關(guān)于炭黑，你還有哪些不知道的知識(shí)呢?作為一個(gè)基本的工業(yè)原材料——炭黑身上可是存在著很多的寶藏用途，炭黑的這些用途也給我們生活提供了極大的便利，今天炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)小編就為大家詳細(xì)講講炭黑的補(bǔ)強(qiáng)、炭黑著色、炭黑的導(dǎo)電功能以及炭黑這些功能是如何運(yùn)用于我們生活的方方面面的。
炭黑的主要成分是碳，其基本粒子尺寸在10～100nm之間，因此具有優(yōu)良的橡膠補(bǔ)強(qiáng)、著色、導(dǎo)電或抗靜電以及紫外線吸收功能，是人類最早開發(fā)和應(yīng)用的納米材料。炭黑作為一種功能材料，能夠賦予其他材料或制品一些特殊的使用性能，在許多領(lǐng)域中有著不可替代的作用。炭黑是橡膠補(bǔ)強(qiáng)填充劑，是僅次于生膠的第二位橡膠原材料。炭黑也作為著色劑、紫外光屏蔽劑、抗靜電劑或?qū)щ妱?，廣泛用于塑料、化纖、油墨(包括復(fù)印機(jī)墨粉、噴墨打印墨水等)、涂料、電子元器件、皮革化工和干電池等很多行業(yè)的制品中。炭黑還可用于冶金及碳素材料行業(yè)中，作為高純碳材料。
炭黑是我國最先制造和應(yīng)用的，早在3000年前，就已掌握了燒煙制墨的技術(shù)，但長期停留在手工業(yè)生產(chǎn)方式的階段。1872年在美國首先實(shí)現(xiàn)了槽法炭黑的工業(yè)化生產(chǎn)，20世紀(jì)初，在英國首先發(fā)現(xiàn)了炭黑在橡膠中的補(bǔ)強(qiáng)作用。隨著世界汽車和輪胎工業(yè)的發(fā)展，炭黑工業(yè)也隨之發(fā)展。市場(chǎng)報(bào)告預(yù)測(cè)，到2030年，全球?qū)μ亢诘男枨髮⑸仙撩磕?700萬噸。
一、 炭黑補(bǔ)強(qiáng)功能
1、何為炭黑的補(bǔ)強(qiáng)
炭黑是橡膠工業(yè)的主要原料之一，屬粉體材料。炭黑用量相當(dāng)大，幾乎與橡膠本身用量相當(dāng)。在橡膠加工中又將填料分為補(bǔ)強(qiáng)劑和填充劑。 橡膠的補(bǔ)強(qiáng)是指在橡膠中加入一種物質(zhì)后，能夠提升硫化橡膠的耐磨性、抗撕裂強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、模量、抗溶脹性等性能的行為。凡具有這種作用的物質(zhì)稱為補(bǔ)強(qiáng)劑。 常用補(bǔ)強(qiáng)劑：炭黑、白炭黑、短纖維、無機(jī)納米材料等。
2、橡膠用炭黑
根據(jù)世界范圍的統(tǒng)計(jì)，橡膠用炭黑的消費(fèi)量約占炭黑總量的89.5%，其中輪胎用占67.5%，汽車橡膠制品用占9.5%，其他橡膠制品用占12.5%。非橡膠用炭黑(亦稱專用炭黑或特種炭黑)約占10.5%，其中塑料用占4.5%，油墨用占3.8%，涂料用占0.9%，其他制品用占1.3%。
炭黑是橡膠工業(yè)中最重要的補(bǔ)強(qiáng)性填料，可以毫不夸張的說，沒有炭黑工業(yè)就沒有現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的橡膠工業(yè)。 按炭黑在橡膠中的作用將炭黑分為硬質(zhì)炭黑和軟質(zhì)炭黑。 硬質(zhì)炭黑：粒徑在40nm以下，補(bǔ)強(qiáng)性能高的炭黑，如超耐磨、中超耐磨、高耐磨炭黑等。 軟質(zhì)炭黑：粒徑在40nm以上，補(bǔ)強(qiáng)性低的炭黑，如半補(bǔ)強(qiáng)炭黑、熱裂法炭黑等。
橡膠用炭黑一般按照ASIM-1765-81標(biāo)準(zhǔn)來分類命名。命名系統(tǒng)由四部分組成。第一個(gè)英文字母代表硫化速度，N代表正常硫化速度，S代表緩慢硫化速度。后面跟著三個(gè)數(shù)字，第一個(gè)代表炭黑平均粒徑范圍，共分為0~9個(gè)等級(jí)。第二和第三個(gè)數(shù)字則是由美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)炭黑和術(shù)語的D24.41委員會(huì)指定的，反映不同的結(jié)構(gòu)程度，也就是炭黑大概的高低結(jié)構(gòu)確定的，有一定的任意性。相對(duì)而言，數(shù)字越大，結(jié)構(gòu)越高。 ASIM的炭黑分類命名。
炭黑的補(bǔ)強(qiáng)作用在于它的表面活性而能與橡膠相結(jié)合。橡膠能夠很好地吸附在炭黑表面，潤濕了炭黑。吸附是一種物理過程，即炭黑與橡膠分子之間的吸引力大于橡膠分子間的內(nèi)聚力，即物理吸附。這種結(jié)合力比較弱，還不足以說明主要的補(bǔ)強(qiáng)作用。主要補(bǔ)強(qiáng)作用在于炭黑的不均勻性，有些活性很大的活化點(diǎn)，具有不配對(duì)的電子，能與橡膠起化學(xué)作用。橡膠吸附在炭黑的表面上而有若干個(gè)點(diǎn)與炭黑表面起化學(xué)的結(jié)合，這種作用稱為化學(xué)吸附，化學(xué)吸附要比單純的物理吸附大得多。這種化學(xué)吸附的特點(diǎn)是分子鏈比較容易在炭黑表面上移動(dòng)，但不易和炭黑脫離。這樣，橡膠與炭黑就構(gòu)成了一種能夠滑移的強(qiáng)固的鍵。這種鍵產(chǎn)生了第二個(gè)補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)。第一個(gè)補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)是當(dāng)橡膠受到外力作用而變形時(shí)，分子鏈的滑移及大量的物理吸附作用能夠吸收外力的沖擊，對(duì)外力引起的摩擦或滯后形變起緩沖作用;第二個(gè)效應(yīng)是使應(yīng)力分布均勻。這兩個(gè)效應(yīng)的結(jié)果使橡膠強(qiáng)力增加。抵抗撕裂，同時(shí)又不會(huì)過于損壞橡膠的彈性(即分子鏈的運(yùn)動(dòng))。這是炭黑補(bǔ)強(qiáng)作用的基本原理。
炭黑是橡膠工業(yè)不可缺少的原材料。炭黑約有94%用于橡膠制品，橡膠制品種類繁多，使用條件和性能要求各異，主要產(chǎn)品有膠管、橡膠減震制品、橡膠密封制品、膠輥、導(dǎo)電或防靜電橡膠制品、硬質(zhì)橡膠以及膠鞋等幾大類產(chǎn)品，而每類橡膠制品又根據(jù)用途、使用條件而細(xì)化為若干品種。
炭黑在橡膠制品中作為重要補(bǔ)強(qiáng)劑，它可以改善輪胎的磨耗性能，提高了膠料的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度等。在橡膠用炭黑中，75%左右的炭黑被制造成輪胎，其余的用來制作膠管、膠帶等。
3、炭黑的補(bǔ)強(qiáng)作用機(jī)理
目前，關(guān)于炭黑的增強(qiáng)作用機(jī)理主要有分子鏈滑動(dòng)理論 、結(jié)合膠理論、填料網(wǎng)絡(luò)理論、炭黑表面結(jié)構(gòu)理論以及范得華網(wǎng)絡(luò)理論等。
(1)分子鏈滑動(dòng)理論
分子鏈滑動(dòng)理論認(rèn)為，吸附在炭黑表面的橡膠分子鏈有一定的活動(dòng)能力。當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)，橡膠分子鏈在炭黑粒子表面滑動(dòng)，外力撤銷后，膠料收縮，經(jīng)過長時(shí)間恢復(fù)后，吸附和解析達(dá)到了新的動(dòng)態(tài)平衡，膠料又恢復(fù)或接近于原始狀態(tài) 。
(2)結(jié)合雙層模型膠理論
該理論模型認(rèn)為，吸附在炭黑外圍的結(jié)合膠由里層玻璃化硬層和外層黏性硬層組成，在應(yīng)力逐漸增大的情況下，由于黏性硬層發(fā)生取向，對(duì)模量增大的貢獻(xiàn)很大，由于玻璃化硬層聚合物分子運(yùn)動(dòng)受到限制,對(duì)模量增大沒有發(fā)揮作用。
(3)填料網(wǎng)絡(luò)理論
隨著炭黑配合量的增加，炭黑粒子之間可形成填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對(duì)于形成填料網(wǎng)絡(luò)而言，填料和填料之間、填料和聚合物之間的相互作用及聚集體間的距離是重要的影響因素。
(4)炭黑表面結(jié)構(gòu)理論
該理論認(rèn)為，活性填料的表面是凹凸不平，彈性體的增強(qiáng)受活性填料的表面結(jié)構(gòu)粗糙度和尺寸范圍影響。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于體積效應(yīng)或者填料和聚集體的相互作用有著巨大的影響。
(5)范德華網(wǎng)絡(luò)理論
該理論認(rèn)為在橡膠變形時(shí)，在填料粒子之間的吸溜膠的形變遠(yuǎn)大于宏觀形變，所以填料粒子聚集體可以產(chǎn)生內(nèi)部滑移。橡膠的增強(qiáng)效果與吸留膠的厚度分布有關(guān)，使粒子分開的臨界應(yīng)力是粒子之間的范德華應(yīng)力。
21世紀(jì)以來，由于科技的進(jìn)步，橡膠的性能不斷地被開發(fā)并應(yīng)用，目前橡膠制品已存在于人們生活的方方面面，支持著人們的衣食住行。而橡膠的作用如此巨大，炭黑在其中也扮演了非常重要的角色，可以說是居功至偉。
二 、炭黑的著色作用
講完了炭黑的補(bǔ)強(qiáng)，下面炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)小編接著帶大家了解一下炭黑的另一大作用——著色。大家都知道炭黑是一種很常見的工業(yè)原材料，而且大家對(duì)炭黑也已經(jīng)有了一定的了解，接下來炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)小編就不得不提出一個(gè)新的概念——色素炭黑。
色素炭黑指的是在涂料、油墨、塑料、化纖和皮革化工中作為著色劑使用的色素。
其主要功能是著色中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7044—1993《色素炭黑技術(shù)條件》規(guī)定了色素炭黑的分類和品種名稱及其代號(hào)。一般分為高、中、低色素三類。一般分為高、中、低色素三類。如按其黑度和制造方法則可分為：高色素槽黑(HCC)、高色素爐黑(HCF)、中色素槽黑(MCC)、中色素爐黑(MCF)、普通色素槽黑(RCC)、普通色素爐黑(RCF)和低色素爐黑(LCF)。色素炭黑 color black 在油墨、油漆、涂料等制品中作著色顏料用的炭黑。按著色強(qiáng)度(或黑度)和粒子大小一般分為高色素炭黑、中色素炭黑、普通色素炭黑和低色素炭黑四種。主要由接觸法和油爐法生產(chǎn)。
色素炭黑一般都能較好的給塑料著色，可根據(jù)著色特性或物化性能選用色素炭黑，著色用炭黑的品種的選擇基本上都是隨成品須達(dá)到的黑度而定。用極細(xì)的色素炭黑可以完成黑度要求特別高的著色; PE垃圾袋，塑料袋，電纜材料之類產(chǎn)品只需中等水平黑度，可以用比表面積較低，結(jié)構(gòu)較高的炭黑品種;塑料調(diào)色時(shí)，炭黑稱量和配料時(shí)出現(xiàn)的微小誤差，均會(huì)導(dǎo)致明顯的色差，因此，宜采用粒徑較大，著色力較差的低色素炭黑，這樣炭黑用量可以稍大，稱量誤差相對(duì)小些，并有分散性較好、價(jià)格較低的優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)于灰色塑料，采用細(xì)粒色素炭黑往往呈現(xiàn)棕相灰色，而采用粗粒子色素炭黑可產(chǎn)生藍(lán)相灰色。
與其它有機(jī)顏料相比，炭黑除分散較困難外，其他性能均較好?？茖W(xué)的炭黑配合量，可提供較好的抗靜電或?qū)щ娦浴?/p>
炭黑基本上是無毒的，但較易飛揚(yáng)和污染，故常以色母粒形式供塑料行業(yè)使用，在消除污染的同時(shí)也改善了炭黑在塑料中的分散。
選擇炭黑的基本思路：
使用者在選擇炭黑前首先要考慮的是：你想用炭黑來達(dá)到什么要求?著色、調(diào)色、抗紫外線還是起導(dǎo)電作用。最重要的是一定要和炭黑的專業(yè)技術(shù)工程師進(jìn)行溝通，共同對(duì)物料體系進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià)，選擇比較合適的炭黑品種。通常情況是：
著色用——選擇黑度高、粒徑小的炭黑，但一定要保證炭黑經(jīng)過合理的、完全的分散，否則反而會(huì)背道而馳，達(dá)不到原來要求。
配色用——選擇黑度低、粒徑大、易分散的炭黑。
抗紫外線用——主要用在塑料和橡塑里，選擇中等粒徑、結(jié)構(gòu)稍高些的炭黑，它們的抗紫外線性能最佳。
三 、炭黑的導(dǎo)電作用
炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)小編今天要介紹的炭黑最后一個(gè)功能是導(dǎo)電，沒錯(cuò)，炭黑也是可以導(dǎo)電的，調(diào)皮的男生在小的時(shí)候都一定對(duì)家里的廢舊電池很感興趣，想必大家也都親手拆過，其實(shí)里面也是有炭黑的，而且炭黑對(duì)電池的導(dǎo)電起到了至關(guān)重要的導(dǎo)電作用。
導(dǎo)電炭黑是具有低電阻或高電阻性能的炭黑?？少x予制品導(dǎo)電或防靜電作用。其特點(diǎn)為粒徑小，比表面積大且粗糙，結(jié)構(gòu)高，表面潔凈(化合物少)等特性。
導(dǎo)電炭黑是利用炭黑本身具有的導(dǎo)電性能，高結(jié)構(gòu)性質(zhì)，聚集體不規(guī)則且尺寸非常小納米級(jí)，與其他物料混煉均勻容易等特點(diǎn)，可在絕緣體塑料，橡膠油墨，油漆中形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通路，使絕緣體產(chǎn)品在導(dǎo)電炭黑的作用下具有了導(dǎo)電功能，從而使得絕緣體材料具有防靜電和導(dǎo)電能力。有效的增加產(chǎn)品的使用性能和范圍，如用導(dǎo)電的塑料管材取代了以鋼鐵管道為通道的礦井通風(fēng)管道，利用塑料的耐老化，可導(dǎo)出靜電，操作容易等優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)電碳黑具有粒徑小，結(jié)構(gòu)高，表面純凈，粗糙多空且空心狀等特點(diǎn)，可有效在絕緣體中形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效提高導(dǎo)電性。導(dǎo)電(碳黑)炭黑應(yīng)用于橡膠，塑料，涂料等行業(yè)，可起到良好的防靜電作用，避免電荷積造成放電，影響生產(chǎn)安全。導(dǎo)電炭黑是所有的導(dǎo)電填料中效果好，成本低，不容易引起產(chǎn)品物理性能變壞的產(chǎn)品。
電解焦油制備導(dǎo)電炭黑：
導(dǎo)電炭黑特性
1、比表面積大
比表面積越大，碳黑粒子尺寸越小，單位體積內(nèi)的顆粒就越多，越容易彼此接觸形成網(wǎng)狀通路，因此比表面積越大，導(dǎo)電性就越好。
2、分散性能良好
高結(jié)構(gòu)和柔軟的顆粒外觀，易于加工分散，使材料的電性能/機(jī)械性能得以均衡，終制品外觀光潔流暢。
3、表面化學(xué)特性
在碳黑生產(chǎn)過程中，碳黑表面常形成一些活性含氧基團(tuán)，這些官能團(tuán)的存在影響電子的遷移，會(huì)使導(dǎo)電性下降，可采用PH值來表征該項(xiàng)指標(biāo)，表面官能團(tuán)少的碳黑通常成弱堿性或中性。
4、導(dǎo)電性能優(yōu)異
高結(jié)構(gòu)炭黑，很低的添加量即可達(dá)到優(yōu)異的導(dǎo)電性能，二次破碎后導(dǎo)電性也基本不受影響。
導(dǎo)電炭黑產(chǎn)品具有很大的靈活性，可根據(jù)不同的應(yīng)用需要選擇金屬鍍層、粒子核種類、粒子大小及粒子形狀等以達(dá)到不同的導(dǎo)電及屏蔽要求。
高性能導(dǎo)電炭黑怎么選擇？
導(dǎo)電碳黑是一種特種碳黑，它們必須具備這些基本特性，如比表面積大、捕捉電子的雜質(zhì)少、結(jié)晶度比較好等。
導(dǎo)電碳黑的結(jié)構(gòu)性是表示非常細(xì)的碳黑粒子間聚成鏈狀或葡萄狀的程度，由凝聚體的尺寸、形態(tài)和每一凝集體中粒子數(shù)量所決定;組成聚集體的粒子越多，結(jié)構(gòu)性越高;形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的幾率越大，導(dǎo)電性越好：
由大量支化和交聯(lián)原生粒子構(gòu)成的凝集體組成碳黑稱為“高結(jié)構(gòu)”碳黑。結(jié)構(gòu)性高表示鏈狀或串成葡萄狀的結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá)，容易形成空間網(wǎng)絡(luò)通道，而且不易破壞。
高結(jié)構(gòu)碳黑顆粒細(xì)，網(wǎng)狀鏈堆積緊密，比表面積大，單位質(zhì)量顆粒多，有利于在聚合物中形成鏈?zhǔn)綄?dǎo)電結(jié)構(gòu)。
一般用吸油值(DBP)來表征碳黑的孔隙度，即結(jié)構(gòu)性， 吸油值DBP越大，碳黑結(jié)構(gòu)性越高，導(dǎo)電性越好。
導(dǎo)電炭黑主要應(yīng)用 ：
1.防靜電產(chǎn)品:導(dǎo)電發(fā)泡管，充電輥，靜電消除器，防靜電輸送帶，防靜電膠板，防靜電箱、中空板，防靜電管，醫(yī)用橡膠制品，地毯，復(fù)印機(jī)輥，印刷機(jī)輥， 電子組件包裝薄膜，防爆電纜;還有抗靜電臺(tái)墊，抗靜電鞋底等。
2.導(dǎo)電產(chǎn)品:電纜屏蔽料，面狀發(fā)熱體，導(dǎo)電薄膜，彈性電極，印刷電路，導(dǎo)電涂料，導(dǎo)電油墨、導(dǎo)電纖維，導(dǎo)電皮革制品及粘結(jié)劑。礦用運(yùn)輸帶，礦用塑料管，礦用導(dǎo)風(fēng)筒等。
為什么導(dǎo)電炭黑能夠被廣泛應(yīng)用于電池中？
導(dǎo)電碳黑能夠被廣泛應(yīng)用于電池中，原因有以下幾個(gè)方面：
(1)導(dǎo)電碳黑有一個(gè)獨(dú)特的分支形式，大量導(dǎo)電接觸點(diǎn)。
(2)超導(dǎo)炭黑具有很高的導(dǎo)電性，少量的添加就能實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性。
(3)使用量小，使其能夠填充更多的活性物質(zhì)，提高電池的容量。
(4)在充、放電過程中，電池電阻的大小不隨著電池體積的不斷變化而變化，這樣增加了電池的穩(wěn)定性。
導(dǎo)電炭黑的微觀構(gòu)造炭黑粒子具有微晶結(jié)構(gòu)，在炭黑中，碳原子的排列方式類似于石墨，組成六角形平面，通常 3~5個(gè)這樣的層面組成一個(gè)微晶，由于炭黑微晶的每個(gè)石墨層面中，碳原子的排列是有序的，而相鄰層面間碳原子的排列又是無序的，所以又叫準(zhǔn)石墨晶體。
以上就是對(duì)于炭黑三大功能介紹的全部內(nèi)容了，關(guān)于炭黑的知識(shí)我們又了解了很多。希望小編的文章可以對(duì)大家有所幫助，如有問題可以評(píng)論，小編必知無不言，言無不盡!
炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)
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