走进炭黑

摘 要：在深入了解“倍耐力”轮胎生产过程的时候，生产轮胎所需的重要原料之一——炭黑引发了作者的兴趣。炭黑的发展历史、生产过程是怎样的？物理形态是什么样？颜色黑度如何？主要用来干什么用？……带着这些好奇和疑惑，通过翻阅有关资料和现场试验观察，作者逐步走进了炭黑、认识了炭黑、了解了炭黑。想通过这篇文章，记录下作者对炭黑的初浅认识。

关键词：炭黑； 发展史； 结构； 用途

中图分类号：TQ127.2 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2016）01-020-001

在收看一场意甲球赛时，我发现国际米兰队员的球衣上都印有“倍耐力”三个汉字，我感到十分疑惑，联想到爸爸曾经说过倍耐力在亚太地区唯一的轮胎生产基地就在我们家乡。随后，我查阅了有关资料。原来，倍耐力集团是国际米兰的官方赞助商，在我们家乡生产的“倍耐力”轮胎畅销世界各地。带着这些好奇和自豪感，我走进了倍耐力实验室和图书馆。随着对倍耐力轮胎的深入了解，炭黑这一生产轮胎的重要原料引起了我的格外注意和浓厚兴趣。通过这篇文章，记录下我对炭黑的逐步认识。

一、炭黑是如何发展起来的

通过翻阅资料，我发现“炭黑”（Carbon Black）这一术语在十九世纪才出现，而其实在我国古代已经开始使用炭黑了，主要用来制墨，只不过当时叫“炱”或“烟炱”。最初是通过燃烧松油生成松烟，也就是当时的炱。魏代的韦诞是通过松油制造炱的能手，到了晋代炱的应用已经十分普及。到后来，我们的祖先又通过燃烧石油生成炱。在沈括的《梦溪笔谈》中，提出了“民间把石油作为燃料燃烧时，可产生大量炱”，并在书中写道“烟甚浓，所沾帷幕皆黑”；他还亲自作试验，证实这种炱比松油燃烧时产生的炱更好，正如书中所写“黑光如漆，松烟不及也”。可以说，我国就是炭黑的发源地，并在炭黑生产方面积攒了极为丰富的经验，为世界文明作出了卓越贡献。

二、炭黑是如何生产的

实际上，炭黑的生产很简单，任何燃烧形成的黑烟都是炭黑，只是形态不大一样。比如我们的老式煤油灯罩上的黑烟是炭黑，蜡烛燃烧时产生的黑烟也是炭黑。不论是燃烧松油，还是燃烧石油、煤焦油等，炭黑的形成原理都是一样的，是由含碳化合物在不完全燃烧下形成的无定形的碳。

现代炭黑的生产工艺越来越成熟、越来越先进，不同的产品使用不同的生产工艺，主要有灯黑生产工艺、气黑生产工艺、炉黑生产工艺、槽黑生产工艺。比如气炉法炭黑，用炉黑生产工艺制成，是将处理后的天然气通入反应炉，通过鼓风机将一定量的空气送入反应炉，使天然气与空气混合形成一股旋流，其中的一部分天然气燃烧放热，提供高温环境，另一部分天然气在此高温下发生裂解，生成炭黑，炭黑在燃烧余气中悬浮，这种含炭黑的烟气被送入烟道进一步活化，然后送至冷却塔，用水将其降温通入袋滤器，经筛选后送至造粒机造粒，形成炭黑产品。

三、炭黑的物理形态及其对黑度的影响

为进一步了解炭黑，在老师的指导下，结合有关资料，我到实验室对炭黑进行了更深入的观察认知。我了解到，任何一种物质从科学角度来讲，都要用可量化的指标进行表征，对炭黑来讲主要是两个参数：一个是粒径，另一个是结构。

（一）炭黑的物理形态

1.炭黑的粒径：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不同粒径范围的炭黑产品，灯黑生产工艺得到的产品相对粗糙，气黑生产工艺可得到精细的产品，炉黑生产工艺可得到几乎所有粒径范围的炭黑。而同一品种的炭黑，其粒子大小也并不完全相同，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，比如颜料炭黑的粒子细度可低至5nm。

2.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。

3.炭黑的结构：炭黑的结构性是以炭黑粒子间聚成链状或葡萄状程度来表示的。目前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。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，这种炭黑颗粒细，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，其中乙炔炭黑为最佳。

（二）炭黑的物理形态对黑度的影响

炭黑的黑度是指炭黑所具有的黑色呈现强度。炭黑用我们的肉眼看起来都是黑色的，但是如果仔细观察，就会发现其实不同规格的炭黑是不一样的黑。有的看起来很黑，有的不是很黑，呈深灰色。就其炭黑的化学组成来讲，它们都是碳，而含碳量基本一致，那么为什么会不一样黑呢？

大家知道，我们观察一个物体是什么颜色时，主要取决于该物体对七色光的吸收和反射程度，比如当一个物体对七色光无选择的全吸收，这个物体就是黑色的；当对七色光吸收和反射并存时，就是灰色的。

同样，炭黑的黑度也取决于炭黑对七色光的吸收和反射程度。另外，由于炭黑的颗粒非常小，基本颗粒直径只有几十纳米，所以炭黑表面对光不仅有吸收和反射作用，还有散射作用。而影响炭黑对光吸收程度的主要因素还是炭黑的粒径和结构。

首先是炭黑粒径对黑度的影响。我们都知道，一个物体的基本颗粒越小，其对光的散射作用就越大，反射光就越弱，这样看起来就越黑。对于炭黑来讲，不同品种的粒径大小不一样，粒径越小的，看起来自然要更黑一些。

其次是炭黑的结构对黑度的影响。炭黑的结构是炭黑支叉度的表征，结构高说明其支叉结构比较发达。对于粒径相当的炭黑颗粒而言，结构度高，支叉结构发达，其自身的堆积结构就比较松散，对光的反射作用也就越强，其黑度相对于低结构支叉不发达的炭黑就要小一些。

中国的炭黑工业经过了六十年的发展，由小到大，由弱到强，其产能、产量逐步跃居到全球前列。随着现代工业特别是汽车制造业的迅猛发展，对炭黑生产技术水平的要求越来越高，炭黑市场前景广阔，同样充满更大挑战。随着了解的深入，我的兴趣也与日俱增，我将加倍努力学习，深入刻苦钻研，积极投身到炭黑工业的发展中，为实现制造强国的中国梦努力奋斗！

参考文献：

[1]李炳炎.炭黑生产与应用手册，化学工业出版社，2000

[2]吴立峰，丁丽萍.炭黑应用手册，化学工业出版社，2008