炭黑基礎(chǔ)知識
炭黑基礎(chǔ)知識
據(jù)記載,我國是世界上最早生產(chǎn)炭黑的國家之一。古時,人們焚燒動植物油和松枝,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。隨著人們對大片油氣田陸續(xù)開采,原料的源源不斷的供應(yīng),推動炭黑生產(chǎn)從手工操作進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)時代。
1912年,人們發(fā)現(xiàn)炭黑對橡膠有補強作用,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,通常每兩份橡膠就要使用一份炭黑。
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)計方法解釋了這一現(xiàn)象,對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個這樣的層形成一個微晶。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,會呈現(xiàn)出一個粒徑分布的范圍。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,會導(dǎo)致其表面化學(xué)性質(zhì)不同。大多數(shù)炭黑的真實比表面積大于由粒徑計算的幾何比表面積,這是因為炭黑表面有很多微孔,尤其是粒徑小于25nm的炭黑。據(jù)分析,炭黑表面可檢測到苯酚基、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,因此在炭黑的運輸、儲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極性基團(tuán),基體極化,功能增強,但強度增加,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,炭黑填充炭黑會產(chǎn)生偏析。此時電導(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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