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「碳黑」炭黑不纯物
来源:碳黑工业 | 作者:德隆导电炭黑 | 发布时间: 2022-08-03 | 1085 次浏览 | 分享到:

炭黑都含有非炭黑的不纯物,主要是颗粒状杂质、水分、溶剂推出物和无机盐类等非碳成分。炭黑中的不纯物虽然含量很少,但对炭黑产品的质量及应用均有不良影响。所以,在炭黑生产中要严格控制,使其含量不能超过指标规定的界限。而在一些应用领域,如汽车用油漆、印刷油墨、橡胶和塑料薄壳制品以及电缆料、密封件等制品中,使用的炭黑要求杂质含量更低,以确保制品使用性能和外观。
第一节 杂质
炭黑中的颗粒状杂质主要有硬炭、铁屑、炉料碎屑以及包装运输过程中混入的异物等。硬炭是在炭黑生成反应过程中由原料油液滴未经气化直接炭化形成的焦粒状物质。硬炭的多少取决于原料油的品质、雾化和工艺条件等多种因素。炭黑的杂质,一般是通过不同规格的分样筛进行测定的。将不能通过的20目筛(筛孔直径840um)的过大颗粒称为杂质,不能通过35目筛(筛孔直径500/um)的残留部分称为35目筛余物,不能通过325目筛(筛孔直径45um)的部分称为325目筛余物。正常的炭黑产品不允许有过大的颗粒杂质(>840um)存在。35目筛余物不允许超过0.001%,325目筛余物也不允许超过0.1%。炭黑杂质(筛余物)的含量和颗粒大小对制品的性能均有不利影响。史蒂倍克(M.L Studebaker)等人研究了不同含量和颗粒大小杂质、筛余物对炭黑填充硫化胶料的影响,见图10-1~图10-3。研究结果表明,随着325目筛余物含量的增加,硫化胶的拉伸强度逐渐降低,到一较低水平后再缓慢降低。35目筛余物的影响尤为明显。当35目筛余物含量为1.0%时,拉伸强度显著降低。对屈挠龟裂和扯断伸长率的影响也与325目筛余物的影响趋势一致。
为消除杂质、筛余物的不良影响,提高制品性能和外观,近年来些德隆公司先后研制纯净度更高的炭黑,称为高纯炭黑,并扩大高纯炭黑的应用领域。高纯炭黑比普通炭黑的筛余物含量低一个数量级,对粗粒子也有相应的规定。
第二节 溶剂抽出物
溶剂抽出物是指在炭黑生成过程中残留在炭黑表面上未完全裂解的有机聚合物。残留聚合物的量可用丙酮、苯、甲苯等有机溶剂抽提进行测定。正常生产的炭黑溶剂抽出物含量不多,对应用影响不大。但生产不正常,特别是炉温偏低,裂解不完全时会产生过高的溶剂抽出物。溶剂抽出物一般用丙酮抽提法测定。甲苯抽出物透光度也是炭黑生产日常检验抽出物的标准方法。
第三节 水分
炭黑中的水分主要是在生产过程中吸附烟气中的水分。在包装、运输和贮存过程中如与空气接触,也会吸附空气中的水分而增加炭黑的水分含量。炭黑中的水分,多数是物理吸附在炭黑粒子表面和孔隙内部,但极少量水分子则与炭黑表面化学基团结合形成难于挥发的结合水。
炭黑的水分含量随生产方法、炭黑种类及粒子大小不同。一般来讲,正常生产的炉法炭黑的水分含量在2.5%以下;槽法炭黑或氧化后处理炭黑的水分也在4%以下。炭黑粒子越细(表面积越高),表面含氧基团越多,水分含量也越高。
炭黑正常含水量对加工和相应用没有不利影响。但水分过高,容易造成加工困难。如在橡胶和塑料加工中产生气泡,影响外观和其他使用性能。所以在炭黑生产包装和贮存过程中要注意预防炭黑吸潮。
第四节 灰分
炭黑的灰分可定义为在高温炉中燃烧后残留物的量。灼烧的温度为550℃,时间约16h,或以825℃,灼烧约3~4h代替。碳在具有充足氧气的气氛中燃烧完全,残留物为无机盐灰分。选定在550℃灼烧主要避免灰分中的碳酸盐类分解。在 825℃灼烧可缩短灰分测定时间,但由于灰分中的碳酸盐类分解,会使测定结果偏低12%左右。

炭黑中的灰分主要来源于原料油和工艺用水(急冷、湿法造粒)中的无机杂质和溶解的无机盐类。通常炭黑的灰分含量小于0.5%,不会对炭黑的应用产生影响。但在一些特殊应用中,如电缆料中的导电炭黑,则要求杂质和灰分含量都很低,否则会产生放电等事故而损害制品。正如前节所述,近几年开发的高纯炭黑的灰分含量很低,小于0.1%。生产低杂质、低灰分的高纯炭黑,首先要严格选择原料,并净化处理,控制急冷和造粒用水的质量,选用优质的耐火材料砌筑反应炉,后部分离、收集系统也要全部使用不锈钢制造,以防止炉渣、铁锈以及其他杂质混入炭黑。在生产中严格控制工艺和原料油喷人方式,使其充分雾化,不结焦,不形成硬炭。系统中也要设置超细粉碎设备,对较大的杂质颗粒进行粉碎。