碳黑的介绍（一）

碳黑（carbon black），又名炭黑，是一种无定形碳。是一种轻、松而极细的黑色粉末，表面积非常大，范围从10~3000m2/g，是含碳物质（煤、天然气、重油、燃料油等）在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物。由天然气制成的称“气黑”，由油类制成的称“灯黑”，由乙炔制成的称“乙炔黑”。此外还有“槽黑”“炉黑”。按炭黑性能区分有“补强炭黑”“导电炭黑”“耐磨炭黑”等。可作黑色染料，用于制造中国墨、油墨、油漆等，也用于做橡胶的补强剂。

中文名：碳黑      外文名:carbon black       别    名:  炭黑         化学式:C      分子量: 12.01        CAS登录号: 1333-86-4            EINECS登录号:215-609-9          熔    点: 3654 至 3697 ℃      沸    点: 4827 ℃     水溶性: 不溶      密    度:1.828 g/cm³          外    观:  轻、松而极细的黑色粉末          安全性描述:  S26        危险性符号: R36/37       危险性描述:  Xi             UN危险货物编号: 1325

据记载，中国是世界上最早生产炭黑的国家之一。在古时候，人们焚烧动植物油、松树枝,收集火烟凝成的黑灰，用来调制墨和黑色颜料。这种被称之为“炱”的黑灰就是最早的炭黑。

1821 年人们在北美地区首次用天然气为原料生产炭黑，从此炭黑不再是“炱”那么简单，它是“气态或液态的碳氢化合物在空气不足的条件下进行不完全燃烧或热裂分解所生成的无定形碳，为疏松、质轻而极细的黑色粉末”。大片油气田相继开采,源源不断的原料供应推动炭黑生产由手工操作迈入了大规模工业化时代。

1912 年人们发现炭黑对橡胶具有补强作用，从此炭黑逐渐成为橡胶工业不可缺少的原材料。世界橡胶工业原材料耗用量排在第一位的是生胶，第二位的是炭黑；换言之，炭黑已成为消费量最大的橡胶配合剂。炭黑的耗用量一般占橡胶耗用量的40%～50% ，也就是说，在橡胶配方中，通常每使用2 份橡胶就会搭配使用1 份炭黑。

结构

炭黑的结构性是以炭黑粒子间聚成链状或葡萄状的程度来表示的。由凝聚体的尺寸、形态和每一凝聚体中的粒子数量构成的凝聚体组成的炭黑称为高结构炭黑。常用吸油值表示结构性，吸油值越大，炭黑结构性越高，容易形成空间网络通道，而且不易破坏。高结构炭黑颗粒细，网状链堆积紧密，比表面积大，单位质量颗粒多，有利于在聚合物中形成链式导电结构，其中在众多炭黑品种中以乙炔炭黑为最佳。粒径分布宽的炭黑粒子比分布窄的炭黑粒子更能赋予聚合物导电性，并用统计方法解释这个现象。粒径分布宽的炭黑，少数大直径粒子需要数目巨大，直径更小的粒子给予补偿，相同平均粒径分布宽的炭黑比分布窄的炭黑有更多的粒子总数。

形成

炭黑一般是指碳单质微粒，一般是由于有机物燃烧不充分，其中的氢元素和氧元素转化为水，而碳元素燃烧不充分，就会脱离分子，形成炭黑。

形态

炭黑由碳组成，但通常被定为无机颜料类。炭黑是烃类经气相不完全燃烧或热裂解而成的黑色粉末状物质。由于生产工艺的不同，通过不同的工艺条件可得到各种性质不同的产品。

1） 炭黑的微观构造

炭黑粒子具有微晶结构，在炭黑中，碳原子的排列方式类似于石墨，组成六角形平面，通常 3~5个这样的层面组成一个微晶，由于炭黑微晶的每个石墨层面中，碳原子的排列是有序的，而相邻层面间碳原子的排列又是无序的，所以又叫准石墨晶体。

2） 炭黑的粒径

颜料炭黑的粒子细度可低至5 nm，一般说来，炭黑粒子不是孤立存在的，而是多个粒子通过碳晶层互相穿插，形成链枝状。不同生产工艺可得到粒径范围极广的炭黑粒子，灯黑生产工艺得到的产品相对粗糙，而气黑生产工艺可得到精细的产品。

用炉黑生产工艺可得到几乎所有粒径范围的炭黑，同一品种的炭黑，其粒子大小并不完全相同，呈现一个粒径分布范围。一般来说，粒子较细的品种，粒径分布较窄。

主要性质

化学性质

炭黑的生产工艺不同，则表面的化学性能也有差别。大多数炭黑的真实表面积大于由粒径计算出的几何表面积。这是由于炭黑特别是粒径小于25nm的炭黑表面存在许多微孔。

据分析，可在炭黑表面检测如酚基、醌基、羧基等基团，这些酸性基团浓度在气黑和氧化炉黑的表面特别高。在炉黑中可检测到吡喃酮结构，这种结构决定了炉黑的碱性性质。挥发份含量可判断表面官能团的浓度，也可测得炭黑的极性。另外由于炭黑的表面积较大，容易吸附挥发份环境中的水分，所以炭黑在运输，贮存及使用过程中要特别注意吸湿问题。

大部分都是探讨导电粒子接触的几何学研究。该理论认为，炭黑填充量越大，处于分散状态的炭黑粒子或炭黑粒子集合体的密度也越大，粒子间的平均距离越小，相互接触的几率越高，炭黑粒子或炭黑粒子集合体形成的导电通路也越多。不同极性的高聚物与炭黑组成共混体系的极性越大，炭黑临界体积分数就越大，意味着体系的导电性下降，因为炭黑表面含有很强的极性基团，基体极性大，作用增强，这时强度增加，却妨碍导电粒子自身的凝集，以致导电性差。但是在多组分基体树脂与炭黑组成的共混体系中，由于不同基体的极性不同，填充炭黑会产生偏析现象，这时导电性能取决于炭黑粒子在偏析相中的浓度和分布状态，还取决于偏析相高聚物所占比例。

黑度

黑度是指炭黑所具有的黑色呈现强度。炭黑作着色时，黑度主要基于对光的吸收，对于特定浓度的炭黑，炭黑越细小，则光吸收程度越高。黑度除了受炭黑内部的光吸收外，也受由于粒子表面几何机构的影响而产生了具有增亮效应的光散射，这会降低黑度。随着粒径的减小，光散射程度降低。只有对于很细的炭黑，提高炭黑的浓度才能提高黑度，对于粗大的炭黑，具支配因素的光散射程度因炭黑数增加而提高，黑度反而相应降低。

着色强度

着色强度可以理解为抵消白色颜料增白能力的效果。着色强度也是随着原生粒子的粒径减小和结构的减小而提高。

色调

“炭黑粒子”的光散射程度，随着粒径的减小而降低，除了影响增光效应，也影响色调，原因如下：　当可将光穿过一主色为黑色的着色层时，短波的蓝光比长波的红光的散射效应更强烈。炭黑越细，这种效应越显著。红光成分由于散射损失较小，因此进入着色层的深度大一些。蓝光总体散射强烈，在相反方向，即后方的散射也强烈，于是又从着色层中反射出来。当观察反射过程时，经细炭黑着色的出现蓝色色调，会给人黑度更高的感觉。如果炭黑粗大，则相应地呈现棕色色调。当观察透射过程时，相同的着色层（不完全透明的薄膜）的色调关系正好相反，随着粒径的减小，散射较强的蓝光穿过着色层的深度较小，即蓝光穿过着色层至另一面成分较少，从另一面穿出来。因此，由于在观察的那一面缺少蓝光成分，着色层在透射过程中观察时，便呈现棕色色调。当以钛白粉调灰（灰色色调）时的情形，与在透射过程中观察主色的着色状况相似，光线在含有黑色颜料塑料片中的白颜料中来回散射，越小粒径的炭黑，会使可见光内蓝光的散射越强，因此较多其余的红光部分便透射过来，呈现出带黄色色调的灰色，相反地，如着色时用粗粒径的炭黑，尤其是较为粗大的灯黑，则会得到带蓝色色调的灰色。

分散性

颜料黑越细，炭黑聚集体之间接触点便越多，结果它们之间内聚力越强，当把颜料黑掺入料，即开始进行始炭黑均匀分布时，则对分散要作的功便大，以把炭黑粒子分隔开来，最终达到最高的黑度和着色。与高结构炭黑相比，低结构炭黑较有可能达到高的浓度，但在分散过程中却因此需要较大分散力。炭黑的分散性能受结构程度的影响，由于高结构炭黑具有良好的分散性能，所以其着色强度也就自然较强。

在使用粉状炭黑时，会出现分散及令人头疼的灰尘问题，因此，可使用母粒或浆状物。

预制炭黑的价格要比单纯使用颜料黑要高，但若考虑到清洁的工序、高的效率及技术投资少的优点，炭黑制剂是有其价值的。

光稳定性

光会使塑料老化，尤其是阳光中的紫外线会加速塑料的老化。在配合运用有机紫外光吸收剂和抗氧化剂可使寿命延长。然而颜料黑仍然被认为是最好的紫外线稳定剂。

颜料黑作为紫外光吸收剂，主要用作延长塑料制品在户外使用寿命。

浓度为0.5%的小粒径炭黑（20 nm）与2%的相对粗粒径的炭黑（95 nm）差不多具有同样的光保护作用。

食品接触

所有涉及到食品卫生法规定的日用品的着色颜料，包括颜料必须符合规定的纯净标准。首先，这些标准规定了一般颜料它的重金属的含量，其组分在0.1N盐酸中的溶解度（和胃液的酸度一样），以及规定芳香氨的含量。而后，特别制定了关于炭黑的纯净标准，而这一标准因国家而不同。