标则随碳黑添加量的增加而降低。然而，随着碳黑用量的增大，拉伸、撕裂、耐磨性能等都会出现一个很大的数值。所以，为了某种性能而过度地使用碳黑，而牺牲其它的性能，或者忽略其它的因素，都是不恰当的，所以，应当按照所需的性能，把握主要矛盾，综合其它因素，合理地分配原料的使炭黑的用量，以达到所需的性能。例如，在使用细粒碳黑时，由于其用量小，因此可以增加橡胶的耐磨性。合理地减小充填量，使其不会因过度使用而降低弹性，并维持高的抗挠曲开裂性，并减小运动产生热量，确保其在使用中具有很高的抗磨性。由于实际中碳黑的售价远低于橡胶，所以在综合考虑生产成本时，普遍采用碳黑。若充填量太大，则会对提高硫化性能的设计目标产生不利影响，不但不能提高胶料的性能，还会降低胶料的强度。另外，由于生橡胶的添加量过多，会使胶体中的炭黑分散性能变差，从而导致补强剂的强度下降。由于这两种情况都有了，所以要综合考虑胶料的加工性、滞后性和破坏性能，选择合适的配比。

第4章炭黑产品标准及检测方法

　　4.1炭黑的分散性

炭黑的分布对橡胶的影响很大，因为橡胶中的填料被充分的分散，使新的橡胶切口上的光线变得平整，光滑，无暇。在胶料中，若填料不能充分分散，则会出现环状、凸状“团块”或凹陷状的纹路，在制品中会削弱橡胶与炭黑的交互作用，使其强度下降。《GB/T6030橡胶和炭黑/炭黑评估快速比较法》中的标准对比是以一组分成1至10幅标准图像对橡胶炭黑的分散程度进行分级、定性的评定，其尺寸和数目能够反映出橡胶的实际分散度与最优分散度的差别，从而能够从这些标准图中对填充物的分散性进行评价。中国公司有权根据这一标准研发设备，而不必人工测试其分散程度。10个标准的例子，例如“图4-1”。

图4-1 10副标准图示例

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炭黑着色强度通常以油料中的炭黑和氧化锌组成的浆料反射比测量为依据，主要用来衡量炭黑降低反射光数量的能力。一般来说炭黑初次颗粒的粒度越小，着色强度越高。《GB/T 3780.6一2016炭黑第6部分：着色强度的测定》是以工业着色参比炭黑<ITRB)为基准相比较，使用反射式黑度仪（下列简称黑度仪）测定橡胶用炭黑着色强度的方法。

　4.3炭黑的粒子破碎强度

破碎速率为碳黑在橡胶中的比例。通常，当颗粒尺寸超过125微米时，就叫做颗粒；如果小于125微米，就叫粉状。若炭黑粉的含量太高，则会对胶料的精制品质产生不利的影响。所以，碳黑破碎率愈小愈好。《GB/T14853.6制粒橡胶炭黑第6部分:单颗粒破碎强度的测定标准》中，用试验筛筛出一种粒径的微粒，并在两片可施加作用力的平板间进行测试，以确定破碎时所需要的作用力。从而有效地防止了因加工而产生的微粒破裂，从而影响到生产过程中所产生的损耗。“图4-2”中的碳黑粒子。

图4-2造粒炭黑

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炭黑的最大吸油值测定是《GB/T3780.2-2017炭黑第2部分:吸油值的测定》、《GB/T3780.4-2017炭黑第4部分:压缩试样吸油值的测定》、《GB/T3780.4-2017炭黑第4部分:压缩试样吸油值的测定》的主要内容为“图4-3”。

图4-3炭黑吸油值测定装置

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炭黑比表面积为每单位体积或重量下碳黑的表面积，碳黑比表面积由外、内、外、总表面积组成。比如，碳黑的微粒很平滑，其孔隙的比表面积被称作内比表面积。在一些非多孔的黑色中，其表面的比表面积与总的表面积相等。在多孔炭黑中，其表面的比表面积与孔隙比表面的总和是其表面的比表面积。炭黑的比表面积是一种分散性的指标，表明炭黑的外比表面积不仅对橡胶的强化作用有很大的作用，而且还会对其力学、化学、电学、光学、吸附等性能产生重要影响。《GB/T3780.5炭黑第5部分:测定的比表面积CTAB法》是目前被广泛采用的工业生产方法，其试验结果也是最可靠的，国内外有关标准的研究基本都是基于BET方程建立的，《GB/T3780.5炭黑第5部分:测定的比表面积CTAB法》。

　4.6炭黑的物理性能检测

橡胶的力学性能测试是一种很重要的参数，如GB/T3780.18、GB/T9579、GB/T15339、GB/T528等，都是用来检测橡胶碳黑的，而在常规的方法中，将橡胶的物理性能与产品的使用性能进行了对比。通常，物性试验是一种重要的参考资料，是橡胶产品和轮胎生产厂家的主要资料，因而对其物理特性参数的配方十分重视。

第5章结论

本文的核心内容是碳黑，橡胶工业的主要原料，介绍其发展历史、类型及分类，有助于我们对其有更多的认识。对炭黑的种类作了详尽的说明，并提醒我们在使用炭黑时应注意的问题，让我们从配方设计的观点来认识和把握炭黑的特点。最后，提出了碳黑相关的标准和检验方法，以确保在生产过程中，炭黑的使用状况，满足客户的要求。将炭黑的生产和应用分为三个阶段进行细分、简化，以便更好地理解和应用。

在橡胶工业中，碳黑是最常见的，废弃的轮胎也是可以回收的，这样可以降低环境污染，降低成本，增加企业利润。没有汽车，中国经济的快速发展是必不可少的。随着汽车消费的增长，轮胎的需求量越来越大，如果将这些废弃的轮胎作为废物处理，不仅会对环境造成污染，还会造成“图5-1”中的资源的浪费，而轮胎中的炭黑，则可以回收利用，减轻生产成本，这是一条科学的发展之路。（插图见5-1）

图5-1废旧轮胎

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　参考文献

[1]李炳炎,于宝林,刘敏.炭黑技术讲座第1讲炭黑的分类、命名和制造[J].橡胶工业,2007,54(1):124-127.

[2]丁丽萍.中国炭黑行业2012年经济运行分析及2013年预测[C].中国橡胶年会.2013.

[3]贺国强.《化学化工大辞典》[M].化学工业出版社2003，(1).

[4]沈之芹.科普中国科学百科词条[EB/OL]2018，(6).

[5]赵斌.湿法造粒生产炭黑新技术的开发[J].燃料与化工,2007,38(4):35-37.

[6]姜治云.废旧轮胎利用不可忽视[J].橡塑资源利用,2003(04):16.

[5}晏志科.国内外炭黑及橡胶填料标准的研究下[J].化工标准化与质量监督,1992,000(010):22-25,10.

　致谢

本论文是在老师的悉心指导下完成的。在编写过程中老师在选题、修改等方面提供了大量帮助，另外感谢老师严谨的治学态度，精益求精的工作作风，让我的论文写作更加规范、全面，老师朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。