河南碳黑工业有限责任公司
HENAN CARBONBLACK INDUSTRY CO,. LTD

人类最早使用的纳米材料之一 - 碳黑

碳是自然界中最常见的元素之一,无论是碳元素本身或是碳组成的化合物,皆有非常广泛的应用。在各式各样的碳材料当中,碳黑是人类最早使用的纳米材料之一,广泛应用在橡胶工业之外,在塑料、油墨涂料及导电等应用领域也有着碳黑的贡献。


碳黑是什么呢?


碳黑是由 95% 以上的碳,以及少量的氧、硫、氮与灰分所组成,是一种如烟尘一般,质地极为轻盈且细小的黑色粉末,所以也被称为碳烟。碳黑原生粒子的粒径大小约落在 10-500nm 之间,是由一层层类似石磨的分子结构堆叠而成,若以电子显微镜观察可以发现碳黑并非是以单颗粒子存在,而是由一颗颗的碳黑原生粒子紧密连结成葡萄串状的凝聚物 (aggregate),此为碳黑的一级结构 (primary structure);而一级结构会因为范德华力 (Van der Waals force) 相互吸附成附聚物 (agglomerate),最后经由造粒处理后,便是市面上可见的碳黑颗粒。

碳黑的制造方法


现今碳黑产业界中最主要的生产方法为油炉法碳黑,取用石油系重质油如塔底油、杂酚油做为原料,导入高温达 1800℃ 的反应炉,精准控制反应参数,产出具多元应用的碳黑以及高热尾气,尾气还可以进一步生产蒸汽与电力。

碳黑特性


由于碳黑原生粒子是由许多类石墨分子层层堆叠而成,这样的多孔隙结构使得碳黑具有一定的表面物理与化学特性,使碳黑具有优异的着色性、防紫外线、补强性、耐磨性与导电性等,而这些特性会受到碳黑原生粒径、碳黑结构复杂度以及碳黑粒子表面官能基的影响。

碳黑测量方法


右方所列三个碳黑牌号分别是 N990、N762 及 N121,可以看到它们的粒径大小以及结构复杂度都有显著的差异。

由于碳黑并非是以单颗原生粒子单独存在,因此常以比表面积去表示碳黑的粒径大小。碳黑比表面积通常介于测定 10~3000m2/g 之间,量测方法有两种:

1.碘吸附表面积法 (Iodine adsorption method,吸碘值 I2#)

2.氮气吸附表面积法 (Nitrogen adsorption method,NSA 值)

一般来说,I2# 与 NSA 数值越大,表示碳黑有越大的比表面积,碳黑的粒径越小。

碳黑改性


在碳黑的生产过程中,碳黑粒子表面常会形成一些含氧官能基团,影响著碳黑的表面化学性质。一般来说,炉法碳黑表面官能基少,碳黑多呈中性至弱硷性,可以根据不同应用的需求,透过特殊表面改质处理方法去调整碳黑表面的官能基,进而调整碳黑的 pH 值,以达到最理想的碳黑性能。

碳黑规格与命名


由于碳黑的种类很多,为了区分,美国材料与试验协会规范了标准化碳黑命名方式。橡胶用碳黑一般按照 ASTM D1765 标准来分类命名,命名方式由四个部分所组成:

碳黑应用


依照碳黑功能与用途的不同,可大致分类为:轮胎及橡胶应用碳黑、色素碳黑、乙炔碳黑、半补强碳黑及导电碳黑:


轮胎及橡胶应用碳黑


碳黑的主要用途是作为橡胶的补强剂,碳黑可与橡胶分子链形成稳定的化学键,因而达到补强效果。通常比表面积越大、结构越高的碳黑,因为与橡胶有更多的接触面积,补强性会越好,这类的碳黑常用于轮胎胎面来增加其耐磨性。

对于橡胶制品,首重的是加工性能,通常使用中低比表面积、结构高的碳黑,使胶料容易加工并具有良好的挤出特性,同时维持一定程度的物理补强特性。全球约有七成的碳黑被用来制造轮胎,是碳黑的最大宗应用;约有二成的碳黑用于轮胎以外的工业橡胶制品,其中又有一半用于汽车零组件,因此约有八成的碳黑是消耗在汽车工业上,可见碳黑产业与轮胎产业、汽车产业的关系密不可分。


色素碳黑


碳黑的高黑度与良好着色力,使碳黑也可以应用在塑胶产业及油墨涂料产业。黑色母粒是碳黑于塑料应用中的重要项目,除了染色,碳黑还可以提供塑料制品其他特性如:抗老化性、紫外光抗性、增加机械强度……等。

在油墨涂料应用中,碳黑亦可作为色浆原料,对于不同的溶剂系统,碳黑需透过特殊改质处理以达到理想的分散性。


乙炔碳黑


乙炔碳黑纯度很高,含碳量大于99.5%,氢含量小于0.1%,氧含量0.07%~0.26%。pH值5~7。电阻率极低,具有良好的导电性、防静电效果、导热性、高纯度、分散性、加工性、补强性、不吸潮,重金属含量少,比表面积小,表面不吸水等特点。

主要用作干电池的填充料,也可用于各类导电橡胶、硅橡胶(含硫少,不影响硫化)、电缆屏蔽料(半导电EVA)、防静电材料、输送带、各类有关、导电涂料、粘合剂、PTC效应电缆、轮胎用胶囊、各类电池导电剂等。


半补强碳黑


半补强碳黑(semi-reinforcing purpose furnace black,SRF),是软质炭黑中的一个主要品种,分气炉法和油炉法两种,粒径为61~100 nm。

赋予胶料高伸长率、低生热、高弹性和良好的耐老化性能等。适用于NR和SR,对NBR和CR兼有补强与填充作用。多用于胎体缓冲胶、帘布胶用各种橡胶制品。


导电碳黑


导电碳黑是指具有低电阻性能或是高电阻性能的碳黑,可赋予制品导电或是抗静电的作用。碳黑的导电性能与碳黑的比表面积、结构复杂度以及表面化学性质密切相关,通常粒径小、结构复杂度高且表面洁净的碳黑,较容易形成导电网路,导电性会较好;反之则防静电能力较好。