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炭黑的基本知识

炭黑(也称碳黑)是由烃类化合物(液态或气态)经过不完全燃烧或热裂解形成的近似于球体的胶体粒子,以聚集体形式存在,表观呈纯黑色粉状或者粒状。产品的粒径、结构和表面活性根据原料、制造方法和生产工艺的不同而有很大差异。炭黑的主要成分是碳,同时包含微量氢、氧、灰份和水份。


为了准确把握这一概念,可参看下图:

 

碳元素——→准石墨结构——→聚集体——→附聚体——→粒状炭黑

                                                                  (原粉)生

                                                       (一次结构) (二次结构)

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依靠范德华力(分子间作用力),一次结构的炭黑聚集体会附聚成附聚体(又称二次结构)。在涂料、油墨或塑胶中,在外力的作用下,炭黑的二次结构变成一次结构,分布在体系中。而粒状炭黑是为了满足储存、运输、防止污染的需要,经过湿法或干法造粒而生成的粒径更大的炭黑颗粒。


炭黑的历史由来已久,中国是世界上最早发现并生产炭黑的国家,距今已有三千多年的历史。最开始炭黑这种物质只用于制墨。随着工业的快速发展,炭黑也被应用到其他的领域当中,同时也在不断改善炭黑的生产技术。从20世纪50年代初,先后成功研发了槽法炭黑、滚筒法炭黑、混气炭黑和气炉法炭黑,炭黑的生产技术越来越成熟,近年来更是得到了飞跃的发展。


  我国古代就在炭黑的提取技术上有了不小的成就,制墨工艺更是为世界文化做出了贡献。国外炭黑的制造,是由我国传入日本、东方各国,然后传到希腊、罗马,最后传入欧洲的。我国的炭黑产量一直居于世界先进水平,基本满足了各个行业的需求,还出口日本、韩国、东南亚等国。我们更是吸取国外的先进技术,增加了炭黑的品种,在质量和环保问题上都取得了突破。



  随着各种技术的不断完善,目前的炭黑品种主要有导电炭黑、橡胶炭黑、色素炭黑、乙炔炭黑、喷雾炭黑、水泥砂浆炭黑、热裂解炭黑、半补强炭黑以及特种炭黑,这些炭黑的特性各不相同,所应用到的领域也不同(如下图所示)

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全球碳黑生产工艺一般为全球碳黑生产工艺一般为炉法、接触法(主要为槽法和无槽气法)和热解法。我们正在使用的是最重要也是最常用的生产工艺--炉法和气法。


所谓炉法(油炉法和气炉法)就是在密闭的反应炉中,将液烃原料(一般是煤焦油)喷射到燃烧的热空气和天然气中,在高温下经热氧化而分解,所生成碳黑的性能可以通过猝熄火焰来控制。然后,使用过滤系统把产成的颜料碳黑从气烟中分离出来。炉法的特点是原材料的选择范围很广,且生产出的碳黑的性能多种多样。产品一般为碱性。得率高,一般均是万吨级。


而气法即无槽气法,是从槽法改进而来的生产工艺。槽法是将固态烃(粗蒽)或液态烃(蒽油)经气化釜气化后,和可燃性气体(一般使用天然气,也使用焦炉煤气或水煤气)混合后作为原料,由环形布置的管网送入火房在槽钢下的火嘴中高温燃烧并经槽钢冷却面收集生成碳黑的工艺。无槽气法即火房不设槽钢冷却面的改进工艺。这种工艺生产出来的颜料碳黑收率较炉法偏低,但原生粒子粒径小,在黑度和着色力方面均有更好的表现。气法炭黑一般为酸性产品。产量小。