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炭黑

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碳黑

炭黑英语:carbon black),又称为碳烟,为在空气不足的情况下燃烧碳氢化合物得到极细微碳黑粉,再与废气分离后所得之纯黑粉末。

概要[编辑]

炭黑的原料为塔底油和杂酚油,一般来说2.2公吨的原料可制造出一公吨的炭黑。现阶段除了中国外,印度等国家的炭黑厂仍旧以塔底油为原料来源,因此炭黑的价格与原油息息相关。

由于炭黑可以增加橡胶制品的抗张强度、硬度、抗撕裂性、耐磨性等性质,故主要用作橡胶的补强剂,其中尤以轮胎为最。炭黑与弹性体结合时形成无限网状交叉结构,称之为凝碳胶(carbon gel),此结构的强度便决定弹性体的特性。

此外,炭黑的颜色极黑,被覆力极强,也是理想的黑色颜料。根据美国市场研究机构弗里多尼亚集团(Freedonia Group)的调查,全世界的炭黑有67%被用来制造轮胎,24%用来制造橡胶管、输送带等橡胶制品,其余9%则用于油墨、染料油漆等产品。

碳黑是由平均直径为5~30nm的球状或链状粒子聚积而成的,内部是含有直径3~500nm的微结晶结构,可以和各种游离基反应。炭黑的比重为1.8~1.9,颗粒状炭黑的堆比重为0.35~0.4,粉末状炭黑的堆比重为0.04~0.08。[来源请求]

制造方法[编辑]

美国德克萨斯州炭黑工厂工人(摄于1942年)

关于炭黑的制造方法,可区分成“热分解法”及“不完全燃烧法”两大类[1]

分类 制法 原料
热分解法 在炉中裂解成为粒径较大之热黑(thermal black) 天然气石油
乙炔加热分解而得之乙炔黑(acetylene black)[2] 乙炔
不完全燃烧法 天然气以不完全燃烧方式加热H型钢,则于钢材表面冷凝者称为槽法炭黑(channel black) 天然气、芳香族油
将石油系重质油或杂酚油送入热炉或电弧炉内高温燃烧而得到炉黑(furnace black),全球约95%的炭黑以此法制成 芳香族碳氢化合物
燃烧松烟而得到灯黑日语ランプブラック(lamp black) 松脂、动物油

其中不完全燃烧法里的灯黑日语ランプブラック(lamp black)最为古老,可回溯到二千年前中国松烟制造[来源请求]由于炉黑(furnace black)的生产效率快、容易控制和具连续性,自1970年代以来,绝大部分炭黑厂采用此方法生产。一般而言,炉黑法之原料有二种:

  1. 塔底油:系原油或天然气在蒸馏塔蒸馏后,遗留在塔底未蒸发的部分。
  2. 杂酚油(creosote oil):炼钢厂高炉内炼钢过程中烧结炼焦,会产生一种名为煤焦油的副产品;将煤焦油蒸馏后即得杂酚油。

以前述原料在密封反应器内燃烧,利用蒸气或水来控制反应速率,然后会产生炭黑与尾气,经冷却后分离二者而得炭黑。至于尾气含有氢气一氧化碳,大部分的炉黑制造厂会使用尾气生产、蒸气或电力,甚至出售尾气给其他工厂使用。

加工应用[编辑]

全球有67%的炭黑被用来制造轮胎,而按照ASTM 国际标准组织对橡胶用炭黑的命名,由一个英文字母与三个阿拉伯数字构成。第一个英文字母代表硫化速度,“N”表示正常,“S”则表示缓慢。而第一个阿拉伯数字代表炭黑的氮表面积范围,第二、三个数字则代表不同的炭黑结构程度。依橡胶用炭黑之加工应用可分类如下:

轮胎用炭黑之分类
名称 缩写 ASTM标记 粒径大小
(nm)
拉力强度
(MPa)
相对实验磨耗 相对实际磨耗
超耐磨炭黑(Super Abrasion Furnace) SAF N110 20–25 25.2 1.35 1.25
超耐磨炭黑(Intermediate SAF) ISAF N220 24–33 23.1 1.25 1.15
高耐磨炭黑(High Abrasion Furnace) HAF N330 28–36 22.4 1.00 1.00
易混槽法炭黑(Easy Processing Channel) EPC N300 30–35 21.7 0.80 0.90
快速挤压炭黑(Fast Extruding Furnace) FEF N550 39–55 18.2 0.64 0.72
高定伸炭黑(High Modulus Furnace) HMF N683 49–73 16.1 0.56 0.66
半补强炭黑(Semi-Reinforcing Furnace) SRF N770 70–96 14.7 0.48 0.60
细粒子热裂法炭黑(Fine Thermal) FT N880 180–200 12.6 0.22 --
中粒子热裂法炭黑(Medium Thermal) MT N990 250–350 9.8 0.18 --

颜料用途[编辑]

国际色素索引编号(Colour Index International,英国漂染师与印染师学会及美国纺织化学家与染色家协会共同维护的色彩索引数据库)为PBK-7的碳黑色是一种常见的黑色颜料,传统上来自炭化的有机物质,譬如木材骨头。按照炭黑的着色能力,可区分成高、中、低色素炭黑,以三个英文字母表示,前二个表示其着色能力,最后一个代表生产方法。

参考文献[编辑]

更多阅读[编辑]

  • 《Handbook of Carbon, Graphite, Diamond, And Fullerenes》,作者:Hugh O. Pierson,Noyes Publications出版,1993年,ISBN 0-8155-1339-9