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炭黑101

 

炭黑的实际性能取决于基本性质和分布水平。最重要的物理和化学性能包含炭黑基本粒子子大小、孔隙、结构和表面化学。这些性能都是自然分布形成的,而分布的属性影响其性能。任何特定基质的分布水平很大程度上受到混合设备,配方(包含分散剂的选择)以及物理形态的影响。

什么是炭黑? 炭黑是用来制造很多日用产品的一个重要组成成分,它能够加深产品的颜色、使产品更加强韧、经久耐使。纯净的炭黑为细黑色粉末,其基本组成元素为碳元素。炭黑是低值渣油在特定受控的工艺条件下,采用在高温下不完全燃烧和热解的方式制成。

炭黑主要用做轮胎橡胶的补强剂,也可作为颜料、紫外线稳定剂、导电剂或绝缘剂应用于各种橡胶、塑料、油墨和涂料中。除了轮胎,使用炭黑的其他日常用品还包括软管、输送带、塑料、印刷油墨和汽车涂料。

炭黑的基本性质决定其应用性能。这包括:

  • 粒径大小
  • 结构
  • 多孔性
  • 表面化学或表面活性
  • 物理形态

基本粒子大小

炭黑基本粒子大小是通过电子显微镜测量的,它是影响橡胶应用性以及特种炭黑着色性能的根本属性。

对于特种炭黑来讲,炭黑粒径直径越小,表面面积越大,着色性能越强。高表面面积意味着黑度高,传导性强,耐老化,粘度大,但是能耗高。

对于橡胶来讲,细微的颗粒致使强度增加,抗磨性强,粘度更高。然而,分散细微颗粒需要更多的混合时间和能量。炭黑粒径的典型大小一般是从8纳米到100纳米。工业上将表面面积作为炭黑精细度,也就是炭黑粒径的测试标准。

结构

这是炭黑分子构成聚合物的三维融合度指标,炭黑聚合物是由大量的炭黑分子构成的。聚合物的形态以及支化度被称为结构。

高结构炭黑粘度高,导电性强,作为特征炭黑易于分散。通过形状分布的电磁分析、吸油或孔隙体积分析可以获得聚合结构指标。

炭黑结构水平可以最终确定其应用在橡胶中的几个重要属性。炭黑结构增强可以增加其模量,硬度,导电性,并改进其分散性,但是会增加混炼胶的粘度。

孔隙

这是炭黑的基本属性,在生产过程中可以进行控制。它会影响表面积,使总表面积(NSA)大于外表面积(STSA)。

导电性的特种炭黑孔隙度高,孔隙度的提高使混炼胶在增加炭黑用量的同时保持混炼胶的比重。这会在用量固定的前提下增加复合物的模量和导电性。

表面化学或表面活性

这是炭黑制造和热历史的过程,通常指的是附着在炭黑表面的含氧基团。

特种炭黑的氧化表面提高颜料湿润度、分散性、流变和在特定系统中的整体性能。其他情况下,氧化过程会提高炭黑的电阻率,使之更具亲水性。表面活性是通过炭黑表面“活性官能团”成分数量来衡量的。高活性通常代表着低酸碱度值。

我们很难测量橡胶炭黑的表面活性,它通常都是通过橡胶的耐磨性、抗拉伸性、滞后性和模量等性能体现出来的。表面活性对于固化特性的影响很大程度上依赖于使用的固化系统。

物理形态

物理形态在将炭黑与分散设备相匹配时至关重要。物理形态(造粒或者粉末)会影响到处理和混合特性。

最终分散度也是混合过程和使用设备的函数。粉末状炭黑适用低剪切和三辊式滚压机。粒状炭黑适用研磨机、磨球机和其他高能设备。粒状炭黑低尘、利于管道输送但是堆积密度高,粉末状炭黑分散性良好。

炭黑是怎么制成的?

在博拉炭黑,我们在高温反应器中,以油(有时为天然气)为原料,严格控制火焰的合成过程来生产炭黑。这种油通常是原油或煤炭提炼后的渣油,从炼油厂、石油化工厂及煤焦油蒸馏厂采购而得。

通过调节反应器的工艺条件——如温度、流速、反应时间和反应器的设计——我们能够生产具有不同形态(比表面积和结构水平)的各种系列的碳黑产品,以满足所有客户的不同需求。在整个制造过程中,我们采用分布式控制系统,以确保我们的产品符合最高的质量标准。

在六步炭黑制造过程中,反应器产生大量温度很高的尾气,这些尾气的热值可用于制造蒸汽和发电。我们尽可能地回收这些尾气能源,以满足我们企业内部的能源需求;同时,我们还将此过剩的能源提供给我们周边的企业和社区。这将大大减少我们的温室气体净排放量,并为我们邻近的社区和合作伙伴提供了宝贵的资源。

我们的六步炭黑生产过程
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