關于炭黑，你還有哪些不知道的知識呢?作為一個基本的工業(yè)原材料——炭黑身上可是存在著很多的寶藏用途，炭黑的這些用途也給我們生活提供了極大的便利，今天炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)小編就為大家詳細講講炭黑的補強、炭黑著色、炭黑的導電功能以及炭黑這些功能是如何運用于我們生活的方方面面的。
炭黑的主要成分是碳，其基本粒子尺寸在10～100nm之間，因此具有優(yōu)良的橡膠補強、著色、導電或抗靜電以及紫外線吸收功能，是人類最早開發(fā)和應用的納米材料。炭黑作為一種功能材料，能夠賦予其他材料或制品一些特殊的使用性能，在許多領域中有著不可替代的作用。炭黑是橡膠補強填充劑，是僅次于生膠的第二位橡膠原材料。炭黑也作為著色劑、紫外光屏蔽劑、抗靜電劑或導電劑，廣泛用于塑料、化纖、油墨(包括復印機墨粉、噴墨打印墨水等)、涂料、電子元器件、皮革化工和干電池等很多行業(yè)的制品中。炭黑還可用于冶金及碳素材料行業(yè)中，作為高純碳材料。
炭黑是我國最先制造和應用的，早在3000年前，就已掌握了燒煙制墨的技術，但長期停留在手工業(yè)生產(chǎn)方式的階段。1872年在美國首先實現(xiàn)了槽法炭黑的工業(yè)化生產(chǎn)，20世紀初，在英國首先發(fā)現(xiàn)了炭黑在橡膠中的補強作用。隨著世界汽車和輪胎工業(yè)的發(fā)展，炭黑工業(yè)也隨之發(fā)展。市場報告預測，到2030年，全球對炭黑的需求將上升至每年1700萬噸。
一、 炭黑補強功能
1、何為炭黑的補強
炭黑是橡膠工業(yè)的主要原料之一，屬粉體材料。炭黑用量相當大，幾乎與橡膠本身用量相當。在橡膠加工中又將填料分為補強劑和填充劑。 橡膠的補強是指在橡膠中加入一種物質后，能夠提升硫化橡膠的耐磨性、抗撕裂強度、拉伸強度、模量、抗溶脹性等性能的行為。凡具有這種作用的物質稱為補強劑。 常用補強劑：炭黑、白炭黑、短纖維、無機納米材料等。
2、橡膠用炭黑
根據(jù)世界范圍的統(tǒng)計，橡膠用炭黑的消費量約占炭黑總量的89.5%，其中輪胎用占67.5%，汽車橡膠制品用占9.5%，其他橡膠制品用占12.5%。非橡膠用炭黑(亦稱專用炭黑或特種炭黑)約占10.5%，其中塑料用占4.5%，油墨用占3.8%，涂料用占0.9%，其他制品用占1.3%。
炭黑是橡膠工業(yè)中最重要的補強性填料，可以毫不夸張的說，沒有炭黑工業(yè)就沒有現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的橡膠工業(yè)。 按炭黑在橡膠中的作用將炭黑分為硬質炭黑和軟質炭黑。 硬質炭黑：粒徑在40nm以下，補強性能高的炭黑，如超耐磨、中超耐磨、高耐磨炭黑等。 軟質炭黑：粒徑在40nm以上，補強性低的炭黑，如半補強炭黑、熱裂法炭黑等。
橡膠用炭黑一般按照ASIM-1765-81標準來分類命名。命名系統(tǒng)由四部分組成。第一個英文字母代表硫化速度，N代表正常硫化速度，S代表緩慢硫化速度。后面跟著三個數(shù)字，第一個代表炭黑平均粒徑范圍，共分為0~9個等級。第二和第三個數(shù)字則是由美國材料試驗協(xié)會負責炭黑和術語的D24.41委員會指定的，反映不同的結構程度，也就是炭黑大概的高低結構確定的，有一定的任意性。相對而言，數(shù)字越大，結構越高。 ASIM的炭黑分類命名。
炭黑的補強作用在于它的表面活性而能與橡膠相結合。橡膠能夠很好地吸附在炭黑表面，潤濕了炭黑。吸附是一種物理過程，即炭黑與橡膠分子之間的吸引力大于橡膠分子間的內聚力，即物理吸附。這種結合力比較弱，還不足以說明主要的補強作用。主要補強作用在于炭黑的不均勻性，有些活性很大的活化點，具有不配對的電子，能與橡膠起化學作用。橡膠吸附在炭黑的表面上而有若干個點與炭黑表面起化學的結合，這種作用稱為化學吸附，化學吸附要比單純的物理吸附大得多。這種化學吸附的特點是分子鏈比較容易在炭黑表面上移動，但不易和炭黑脫離。這樣，橡膠與炭黑就構成了一種能夠滑移的強固的鍵。這種鍵產(chǎn)生了第二個補強效應。第一個補強效應是當橡膠受到外力作用而變形時，分子鏈的滑移及大量的物理吸附作用能夠吸收外力的沖擊，對外力引起的摩擦或滯后形變起緩沖作用;第二個效應是使應力分布均勻。這兩個效應的結果使橡膠強力增加。抵抗撕裂，同時又不會過于損壞橡膠的彈性(即分子鏈的運動)。這是炭黑補強作用的基本原理。
炭黑是橡膠工業(yè)不可缺少的原材料。炭黑約有94%用于橡膠制品，橡膠制品種類繁多，使用條件和性能要求各異，主要產(chǎn)品有膠管、橡膠減震制品、橡膠密封制品、膠輥、導電或防靜電橡膠制品、硬質橡膠以及膠鞋等幾大類產(chǎn)品，而每類橡膠制品又根據(jù)用途、使用條件而細化為若干品種。
炭黑在橡膠制品中作為重要補強劑，它可以改善輪胎的磨耗性能，提高了膠料的拉伸強度和撕裂強度等。在橡膠用炭黑中，75%左右的炭黑被制造成輪胎，其余的用來制作膠管、膠帶等。
3、炭黑的補強作用機理
目前，關于炭黑的增強作用機理主要有分子鏈滑動理論 、結合膠理論、填料網(wǎng)絡理論、炭黑表面結構理論以及范得華網(wǎng)絡理論等。
(1)分子鏈滑動理論
分子鏈滑動理論認為，吸附在炭黑表面的橡膠分子鏈有一定的活動能力。當有應力作用時，橡膠分子鏈在炭黑粒子表面滑動，外力撤銷后，膠料收縮，經(jīng)過長時間恢復后，吸附和解析達到了新的動態(tài)平衡，膠料又恢復或接近于原始狀態(tài) 。
(2)結合雙層模型膠理論
該理論模型認為，吸附在炭黑外圍的結合膠由里層玻璃化硬層和外層黏性硬層組成，在應力逐漸增大的情況下，由于黏性硬層發(fā)生取向，對模量增大的貢獻很大，由于玻璃化硬層聚合物分子運動受到限制,對模量增大沒有發(fā)揮作用。
(3)填料網(wǎng)絡理論
隨著炭黑配合量的增加，炭黑粒子之間可形成填料網(wǎng)絡結構。對于形成填料網(wǎng)絡而言，填料和填料之間、填料和聚合物之間的相互作用及聚集體間的距離是重要的影響因素。
(4)炭黑表面結構理論
該理論認為，活性填料的表面是凹凸不平，彈性體的增強受活性填料的表面結構粗糙度和尺寸范圍影響。這種結構對于體積效應或者填料和聚集體的相互作用有著巨大的影響。
(5)范德華網(wǎng)絡理論
該理論認為在橡膠變形時，在填料粒子之間的吸溜膠的形變遠大于宏觀形變，所以填料粒子聚集體可以產(chǎn)生內部滑移。橡膠的增強效果與吸留膠的厚度分布有關，使粒子分開的臨界應力是粒子之間的范德華應力。
21世紀以來，由于科技的進步，橡膠的性能不斷地被開發(fā)并應用，目前橡膠制品已存在于人們生活的方方面面，支持著人們的衣食住行。而橡膠的作用如此巨大，炭黑在其中也扮演了非常重要的角色，可以說是居功至偉。
二 、炭黑的著色作用
講完了炭黑的補強，下面炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)小編接著帶大家了解一下炭黑的另一大作用——著色。大家都知道炭黑是一種很常見的工業(yè)原材料，而且大家對炭黑也已經(jīng)有了一定的了解，接下來炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)小編就不得不提出一個新的概念——色素炭黑。
色素炭黑指的是在涂料、油墨、塑料、化纖和皮革化工中作為著色劑使用的色素。
其主要功能是著色中國國家標準GB/T 7044—1993《色素炭黑技術條件》規(guī)定了色素炭黑的分類和品種名稱及其代號。一般分為高、中、低色素三類。一般分為高、中、低色素三類。如按其黑度和制造方法則可分為：高色素槽黑(HCC)、高色素爐黑(HCF)、中色素槽黑(MCC)、中色素爐黑(MCF)、普通色素槽黑(RCC)、普通色素爐黑(RCF)和低色素爐黑(LCF)。色素炭黑 color black 在油墨、油漆、涂料等制品中作著色顏料用的炭黑。按著色強度(或黑度)和粒子大小一般分為高色素炭黑、中色素炭黑、普通色素炭黑和低色素炭黑四種。主要由接觸法和油爐法生產(chǎn)。
色素炭黑一般都能較好的給塑料著色，可根據(jù)著色特性或物化性能選用色素炭黑，著色用炭黑的品種的選擇基本上都是隨成品須達到的黑度而定。用極細的色素炭黑可以完成黑度要求特別高的著色; PE垃圾袋，塑料袋，電纜材料之類產(chǎn)品只需中等水平黑度，可以用比表面積較低，結構較高的炭黑品種;塑料調色時，炭黑稱量和配料時出現(xiàn)的微小誤差，均會導致明顯的色差，因此，宜采用粒徑較大，著色力較差的低色素炭黑，這樣炭黑用量可以稍大，稱量誤差相對小些，并有分散性較好、價格較低的優(yōu)點。
對于灰色塑料，采用細粒色素炭黑往往呈現(xiàn)棕相灰色，而采用粗粒子色素炭黑可產(chǎn)生藍相灰色。
與其它有機顏料相比，炭黑除分散較困難外，其他性能均較好。科學的炭黑配合量，可提供較好的抗靜電或導電性。
炭黑基本上是無毒的，但較易飛揚和污染，故常以色母粒形式供塑料行業(yè)使用，在消除污染的同時也改善了炭黑在塑料中的分散。
選擇炭黑的基本思路：
使用者在選擇炭黑前首先要考慮的是：你想用炭黑來達到什么要求?著色、調色、抗紫外線還是起導電作用。最重要的是一定要和炭黑的專業(yè)技術工程師進行溝通，共同對物料體系進行技術評價，選擇比較合適的炭黑品種。通常情況是：
著色用——選擇黑度高、粒徑小的炭黑，但一定要保證炭黑經(jīng)過合理的、完全的分散，否則反而會背道而馳，達不到原來要求。
配色用——選擇黑度低、粒徑大、易分散的炭黑。
抗紫外線用——主要用在塑料和橡塑里，選擇中等粒徑、結構稍高些的炭黑，它們的抗紫外線性能最佳。
三 、炭黑的導電作用
炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)小編今天要介紹的炭黑最后一個功能是導電，沒錯，炭黑也是可以導電的，調皮的男生在小的時候都一定對家里的廢舊電池很感興趣，想必大家也都親手拆過，其實里面也是有炭黑的，而且炭黑對電池的導電起到了至關重要的導電作用。
導電炭黑是具有低電阻或高電阻性能的炭黑。可賦予制品導電或防靜電作用。其特點為粒徑小，比表面積大且粗糙，結構高，表面潔凈(化合物少)等特性。
導電炭黑是利用炭黑本身具有的導電性能，高結構性質，聚集體不規(guī)則且尺寸非常小納米級，與其他物料混煉均勻容易等特點，可在絕緣體塑料，橡膠油墨，油漆中形成立體網(wǎng)狀結構導電通路，使絕緣體產(chǎn)品在導電炭黑的作用下具有了導電功能，從而使得絕緣體材料具有防靜電和導電能力。有效的增加產(chǎn)品的使用性能和范圍，如用導電的塑料管材取代了以鋼鐵管道為通道的礦井通風管道，利用塑料的耐老化，可導出靜電，操作容易等優(yōu)點。導電碳黑具有粒徑小，結構高，表面純凈，粗糙多空且空心狀等特點，可有效在絕緣體中形成立體網(wǎng)狀結構，有效提高導電性。導電(碳黑)炭黑應用于橡膠，塑料，涂料等行業(yè)，可起到良好的防靜電作用，避免電荷積造成放電，影響生產(chǎn)安全。導電炭黑是所有的導電填料中效果好，成本低，不容易引起產(chǎn)品物理性能變壞的產(chǎn)品。
電解焦油制備導電炭黑：
導電炭黑特性
1、比表面積大
比表面積越大，碳黑粒子尺寸越小，單位體積內的顆粒就越多，越容易彼此接觸形成網(wǎng)狀通路，因此比表面積越大，導電性就越好。
2、分散性能良好
高結構和柔軟的顆粒外觀，易于加工分散，使材料的電性能/機械性能得以均衡，終制品外觀光潔流暢。
3、表面化學特性
在碳黑生產(chǎn)過程中，碳黑表面常形成一些活性含氧基團，這些官能團的存在影響電子的遷移，會使導電性下降，可采用PH值來表征該項指標，表面官能團少的碳黑通常成弱堿性或中性。
4、導電性能優(yōu)異
高結構炭黑，很低的添加量即可達到優(yōu)異的導電性能，二次破碎后導電性也基本不受影響。
導電炭黑產(chǎn)品具有很大的靈活性，可根據(jù)不同的應用需要選擇金屬鍍層、粒子核種類、粒子大小及粒子形狀等以達到不同的導電及屏蔽要求。
高性能導電炭黑怎么選擇？
導電碳黑是一種特種碳黑，它們必須具備這些基本特性，如比表面積大、捕捉電子的雜質少、結晶度比較好等。
導電碳黑的結構性是表示非常細的碳黑粒子間聚成鏈狀或葡萄狀的程度，由凝聚體的尺寸、形態(tài)和每一凝集體中粒子數(shù)量所決定;組成聚集體的粒子越多，結構性越高;形成網(wǎng)狀結構的幾率越大，導電性越好：
由大量支化和交聯(lián)原生粒子構成的凝集體組成碳黑稱為“高結構”碳黑。結構性高表示鏈狀或串成葡萄狀的結構越發(fā)達，容易形成空間網(wǎng)絡通道，而且不易破壞。
高結構碳黑顆粒細，網(wǎng)狀鏈堆積緊密，比表面積大，單位質量顆粒多，有利于在聚合物中形成鏈式導電結構。
一般用吸油值(DBP)來表征碳黑的孔隙度，即結構性， 吸油值DBP越大，碳黑結構性越高，導電性越好。
導電炭黑主要應用 ：
1.防靜電產(chǎn)品:導電發(fā)泡管，充電輥，靜電消除器，防靜電輸送帶，防靜電膠板，防靜電箱、中空板，防靜電管，醫(yī)用橡膠制品，地毯，復印機輥，印刷機輥， 電子組件包裝薄膜，防爆電纜;還有抗靜電臺墊，抗靜電鞋底等。
2.導電產(chǎn)品:電纜屏蔽料，面狀發(fā)熱體，導電薄膜，彈性電極，印刷電路，導電涂料，導電油墨、導電纖維，導電皮革制品及粘結劑。礦用運輸帶，礦用塑料管，礦用導風筒等。
為什么導電炭黑能夠被廣泛應用于電池中？
導電碳黑能夠被廣泛應用于電池中，原因有以下幾個方面：
(1)導電碳黑有一個獨特的分支形式，大量導電接觸點。
(2)超導炭黑具有很高的導電性，少量的添加就能實現(xiàn)高導電性。
(3)使用量小，使其能夠填充更多的活性物質，提高電池的容量。
(4)在充、放電過程中，電池電阻的大小不隨著電池體積的不斷變化而變化，這樣增加了電池的穩(wěn)定性。
導電炭黑的微觀構造炭黑粒子具有微晶結構，在炭黑中，碳原子的排列方式類似于石墨，組成六角形平面，通常 3~5個這樣的層面組成一個微晶，由于炭黑微晶的每個石墨層面中，碳原子的排列是有序的，而相鄰層面間碳原子的排列又是無序的，所以又叫準石墨晶體。
以上就是對于炭黑三大功能介紹的全部內容了，關于炭黑的知識我們又了解了很多。希望小編的文章可以對大家有所幫助，如有問題可以評論，小編必知無不言，言無不盡!
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