涵盖的主题
背景
新型炭黑的应用
碳的同素异形体
炭黑的形成
压力管道
静电放电
聚烯烃薄膜
概括
背景
从化学结构上看，炭黑可能是一种相当基础的产品，仅由碳组成，但通过巧妙的加工，这种重要的塑料添加剂可以被操纵，在一系列不同的应用中赋予各种重要的特性。过去几年，总部位于美国的卡博特公司一直在开展一项重大计划，旨在利用炭黑为塑料和橡胶行业开发具有特定性能特征的差异化产品。
新型炭黑的应用
产品开发计划已产生几种新等级的炭黑，这些炭黑具有特定的性能组合，旨在满足特定要求。这些要求包括压力管道、ESD（静电放电）、薄膜、纤维和其他应用。所有这些新材料都具有明显不同的特性，在概念上与通用等级有很大不同，而通用等级以前是唯一可用的类型。
碳的同素异形体
自然界中，碳以两种形式存在 - 钻石和石墨。钻石具有三维结构，而石墨由一系列平行平面组成。炭黑的结构介于这两种形式之间，被称为“准石墨”，因为在成核过程中会形成一系列层。
炭黑的形成
炭黑是由碳氢化合物原料（C x H y + 0 2 C + CH 4 + CO + H 2 + C0 2 + H 2 0）的不完全燃烧或热裂解形成的。在几乎所有情况下，炭黑都是通过“油炉”工艺制备的，其中将芳香族原料雾化并送入热火焰（> 1500°C）以产生粉末“蓬松”炭黑。炭黑通常被制成珠粒，以便于储存和处理，同时保持在各种介质（包括塑料树脂）中的充分分散性。
压力管道
虽然炉黑本质上是元素碳，但它们通常含有多种污染物，其中一些或所有污染物可能对特定行业或应用不利。在压力管道应用方面，卡博特开发了三种污染物含量特别低的新等级。ELFTEX 254、ELFTEX P100 和 ELFTEX TP 被公司指定为 P 型，满足此专业应用的五个关键性能标准：
• 长期耐候性 - 公用事业公司要求最终产品能够提供较长的使用寿命，即使暴露在紫外线下也不会出现故障。这三个新等级的产品包含非常细小的原始颗粒，它们为入射光提供了更多的表面，因此比粗糙等级的产品具有更高的紫外线吸收效率。
• 吸湿性极低 - 含有炭黑的复合材料在暴露于空气中时通常会吸收水分。这会导致加工问题、表面缺陷或成品部件内部出现空洞。为此应用而开发的炭黑等级纯度极高，因此在复合过程中吸湿性极低。
• 微观分散性 - 管壁中未分散的炭黑团块会导致过早失效，还会降低流体流动性能。这些问题已为业界所公认，大多数压力管道标准都规定微观分散性等级不得高于 ISO 11420、NFT51 - 142 规定的 3。传统炭黑的等级通常在 5 到 6 之间。
• 化学清洁度 - 化学杂质，特别是硫、灰分和甲苯萃取物，如果存在于用于制造饮用水管道的化合物中，会产生难闻的味道或气味。所有炭黑都含有这些物质的一些残留物，但在 P 型炭黑中，这些物质的含量已大大减少。例如，硫含量（传统炭黑中通常约为 10,000 ppm）在新炭黑中约为 600 ppm。
• 分散性 - 该性能指标主要取决于炭黑的基本特性，与将团聚体分离成离散炭黑聚集体所需的吸引力有关。它也是不同等级炭黑在混合设备上可实现的相对产量的指标。P 型炭黑的分散性比传统等级炭黑好得多，因此与聚合物的润湿性更好，随后的解聚性也更好。
静电放电
对于 ESD 应用，卡博特必须设计满足一系列截然不同要求的新材料。导电性、硬度和冲击强度是该领域的主要性能要求，表面光滑度和分散性也是重要的考虑因素。对于大多数其他等级的导电炭黑，导电性性能往往会降低光滑度、弯曲模量和冲击强度。考虑到这一点，卡博特产品开发计划的目标是实现所有五个主要性能标准，而无需通常遇到的权衡。
与为压力管开发的 P 型一样，VULCAN 等级已实现高度分散性，从而实现良好的聚合物润湿性和完全解聚性，这对于在整个基质中形成创建连续路径所需的细颗粒网络至关重要。这种优异的导电性可使化合物配方师使用相对较低的负载来实现应用所需的最低表面电阻率。它还需要化学清洁度，以避免可能导致电子设备故障的离子迁移。图 1 中的星形图比较了 VULCAN XC305、XC605 和 XC72 与超导电黑色涂料在五个主要性能指标方面的相对性能。超导电黑色涂料具有优异的导电性，但在其他所有方面均不达标，而 VULCAN 等级涂料则提供了均衡的性能。
图 1.星图显示了不同等级炭黑的性能。
聚烯烃薄膜
对于聚烯烃薄膜生产，不透明度、耐候性、薄膜平滑度和分散性是薄膜母粒生产商的四个最重要的标准。薄膜不透明度主要取决于薄膜厚度和颜料含量。当生产最薄的薄膜时，炭黑等级的选择会显著影响达到一定不透明度所需的最终颜料含量。BLACK PEARLS 4040 被设计为具有良好成本和性能平衡的生产等级，而 BLACK PEARLS 4060 则具有出色的不透明度，使其适用于需要极端耐候性能和长使用寿命的农用薄膜。
黑色颜料的类型对最终可实现的薄膜光滑度也有主要影响。对于表面保护和摄影胶片等应用，需要高标准的表面光滑度和分散性。薄膜光滑度是通过计算吹塑或流延薄膜样品中未分散颜料团块（称为点）的数量来测量的，BLACK PEARLS 3030 通常具有包含行业标准炭黑的样品中未分散颜料团块数量的约 20%。
图 2.含有炭黑（Black Pearls 3030）的聚烯烃薄膜。
概括
炭黑在改变最终产品的物理特性（如颜色、耐候性或导电性）方面起着重要作用。卡博特的产品开发计划重点介绍了开发新等级炭黑的新工艺和技术，表明这种材料并不像看上去那么低技术含量。
