氣黑

氣黑 ，即由天然氣製得的炭黑。

基本介紹

• 中文名：氣黑
• 外文名：gas black
• 含義：由天然氣製得的炭黑
• 套用：橡膠、塑膠、造紙等

炭黑簡介

炭黑主要由90%~99%的元素碳組成，呈準石墨微晶結構，是橡塑製品的主要補強性填料。炭黑品種較多，按對橡膠增強效果不同，炭黑可分為活性或增強性、半增強或半活及低增強或低活性三種；而炭黑根據製造方法和使用特點又可分為：接觸法炭黑、爐法炭黑和熱解法炭黑；按磨耗性能分：高耐磨爐黑、中超耐磨爐黑和超耐磨爐黑；按使用特點可分：橡膠用炭黑、色素炭黑和導電炭黑。橡膠用炭黑的粒徑一般在11~500nm之間，根據其粒徑及性質功用的差異又有超耐磨爐黑、高耐磨爐黑、半補強爐黑等數種劃分方法。

炭黑的種類及用量不同，對橡膠製品的加工工藝和性能的影響也各異。膠料的門尼黏度、抗焦燒性以及壓出性能與炭黑都有密切的聯繫。一般為：

1.橡膠中加入炭黑後，會提高膠料的門尼黏度，且炭黑的粒徑越小及結構化程度越高時炭黑膠料的門尼黏度值越大。如各種油爐法炭黑及熱裂炭黑對丁腈膠料門尼黏度的影響有如下順序：中超耐磨爐黑（ISAF）>高耐磨爐黑（HAF）>快壓出爐黑（FEF）>細粒子爐黑（FF）>半補強爐黑（SRF）>細熱裂炭黑（F1）>中熱裂炭黑（MF）>無炭黑。

2.含炭黑的膠料均有不同程度縮短焦燒時間的趨向。膠料的焦燒時間是加工過程的一個重要參數，各種炭黑對焦燒時間影響的順序如下：熱裂法炭黑<槽法炭黑<半補強爐黑<細粒子爐黑<快壓出爐黑<高耐磨爐黑<超耐磨爐黑。

3.適量的補強性炭黑如槽法炭黑、中超耐磨爐黑和高耐磨爐黑等能夠增加非石棉橡膠板的抗張強度，但過量的炭黑可能削弱板材的強度。而隨著炭黑含量的增加，硫化膠的硬度卻持續上升。

4.炭黑性質，用量對非石棉纖維增強彈性體墊片複合材料的壓縮變形影響較大。總的趨勢是填充炭黑後，板材的壓縮率降低。但各種炭黑影響不同，對壓縮變形影響大小為：無炭黑時或細粒子熱裂炭黑>中粒子熱裂炭黑或中粒子超耐磨爐黑>細粒子爐黑、快壓出爐黑或高耐磨爐黑>半補強爐黑。炭黑對非石棉橡膠板回彈性的影響也各異。使用粒徑較小的高補強性炭黑，板材的回彈性較低，而板材中加入粒徑大、結構較低的熱裂炭黑寸，硫化膠表現良好的回彈性。各種炭黑對硫化膠回彈率的影響程度如下：無炭黑時>中粒子熱裂炭黑>細粒子熱裂炭黑>半補強爐黑>快壓出爐黑>細粒子爐黑>高耐磨爐黑>中超耐磨爐黑。

炭黑對橡膠性能的影響主要取決於炭黑的比表面積、結構性、氫含量、氧含量，同時也與炭黑填充量的大小密切相關，炭黑對橡膠的補強性能的最佳量一般為40~60份。炭黑是一種優異的黑色原料，由於大多非石棉密封材料均不採用黑色，因此一般非石棉纖維增強彈性體墊片複合材料的生產過程中較少選用炭黑作為填料。

氣黑的性質及質量指標

以天然氣為原料生產的炭黑有爐黑和槽黑，以下介紹它們的性質及質量指標。

炭黑的性質

炭黑是烴類在高溫下不完全燃燒或熱裂解所生成的黑色微顆粒狀物質，其主要成分為碳，但也含有少量或微量的氫、氧及其他元素，炭黑粒徑在10~400nm之間，處於膠體範圍。

天然氣爐黑與槽黑的化學組成與性質有櫃當大的差別，下表給出了其典型組成以及與水混合形成的炭黑泥的pH值。

天然氣炭黑的典型組成

鑑別炭黑的最重要的三項性質是表面積、結構及表面化學。炭黑粒子小、表面積大，但橡膠用炭黑如天然氣半補強爐黑主要是外表面積，而色素及導電炭黑則有相當量的內表面積。炭黑的結構系指其粒子熔合與聚集而成的一種狀態，形成不同的堆積狀態和空隙容積，通常以測定空隙容積的：大小來表徵結構。炭黑中的氧對其表面化學以至套用性能產生很大的影響，氧以酸性官能團或鹼性官能團的形式存在於炭黑表面上；槽黑系在過量空氣的工況下生成，表面主要是酸性官能團，爐黑則在還原氣氛中生成，表面多為鹼性官能團。

對於某些用途的炭黑而言，吸附性、著色強度和導電性也是重要的性質指標。

炭黑的真實密度在1.84~2.06g/cm³間，但表觀密度很低，粉狀炭黑為0.08~0.19g/cm³，粒狀炭黑為0.3~0.5g/cm3。

氣黑質量指標

中國橡膠用天然氣半補強爐黑和槽黑國家標準中的質量指標示於下表。

中國色素炭黑有槽法及爐法兩類，前者分成高（HCC）、中（MCC）及普通（RCC）三種，後者也分成高（HCF）、中（MCF）及普通（RCF）三種，中國國家標準中的質量指標示於下表。

中國色素炭黑質量指標

生產方法和特點

用天然氣生產炭黑的方法有三種：槽法，爐法和熱解法。

槽法

發現最早，美國1972年首次制出槽法炭黑。槽法的原料用天然氣。出於經濟上的考慮，先將天然氣中的低沸點汽油餾分用重質燈油吸收下來，然後再來生產炭黑。

天然氣在缺乏空氣的情況下燃燒，將燃燒所生成的氣體和炭流與槽鋼接觸，生成的炭黑沉積在槽鋼上。槽鋼在位置固定的刮刀上緩慢地往復運行，以刮下沉積的炭黑。刮下來的炭黑落入料斗中，然後用螺旋輸送器將其送到包裝室進行包裝。

槽法炭黑收率低，一般收率不到5%（克/米³），上等的色素炭黑收率僅1%。由於燃燃工業及化學工業上對天然氣的需要，使得氣價上漲，從而使槽黑的經濟狀況更加惡化。此外槽法生產還會造成大氣污染。因此在經濟上無法與爐黑競爭。

槽黑生產工藝流程

爐法

此法的工藝過程是由噴燃器、反應器急冷和收集等部分構成的。反應器有臥式和立式兩種。爐形呈長方體或圓柱體，爐內襯有耐火磚和保溫磚。

爐法炭黑分為氣爐法和油爐法。由於以天然氣為原料製取炭黑的收率低，因此改用富含芳烴的液體石油餾分作原料。

以天然氣為原料可生產半補強爐黑、高定伸爐黑及細粒爐黑等品種，中國主要生產半補強爐黑以及少量冶金用炭黑。半補強爐黑主要用於胎體、膠鞋、電纜線、皮帶及膠管等。

一定比例的天然氣與空氣噴入爐內形成旋轉燃焰，同時烴類產生裂解而得炭黑懸浮於燃餘氣中，下圖為燃餘氣用於發電的爐法炭黑工藝流程圖。

天然氣爐法炭黑生產工藝流程圖

熱解法

反應爐內裝填有耐火格子磚，先使天然氣在爐內完全燃燒致使格子磚受熱，當達到一定溫度後，停止加熱，這時再通入天然氣（工藝用），利用格子磚所積蓄的熱量使天然氣熱解生成炭和氫。隨著熱解過程的進行，格子磚的蓄熱量不斷降低， 當降低到一定的溫度時，停止熱解，再從頭循環開始燃燒加熱，反覆進行熱解反應。實質上，熱解法從供熱方式看屬蓄熱室法。