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炭黑基礎(chǔ)知識(shí)

作者：小曉日期： 2024-11-27 點(diǎn)擊量：文字大小：大中小

炭黑基礎(chǔ)知識(shí)

據(jù)記載，我國是世界上最早生產(chǎn)炭黑的國家之一。古時(shí)，人們焚燒動(dòng)植物油和松枝，收集火煙凝結(jié)的黑灰，用來配制墨汁和黑色顏料，這種被稱為“炱”的黑灰就是最早的炭黑。1821年，在北美人們首次以天然氣為原料來生產(chǎn)炭黑，從此炭黑不再是“炱”那么簡(jiǎn)單，而是氣態(tài)或液態(tài)碳?xì)浠衔镌诳諝獠蛔愕臈l件下，經(jīng)過不完全燃燒或熱裂解分解產(chǎn)生的無定形碳，是一種疏松、輕質(zhì)、極細(xì)的黑色粉末。隨著人們對(duì)大片油氣田陸續(xù)開采，原料的源源不斷的供應(yīng)，推動(dòng)炭黑生產(chǎn)從手工操作進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)代。

1912年，人們發(fā)現(xiàn)炭黑對(duì)橡膠有補(bǔ)強(qiáng)作用，從此炭黑逐漸成為橡膠工業(yè)不可或缺的原料。世界橡膠工業(yè)原料消耗量中，生膠居第一位，炭黑位居第二位，也就是說炭黑已經(jīng)成為橡膠最大的配合劑。炭黑的消耗量一般占橡膠消耗量的40%~50%，在橡膠配方中，通常每?jī)煞菹鹉z就要使用一份炭黑。

一、結(jié)構(gòu)

炭黑的結(jié)構(gòu)是以炭黑粒子間聚成鏈狀或葡萄狀的程度來表示的，由聚集體的大小和形態(tài)以及每種聚集體中的顆粒數(shù)組成，稱為高結(jié)構(gòu)炭黑。吸油值常用來表示結(jié)構(gòu)，吸油值越大，炭黑的結(jié)構(gòu)越高，易形成空間網(wǎng)絡(luò)通道，不易被破壞。高結(jié)構(gòu)炭黑顆粒細(xì)、網(wǎng)鏈密、比表面積大、單位質(zhì)量顆粒多，有利于在聚合物中形成鏈狀導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其中乙炔炭黑是眾多炭黑品種中的佼佼者。寬粒徑分布的炭黑顆粒比窄粒徑分布的炭黑顆粒更能賦予聚合物導(dǎo)電性能，并用統(tǒng)計(jì)方法解釋了這一現(xiàn)象，對(duì)于粒徑分布較寬的炭黑，少量的大直徑顆粒需要由大量較小顆粒來補(bǔ)償，相同平均粒徑分布的炭黑比粒徑分布較窄的炭黑總顆粒更多。

二、形態(tài)

炭黑是由碳組成的，但通常被歸類為無機(jī)顏料。炭黑是烴類在氣相中不完全燃燒或熱裂解形成的黑色粉狀物質(zhì)，由于生產(chǎn)工藝不同，通過不同的工藝條件可以得到各種性能不同的產(chǎn)品。

1、炭黑微觀結(jié)構(gòu)

炭黑顆粒具有微晶結(jié)構(gòu)，在炭黑中碳原子的排列類似石墨，形成六角形平面，通常3~5個(gè)這樣的層形成一個(gè)微晶。由于炭黑微晶各石墨層中碳原子排列有序，相鄰層間碳原子排列無序，故又稱準(zhǔn)石墨晶體。

2、炭黑粒徑

顏料炭黑的顆粒細(xì)度可低至5納米，一般來說炭黑顆粒不是孤立存在的，而是多個(gè)顆粒通過碳晶層相互穿插形成鏈狀支路，通過不同的生產(chǎn)工藝可以得到粒徑范圍較廣的炭黑顆粒，燈黑產(chǎn)工藝得到的產(chǎn)品相對(duì)粗糙，而氣體黑產(chǎn)工藝得到的產(chǎn)品精細(xì)。爐黑生產(chǎn)工藝可以獲得幾乎所有粒徑范圍的炭黑，同一品種炭黑的粒徑并不完全相同，會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)粒徑分布的范圍。一般來說，顆粒較細(xì)的品種，其粒徑分布較窄。

三、主要化學(xué)性質(zhì)

炭黑的生產(chǎn)工藝不同，會(huì)導(dǎo)致其表面化學(xué)性質(zhì)不同。大多數(shù)炭黑的真實(shí)比表面積大于由粒徑計(jì)算的幾何比表面積，這是因?yàn)樘亢诒砻嬗泻芏辔⒖?，尤其是粒徑小?5nm的炭黑。據(jù)分析，炭黑表面可檢測(cè)到苯酚基、醌基、羧基等基團(tuán)，而這些酸性基團(tuán)在氣體黑和氧化爐黑表面的濃度特別高。在爐黑中可以檢測(cè)到吡喃酮結(jié)構(gòu)，它決定了爐黑的堿性性質(zhì)，揮發(fā)分含量可以判斷表面官能團(tuán)的濃度，也可以測(cè)量炭黑的極性。此外，由于炭黑比表面積大，在揮發(fā)性環(huán)境中容易吸濕，因此在炭黑的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過程中要特別注意防潮。

電粒子接觸的幾何學(xué)研究認(rèn)為，炭黑填充量越大，分散的炭黑顆?；蛱亢陬w粒聚集體的密度越大，顆粒間的平均距離越小，相互接觸的概率越高，炭黑顆?；蛱亢陬w粒聚集體形成的導(dǎo)電路徑越多。不同極性聚合物與炭黑組成的共混體系極性越大，炭黑的臨界體積分?jǐn)?shù)越大，意味著共混體系的電導(dǎo)率降低。由于炭黑表面含有強(qiáng)極性基團(tuán)，基體極化，功能增強(qiáng)，但強(qiáng)度增加，導(dǎo)電粒子卻受阻，導(dǎo)致自凝集，導(dǎo)致導(dǎo)電性差。但在多元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，炭黑填充炭黑會(huì)產(chǎn)生偏析。此時(shí)電導(dǎo)率取決于偏析相中炭黑顆粒的濃度和分布，也取決于偏析相中聚合物的比例。

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