炭黑技术讲座

第 1 期 炭黑技术讲座 第 1 讲 　炭黑的分类、命名和制造 李炳炎 ,于宝林 ,刘 　敏 (中橡集团炭黑工业研究设计院 ,四川 自贡　643000) 中图分类号 : TQ1271 1 + 1 ; TQ330138 + 1 　　文献标识码 : E 　　文章编号 :10002890X(2007) 0120059205 　　炭黑主要用作橡胶补强剂 ,是仅次于生胶的 第二大橡胶材料 ,在橡胶工业中的消耗量约占总 产量的 89. 5 %(其中在轮胎中的消耗量约占总产 量的 67. 5 %) 。此外 ,炭黑作为着色剂、导电剂或 抗静电剂及紫外线屏蔽剂等广泛用于塑料、涂料、 油墨和干电池等领域。 我国是最先制造和应用炭黑的国家 ,早在 3 000多年前就掌握了烧烟制墨技术。但长期以 来 ,炭黑的生产技术发展缓慢。直到 1872 年美国 实现槽法炭黑的工业化生产和 20 世纪初英国发 现炭黑对橡胶的补强作用 ,炭黑的生产和应用才 得到极大的发展。目前全球炭黑的年消耗量已超 过 800 万 t 。 我国炭黑工业是新中国成立后才建立和发展 起来的 ,改革开放以后 ,特别是近年来发展很快 , 我国已能生产橡胶用全部常规和部分特种炭黑。 2005 年我国炭黑产量达到 161 万 t 。我国已成为 仅次于美国居世界第 2 位的炭黑生产国。 1 　分类和命名 炭黑由烃类化合物 (液态或气态)经不完全燃 烧或热裂解制成 ,主要由碳元素组成 ,以近似球体 的胶体原生粒子及聚集体形式存在 ,外观呈黑色 粉末。炭黑一般加工 (造粒) 成直径为 1～2 mm 的粒状产品使用。 111 　分类 按制造方法 ,炭黑可分为不完全燃烧法炭黑 　　作者简介 :李炳炎 (19312) ,男 ,山东滨州人 ,中橡集团炭黑工 业研究设计院教授级高级师 ,从事炭黑研发工作。 和热裂解法炭黑两大类。不完全燃烧法炭黑包括 油炉法炭黑、气炉法炭黑、灯烟法炭黑、喷雾法炭 黑、槽法炭黑、滚筒法炭黑和混气法炭黑 ,热裂解 法炭黑包括热裂法炭黑、乙炔法炭黑和等离子体 法炭黑。不完全燃烧法炭黑产量占炭黑总产量的 97 %以上 ,而油炉法炭黑产量和需求量均占不完 全燃烧法炭黑总量的 95 %以上。 按用途 ,炭黑可分为橡胶用炭黑和非橡胶用 炭黑两大类。 按填充胶料性能 ,炭黑可分为硬质炭黑和软 质炭黑两大类。硬质炭黑多用于胎面胶 ,又称为 胎面炭黑 ,其填充的胶料硬度较高、强伸性能和耐 磨性能较好 ;软质炭黑多用于胎体胶 ,又称胎体炭 黑 ,其填充的胶料硬度和生热较低、弹性较好。 112 　命名 11211 　橡胶用炭黑 1121111 　传统分类命名法 橡胶用炭黑的传统分类命名与炭黑的基本性 质、补强性能和加工性能相关。 槽法炭黑是最先工业化的炭黑品种 ,其分为 难混槽法炭黑、可混槽法炭黑和易混槽法炭黑等 品种。 气炉法炭黑是继槽法炭黑之后工业化的炭黑 品种 ,最早的品种粒径较大、补强性能逊于槽法炭 黑 ,称为半补强炉法炭黑 ,后来开发了粒径较小、 补强性能较好的高定伸炉法炭黑和细粒子炉法炭 黑等。 油炉法炭黑的耐磨性比槽法炭黑好 ,其最早 的品种称为高耐磨炉法炭黑 ,后来开发了粒径较 小和耐磨性能更好的超耐磨炉法炭黑、粒径在高 95李炳炎等. 炭黑技术讲座 第 1 讲 炭黑的分类、命名和制造 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 耐磨炉法炭黑和超耐磨炉法炭黑之间的中超耐 磨炉法炭黑、粒径较大和加工性能较好的快压出 炉法炭黑、通用炉法炭黑及油炉法半补强炭黑等。 炭黑结构表征炭黑聚集体的不规则性及偏离 球状态的形态特征 ,是炭黑极其重要的性质。炭 黑结构高表征聚集体形态的不规则性强。填充高 结构炭黑的胶料粘度大、分散性好、硬度高、耐磨 性能优。20 世纪 50 年代以前仅有标准结构炭黑 品种 ,其后随着结构抑制剂和新工艺炭黑反应炉 的研发成功 ,可以设计和控制炭黑结构和聚集体 尺寸 ,粒径相同的炭黑又出现了高结构、低结构及 新工艺等品种。 1121112 　ASTM 系统命名 由于炭黑的品种越来越多 ,采用传统命名法 的炭黑名称越来越繁琐 ,且炭黑特性的表征变得 越来越困难 ,如所有炉法炭黑都用新工艺炭黑反 应炉生产 ,因此必须改进炭黑的命名方法。世界 各国曾提出不同的炭黑改进命名 ,但目前只 有美国材料试验学会制定的 ASTM D 1765《橡胶 用炭黑分类命名系统》才被各国普遍认可并采用。 ASTM D 1765 采用 1 个字母加 3 个数字的 方法对炭黑命名。所用字母为 N 或 S ,其代表填 充炭黑胶料的硫化速度 ,其中 N 表示正常硫化速 度 ,S 表示缓慢硫化速度。现行 ASTM D 1765 列 出的 40 多个炭黑品种中只有两个 S 系列品种 (均 为经氧化后处理的油炉法炭黑) ,其余均为 N 系 列品种。3 个数字的第 1 个数字表示比表面积 (1996 年前为粒径) ,该比表面积分为 10 组 (见表 1) ;第 2 和 3 个数字无明确意义 ,但也存在一定的 规律 ,如 N200 ,N300 和 N500 系列炭黑中 ,命名 的第 2 和 3 个数字组成的数分别小于 20 ,30 和 50 的炭黑 ,如炭黑N219 ,N326和N539均是低结 表 1 　ASTM D 1765 橡胶用炭黑命名系统的分组 组序 ASTM 系列名称 氮吸附比表面积×10 - 3/ ( m2 ·kg - 1) 粒径/ nm 中文名称 英文缩写 0 > 150 1～10 — — 1 N100 121～150 11～19 超耐磨炭黑 SAF 2 N200 (S200) 100～120 20～25 中超耐磨炭黑 ISAF 3 N300 (S300) 70～99 26～30 高耐磨炭黑 HAF 4 N400 50～69 31～39 细粒子炭黑 FF 5 N500 40～49 40～48 快压出炭黑 FEF 6 N600 33～39 49～60 通用炭黑 GPF 7 N700 21～32 61～100 半补强炭黑 SRF 8 N800 11～20 101～200 细粒子热裂法炭黑 F T 9 N900 0～10 201～500 中粒子热裂法炭黑 M T 构炭黑 ,第 2 和 3 个数字组成的数分别大于 20 , 30 和 50 的炭黑 ,如炭黑 N234 ,N339 和 N582 均 是高结构炭黑。 在 ASTM D 1765 列出的炭黑系列中 ,N100～ N300 为硬质炭黑 , N500～ N700 为软质炭黑 , N800～N900 为热裂法炭黑。近年来 ,随着轮胎 和橡胶制品的发展 ,对炭黑性能的要求不断提高 , 为此炭黑生产商不断开发不同功能、不同用途的 炭黑品种 ,如降低轮胎滚动阻力的低滞后炭黑、适 用于高性能轮胎的高性能炭黑、提高轮胎气密性 的气密层专用炭黑、改善制品表面光洁度的高纯 度炭黑及适用于工业橡胶制品的特种炭黑等。这 些炭黑大多由生产商自行命名 ,其名称没有申请 纳入 ASTM 标准。 要说明的是 ,ASTM D 1765 系统命名法虽已 被普遍采用 ,但传统命名法也仍在使用。 11212 　非橡胶用炭黑 按性能和用途 ,非橡胶用炭黑可分为色素炭 黑、导电炭黑、塑料用炭黑及专用炭黑等。 色素炭黑包括高色素槽法炭黑、高色素炉法 炭黑、中色素槽法炭黑、中色素炉法炭黑、普通色 素槽法炭黑、普通色素炉法炭黑和低色素炉法炭 黑等 ,主要用作涂料、油墨、塑料、化纤和皮革等的 着色剂。 导电炭黑包括导电炉法炭黑、超导电炉法炭 黑、特导电炉法炭黑和乙炔炭黑等 ,主要用作导电 剂或抗静电剂 ,乙炔炭黑还可作干电池的吸电液。 塑料用炭黑包括色母料专用炭黑、护套料专 06 橡 　胶 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　 　　2007 年第 54 卷 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 1 期 用炭黑和屏蔽料专用炭黑等 ,分别作塑料制品的 着色剂、抗静电剂和紫外线屏蔽剂等。 2 　制造方法 炭黑的制造方法有炉法、灯烟法、喷雾法、槽 法、滚筒法、混气法、热裂法、乙炔法和等离子体 法 ,其中炉法、灯烟法、喷雾法、槽法炭黑、滚筒法 和混气法为不完全燃烧法 ,热裂法、乙炔法和等离 子体法为热裂解法。 211 　炉法 炉法是在反应炉内 ,原料烃 (液态烃、气态烃 或其混合物)与适量空气形成密闭湍流系统 ,通过 一部分原料烃与空气燃烧产生高温使另一部分原 料烃裂解生成炭黑 ,然后将悬浮在烟气中的炭黑 冷却、过滤、收集、造粒成成品炭黑的方法。其中 , 以气态烃 (天然气或煤层气)为主要原料的制造方 法称为气炉法 (主要产品为软质炭黑) ,其工艺流 程如图 1 所示 ;以液态烃 (芳烃重油 ,包括催化裂 化澄清油、乙烯焦油、煤焦油馏出物等) 为主要原 料的制造方法称为油炉法。 油炉法由于具有工艺调节方法多、热能利用 率高、能耗小及成本低等特点 ,已成为主要的炭黑 图 1 　天然气半补强炉法炭黑的生产工艺 1 —鼓风机 ;2 —火嘴箱 ;3 —反应炉 ;4 —冷却塔 ;5 —排风机 ;6 —袋滤器 ;7 —收集器 ;8 —筛选机 ;9 —精制风机 ; 10 —风送旋风分离器 ;11 —造粒机 ;12 —吸尘袋滤器 ;13 —排风机。 制造方法。 与油炉法相比 ,气炉法的原料消耗量和综合 能耗较大。在天然气涨价后 ,其主要产品已被油 炉法产品取代。然而在天然气廉价的地区 ,制造 气炉法炭黑仍然有利 ,且气炉法炭黑还在很多橡 胶制品中应用。目前我国气炉法炭黑年产量为 3 万～4 万 t 。 212 　灯烟法和喷雾法 灯烟法和喷雾法的工艺过程与炉法相近 ,主 要差异是反应炉的上游端敞口 ,空气依靠炉后的 排风机抽入。 灯烟法是在反应炉的上游端把原料油 (芳烃 重油)加入炉口浅盘 ,通过一部分原料油与空气燃 烧产生高温使另一部分原料油裂解生成炭黑的方 法。灯烟法炭黑的粒子大、补强性能差 ,不适用于 橡胶制品 ,而主要用作涂料着色剂 ,目前国外尚有 少量生产。 喷雾法的原料油是从反应炉的上游端用机械 雾化喷嘴喷入的 ,这种制造方法由前苏联开发。 喷雾炭黑具有粒子大、结构极高、填充胶料强度中 等和永久变形很小的特点 ,特别适用于橡胶密封 制品。目前我国喷雾炭黑年产量为几千吨。 213 　槽法、滚筒法和混气法 槽法、滚筒法和混气法都是原料烃在空气中 进行不完全燃烧而形成开放型扩散火焰 ,再将火 焰还原层中裂解生成的炭黑冷却、收集、造粒制成 成品炭黑的方法。槽法和滚筒法均是通过火焰与 温度较低的收集面 (槽钢或钢制水冷滚筒表面)接 触来收集裂解生成炭黑的 ,故又称为接触法。 21311 　槽法 槽法是在自然通风的火房内 ,天然气或煤层 气通过数以千计的瓷质火嘴与空气进行不完全燃 烧而形成鱼尾形扩散火焰 ,通过火焰还原层与缓 慢往复运动的槽钢接触使裂解生成的炭黑沉积在 槽钢表面 ,然后由漏斗上的刮刀将炭黑刮入漏斗 内 ,经螺旋输送器输出、造粒而制成成品炭黑的方 法。槽法炭黑补强性能优异 ,特别适用于 NR ,曾 在橡胶工业中大量应用。但由于原料气涨价及生 16李炳炎等. 炭黑技术讲座 第 1 讲 炭黑的分类、命名和制造 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 产造成的环境污染问题严重 ,其已在 20 世纪 70 年代基本停产。但槽法炭黑是唯一可用于与食品 接触的橡胶用炭黑品种 ,目前在亚美尼亚还有一 家工厂生产。 21312 　滚筒法 滚筒法是在火房内 ,以焦炉煤气或氢气作载 体的汽化原料烃 (芳烃含量较大的烃类物质 ,如粗 蒽、蒽油或防腐油)通过灯管上数以千计的圆形小 孔与空气进行不完全燃烧而形成鼠尾形扩散火 焰 ,通过火焰还原层与旋转钢制水冷滚筒接触使 裂解生成的炭黑沉积在滚筒表面 ,然后用刮刀将 炭黑刮入漏斗内 ,经螺旋输送器输出、造粒而制成 成品炭黑的方法。 与槽法相比 ,滚筒法所用的原料烃芳烃含量 大、炭黑生成率高、烟气中悬浮的炭黑多。现在其 烟气中悬浮的炭黑一般采用袋滤器过滤回收并 与从滚筒表面收集的炭黑混合后再造粒制成成 品炭黑。 滚筒法炭黑的补强性能稍低于槽法炭黑 ,但 其胶料的耐磨性能优于槽法炭黑胶料。滚筒法炭 黑也曾在橡胶工业中大量应用 ,但由于其价格高 于油炉法炭黑 ,现在国内外都只有少量生产 ,主要 产品为油漆和油墨用色素炭黑。 21313 　混气法 槽法混气炭黑是最早采用混气法制造的炭 黑 ,它是在槽法火房内 ,以焦炉煤气或煤层气作载 体的原料烃 (粗蒽、蒽油或防腐油) 与空气进行不 完全燃烧而形成数以千计的鱼尾形扩散火焰 ,再 通过火焰还原层裂解制成的。 槽法混气炭黑是我国最先开发和生产的炭黑 品种 ,其生产成本远低于槽法炭黑而高于油炉法 炭黑 ,原用于 N R 补强 ,现主要用于油墨着色 ,产 量很小。 无槽混气法的生产工艺与槽法混气法相似 , 但火房内没有槽钢 ,生成的炭黑直接悬浮在烟气 中。与槽法混气法相比 ,无槽混气法的单位火房 产能大 ,但原料油消耗量也较大。目前无槽混气 法炭黑主要用于油墨着色 ,产量很小。 还有一种工艺与滚筒法相似的混气法 ,其火 房内也没有滚筒 ,生成的炭黑也直接悬浮在烟气 中。该法的生产效率比滚筒法高 ,目前只生产少 量油漆和油墨用中色素炭黑和普通色素炭黑。 214 　热裂法、乙炔法和等离子体法 21411 　热裂法 热裂法是一种不连续的炭黑制造方法 ,每条 生产线设置 2 个内衬耐火材料的反应炉。生产 时 ,先在一个反应炉内通入天然气和空气并燃烧 , 待反应炉达到一定温度后停止通入空气 ,使天然 气在隔绝空气的条件下热裂解生成炭黑。在该反 应炉进行裂解反应时另一个反应炉开始燃烧。每 个反应炉均在完成裂解反应且温度降到一定程度 后再燃烧加热 ,如此循环生产。生产出的炭黑与 烟气一起冷却 ,然后将收集到的炭黑进行造粒处 理。热裂法反应炉结构如图 2 所示。 图 2 　热裂法反应炉结构 1 —烟囱 ;2 —稀释气入口 ;3 —稀释气预热室 ;4 —空气入口 ; 5 —原料气入口 ;6 —原料气预热室 ;7 —燃料气和 空气入口 ;8 —分解室 ;9 —炭黑烟气出口。 热裂法炭黑是粒子最大、结构最低的炭黑品 种。热裂法炭黑填充的胶料强伸性能较低 ,但弹 性高、硬度和生热低、电导率小 ,且热裂法炭黑的 填充量大 ,其适用于轨枕垫等要求弹性高、生热低 和绝缘性能好的橡胶制品。另外 ,热裂法炭黑的 碳含量大和纯度高 ,可用于硬质合金、碳素制品的 生产。 21412 　乙炔法 乙炔法是先将乙炔和空气通入反应炉中燃 烧 ,待反应炉加热到一定温度后停止通入空气 ,使 乙炔在隔绝空气的条件下裂解为乙炔炭黑 (和氢 26 橡 　胶 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　 　　2007 年第 54 卷 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 1 期 气)的方法。由于乙炔裂解为炭黑和氢气的反应 是放热反应 ,因此反应可以连续进行 ,且需要用水 冷却炉壁以防过热。裂解生成的炭黑经冷却、输 送、捣磨、收集、压缩包装成成品炭黑。乙炔法反 应炉结构如图 3 所示。 图 3 　乙炔法反应炉结构 1 —乙炔入口 ;2 —石墨砖 ;3 —水冷夹套。 乙炔炭黑的结构高、导电性能好 ,可用于抗静 电或导电橡胶制品 ,但它的视比容大、胶料加工性 能差 ,故在橡胶工业中的应用已较少 ,目前主要用 于干电池生产。 21413 　等离子体法 等离子体法是用等离子体发生器加热反应 炉 ,使其达到极高温度来裂解原料烃 (气态烃、液 态烃或固态烃) 以连续生产炭黑的方法。该法具 有以下优点。 ·不用原料和燃料加热反应炉 ,原料烃的利 用率高 ,且可以使用芳烃含量不高的油 ,能缓解燃 料和原料短缺的问题。 ·裂解产生的氢气可作化工原料或汽车清洁 燃料。 ·不产生和排放一氧化碳、二氧化碳、二氧化 硫、一氧化氮和二氧化氮等有害废气 ,有利于环境 保护。 ·裂解反应生成的尾气少 ,可以降低炭黑收 集系统的投资和运转费用。 ·反应炉可达到的温度高且范围宽 ,有利于 产品的多样化。 但等离子体法生成炭黑的氛围和产品性质与 常规方法相差较大 ,此法尚处于研发阶段。目前 已开发出氮吸附比表面积为 52 ×103 ～90 ×103 m 2 ·kg - 1 、DBP 吸收值为 90 ×10 - 5 ～250 ×10 - 5 m 3 ·kg - 1 、表面没有孔隙且填充胶料物理性能接 近常规炭黑的等离子体法炭黑。 等离子体法有可能成为炭黑制造的主要方法。 (未完待续) 2006 丁基橡胶用户菁英会在苏州召开 中图分类号 : TQ3301 6 　　文献标识码 :D 2006 年 11 月 17 日 ,埃克森美孚化工公司在 苏州召开了 2006 丁基橡胶用户菁英会。中国橡 胶工业协会、北京橡胶工业研究设计院、轮胎生产 企业及《轮胎工业》等媒体单位的有关人员出席了 会议。 会议就中国橡胶与轮胎工业的发展对橡胶材 料需求以及 IIR 的研究与应用进展等情况进行了 充分的交流。中国橡胶工业协会会长鞠洪振做了 “中国橡胶工业的可持续发展与橡胶需求”的报 告 ,特别强调了轮胎产业安全问题———原材料供 应应保持稳定。北京橡胶工业研究设计院教授级 高工陈志宏就中国轮胎产业发展对橡胶需求的影 响做了精彩。埃克森美孚化工公司亚太区市 场沟通经理梁启明先生全面介绍了该公司在全球 和中国的发展情况 ;亚太区技术服务经理顾盛琦 对基于异丁烯的聚合物之演变进行了介绍 ;日本 技术服务经理武田孝司详细介绍了气压保持率对 轮胎耐久性能和轮胎性能的影响 ;全球市场策划 经理马岱伟和亚太区市场策划经理黄金山联合介 绍了全球轮胎发展趋势。会议期间 ,该公司中国 技术服务代表认真解答了与会代表有关 IIR 和 HIIR 的新品研究与应用及全球供求问题 ,特别 强调了 IIR 和 HIIR 在当前中国全面推广无内胎 轮胎产品进程中的重要作用。 埃克森美孚化工公司多年来与中国轮胎业界 保持着良好的合作关系 ,丁基橡胶的推广应用加 快了中国轮胎内胎丁基化的进程 ,促进了无内胎 轮胎的发展。与会代表希望在未来的共同发展进 程中 ,继续保持良好的合作关系 ,加强沟通 ,密切 合作 ,乘中国轮胎工业生产与需求发展之强势 ,实 现双赢。 (本刊编辑部 　黄丽萍) 36李炳炎等. 炭黑技术讲座 第 1 讲 炭黑的分类、命名和制造 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 炭黑技术讲座 第 1 讲 　炭黑的分类、命名和制造(续完) 李炳炎 ,于宝林 ,刘 　敏 (中橡集团炭黑工业研究设计院 ,四川 自贡　643000) 中图分类号 : TQ1271 1 + 1 ; TQ330138 + 1 　　文献标识码 : E 　　文章编号 :10002890X(2007) 0220124204 (接上期) 3 　制造工艺 由于油炉法是目前炭黑生产的主要方法 ,因 此以油炉法为例 ,介绍炭黑的生产工艺。 3. 1 　工艺流程 万吨级新工艺油炉法炭黑装置的工艺流程如 图 4 所示。具体过程为 :将燃料油 (气) 、结构抑制 剂和预热空气一起送入反应炉燃烧段燃烧以生成 高温燃烧气流 (火焰) ,当高温燃烧气流进入反应 炉喉管段 (混合段) 后 ,通过雾化喷嘴将预热原料 油注入气流中 ,其后汽化的原料油和高温燃烧气 流混合并进入反应炉的反应段裂解生成炭黑 ;急 冷水在反应炉的急冷段喷入以终止裂解反应和冷 却烟气。冷却烟气作为空气预热器和原料油预热 器的热源进行热交换而进一步冷却后进入主袋滤 器 ,经主袋滤器过滤分离炭黑后的净化尾气一部 分送干燥机尾气燃烧炉燃烧 (产生的燃烧排出气 体作干燥湿法造粒炭黑的热源) ,其余部分送尾气 锅炉作为燃料燃烧 ;主袋滤器分离出来的炭黑进 入风送系统 ,经微米粉碎机再由风送风机送至收 集旋风分离器。从收集旋风分离器出来的风送气 体由回流风机送回主袋滤器 ,而分离出来的炭黑 进入粉状炭黑贮罐 ,再进入湿法造粒机与造粒水 混合。造粒后的湿炭黑颗粒先进入干燥机干燥 , 再进入斗式提升机。由干燥机排出的携带水分和 炭黑粉尘的燃烧排出气体进入排气袋滤器 ,经排 气袋滤器分离的炭黑进入风送系统。斗式提升机 中干燥的炭黑颗粒经筛分机过筛 ,不合格的大颗 图 4 　油炉法炭黑的生产工艺流程示意 1 —反应炉 ;2 —主供风机 ;3 —空气预热器 ;4 —原料油预热器 ;5 —急冷水泵 ;6 —原料油泵 ;7 —主袋滤器 ;8 —尾气风机 ; 9 —微米粉碎机 ;10 —风送风机 ;11 —收集旋风分离器 ;12 —回流风机 ;13 —粉状炭黑贮罐 ;14 —湿法造粒机 ; 15 —回转干燥机 ;16 —排气袋滤器 ;17 —斗式提升机 ;18 —不合格品贮罐 ;19 —筛分机 ; 20 —磁选机 ;21 —螺旋输送机 ;22 —产品贮罐 ;23 —槽车。 421 橡 　胶 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　 　　2007 年第 54 卷 第 2 期 粒炭黑进入不合格品贮罐 ,合格炭黑进入磁选机。 磁选分离出的铁磁性物质和少量炭黑进入提升机 底部 ,被装在其底部的永久磁铁进一步分离。产 品炭黑经螺旋输送机送至产品贮罐。不合格品贮 罐中的炭黑由再处理风机送至再处理袋滤器 (图 中未示出) ,经再处理袋滤器分离出的炭黑再进入 生产系统。产品贮罐中的炭黑用槽车装载或由包 装机装袋后发往用户。 3. 2 　主要设备和工序 3. 2. 1 　反应炉 油炉法炭黑生产装置的核心设备是反应炉。 早期的反应炉结构较简单 ,通常由圆形钢制外壳 内衬耐火材料构成 ,一般通过反应炉上游端的喷 燃器送入空气和原料油。这种反应炉由于原料油 雾化状况不理想、热能利用率低、工艺调节手段较 少 ,原料油的消耗量较大、产品品种较少。 20 世纪 70 年代初开发的新工艺炭黑反应炉 结构变化极大 ,其包括 5 个不同功能的区段 :燃烧 段、喉管段、反应段、急冷段、停留段 ,如图 5 所示。 燃烧段的功能是使燃料油 (气)和预热空气充 分混合并完全燃烧 ,形成高动能的高温燃烧气流 进入喉管段。 图 5 　新工艺炭黑反应炉分段示意 　　喉管段位于燃烧段下游。在喉管段 ,预热原 料油通过轴向或径向雾化喷嘴喷到高温燃烧气流 中 ,原料油的雾滴与气流迅速混合并分散、汽化及 裂解脱氢形成炭黑晶核。为防止喉管段的晶核浓 度高导致炭黑结构偏高 ,在燃烧段的上游端常喷 入结构抑制剂来调节 (降低)炭黑结构。 反应段位于喉管段下游。在反应段 ,继续并 基本完成炭黑的晶核生成、增长和聚集体的生成、 增长。反应段的气流温度决定成品炭黑粒子及聚 集体尺寸 ,反应气流温度较高时原料烃裂解速度 较快 ,生成的晶核较多 ,炭黑粒径及聚集体尺寸较 小 ,反之亦然。 急冷段位于反应段的下游 ,喷入急冷水 (入口 位置可调 ,以控制反应时间)的目的是终止裂解反 应和降低烟气温度。 停留段位于急冷段的下游 ,烟气在此段停留 一段时间使喷入烟气中的急冷水充分汽化。 反应炉燃烧段和喉管段通常内衬高纯度刚玉 和铬刚玉材料 ,其工作温度可达 1 900 ℃,而内衬 带冷却设施的全金属构件 ,工作温度可达 2 100 ℃。 31212 　空气预热器和原料油预热器 空气预热器为列管式换热器 ,其利用反应炉 烟气热能加热空气。空气预热可以强化燃烧过 程、减小燃料油消耗量、提高反应炉的总体热效率 即炭黑收率 ,同时还可降低急冷水量 ,从而减少进 入袋滤器的烟气 ,提高尾气热值。目前常用的空 气预热器加热温度为 650 ℃,正开发推广加热温 度为 800 ℃或更高的空气预热器。 原料油预热器位于空气预热器下游 ,也是利 用烟气热能的换热设备。原料油预热器的作用 是 :降低原料油的粘度和改善雾化状态 ,使其汽化 和裂解能更好进行。原料油预热温度由其性质而 定 ,通常为 150～260 ℃。 31213 　袋滤器 油炉法炭黑生产线上有 3 种不同作用的袋滤 器 ,即从反应炉排出的烟气中收集炭黑的主袋滤 器、从干燥机转鼓排出气体中收集炭黑的排气袋 滤器、从再处理系统和吸尘系统中收集炭黑的再 处理袋滤器。 为保证炭黑的收率和达到环保要求 ,袋滤器 的收集效率必须达到 99. 96 %以上。为此 ,必须 设计合理的袋滤器结构、选用优质的滤袋 (如表面 用硅油、石墨或聚四氟乙烯处理的玻纤袋及表面 覆盖聚四氟乙烯薄膜的玻纤袋) 并采用适合的操 521李炳炎等. 炭黑技术讲座 第 1 讲 炭黑的分类、命名和制造 (续完) 作方法。 31214 　风送系统和微米粉碎机 袋滤器收集的炭黑经料斗下的气密阀进入风 送系统管道 ,靠风能将炭黑送至微米粉碎机、收集 旋风分离器再送至湿法造粒机的粉状炭黑贮罐。 微米粉碎机是一种高速冲击锤式粉碎设备 , 其作用是粉碎炭黑气流中可能存在的块状炭黑 , 使成品炭黑中筛余物含量达到指标要求。 31215 　造粒 为了便于运输、改善混炼加工性能及减少对 环境的污染 ,橡胶用炭黑必须造粒。炭黑的造粒 方法有干法和湿法两种。 干法造粒是将粉状炭黑连续通过一个卧式旋 转圆筒 ,使粉状炭黑在缓慢移动过程中逐步排出 吸附的气体并靠物理附聚力而附聚成球状颗粒。 干法造粒设备简单、造粒成本低、能耗小 ,但造粒 炭黑的粒子强度低、细粉含量大 ,在散装输送中粒 子易破碎 ,在橡胶厂使用时易堵塞炭黑气力输送 管道。 湿法造粒是在造粒机中将炭黑与加有少量粘 合剂的造粒水混合并搅拌成粒 ,再送入干燥机除 去水分 ,制成粒状炭黑产品。这种方法生产的造 粒炭黑粒子强度高、细粉含量小 ,易于散装运输 , 能避免或减轻炭黑在运输和使用过程中对环境的 污染 ,有利于用户使用时机械化和密闭化输送。 湿法造粒的设备较多、能耗较大 ,只有在万吨级以 上的炭黑生产线上使用才具有良好的经济效益。 31216 　产品贮存和包装 造粒和干燥后的炭黑经筛分、磁选后先送入 产品贮罐 ,再进行包装。炭黑产品的包装形式有 每袋 20～25 kg 的纸袋或塑料编织袋包装、每袋 500～1 000 kg 的大袋包装以及槽车装载等。一 般来说 ,对于用量较小的客户 ,宜采用 20～25 kg 袋装方式发货 ;对于用量较大且拥有储存和输送 设备的客户 ,宜采用大袋包装或槽车装载方式发 货 ,这既利于环保又节约包装运输费用。 313 　质量影响因素 3. 3. 1 　原料油 目前 ,我国油炉法炭黑生产使用的原料油主 要为乙烯焦油、煤焦油和蒽油。国产催化裂化澄 清油因芳烃含量较小、价格较高而不被采用。 对用于炭黑生产的原料油有如下要求。Ó密度在 1. 05～1. 15 Mg ·m - 3之间。一般 来说 ,当油料的密度较大时 ,其碳含量和芳烃含量 较大 ,有利于提高炭黑质量和收率 ;但密度过大 时 ,其沥青质 (相对分子质量较大的多环芳烃) 含 量和粘度过大 ,会影响原料油的雾化并使其结焦 , 从而导致炭黑质量降低。Ó沥青质含量较小。不同油料的沥青质含量 不同 ,蒽油几乎不含沥青质 ,乙烯焦油的沥青质质 量分数约为 012 ,煤焦油为 0135～0160。Ó水分质量分数小于 0. 005。油料水分含量 过大会导致生产工艺不稳定 ,从而致使炭黑质量 降低和收率减小。Ó灰分质量分数小于 0. 000 5。油料灰分含 量大会导致炭黑灰分含量大。Ó硫质量分数小于 0. 005。原料油中 30 %～ 50 %的硫会转移到产品炭黑中 ,其余则以二氧化 硫的形式随废气排出 ,故硫含量大对炭黑质量和 环保均不利。国产原料油的硫质量分数一般小于 0. 005 ,国外催化裂化澄清油的硫质量分数较大 , 原来要求小于 0102 ,现在小于 0104 的油料也在 使用。Ó碱金属含量尽量小。原料油中存在碱金属 会影响产品炭黑结构 ,生产高结构炭黑时原料油 的钠质量分数应小于 20 ×10 - 6 ,钾质量分数应小 于 2 ×10 - 6 。 31312 　工艺条件 (1)燃烧气流的温度和流速 反应炉内燃烧气流的温度和流速取决于燃烧 段的燃料油 (气) 流量、空气流量及其预热温度。 燃烧气流的温度越高、流速越快 ,原料油的汽化和 裂解越快 ,生成的炭黑粒径及聚集体尺寸越小且 分布越均匀 ,同时炭黑的收率越高 ,但受反应炉耐 火材料及系统动力消耗的限制 ,燃烧气流的温度 最高只能达到 2 100 ℃,喉管段流速一般控制为 300～500 m ·s - 1 。 (2)原料油的雾化和汽化 原料油的雾化状况取决于原料油的喷嘴结构 和喷入反应炉内的位置 ,入炉原料油的温度、压力 和粘度 ,雾化载体的性质、流量、压力、温度 ,燃烧 气流的温度和流速等。原料油的雾化和汽化状态 621 橡 　胶 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　 　　2007 年第 54 卷 第 2 期 良好 ,生成的炭黑粒径及聚集体尺寸分布均匀。 原料油的雾化和汽化状态不理想 ,不仅炭黑粒径 及聚集体尺寸分布不均匀 ,而且原料油在反应炉 内会结焦 ,影响系统正常运转 ,导致炭黑质量波 动 ,使其筛余物含量超标。 (3)反应温度和停留时间 原料油雾化和汽化后 ,其与燃烧气流的混合 气流在喉管段至反应段的裂解反应温度越高、停 留时间越短 ,生成的炭黑粒径及聚集体尺寸越小、 分布越均匀。一般来说 ,生产粒径及聚集体尺寸 较小的硬质炭黑时 ,混合气流在喉管段至反应段 的反应温度较高、停留时间较短 ;生产粒径及聚集 体尺寸较大的软质炭黑时 ,混合气流在喉管段至 反应段的反应温度较低、停留时间较长。当燃料 流量和空气流量一定时 ,混合气流在喉管段至反 应段的反应温度通过调节原料油流量控制 ,原料 油流量越大 ,混合气流的反应温度越低。停留时 间通过调节物料总流量及急冷水喷入反应炉位置 控制 ,物料总流量越大、急冷水喷入反应炉的位置 距原料油喷入反应炉的位置越近 ,停留时间越短。 (4)结构抑制剂流量 炭黑结构的高低取决于反应炉内炭黑晶核的 浓度及碰撞速度 ,晶核的浓度越大及碰撞速度越 快 ,晶核碰撞及形成复杂聚集体的机会就越多 ,炭 黑的结构就越高。碳酸钾溶液是常用的结构抑制 剂 ,它通过钾离子附着在晶核上以使晶核带有相 同电荷而相互排斥 ,从而减少晶核碰撞来降低炭 黑结构。对于同一反应炉 ,调整炭黑结构的主要 方法是控制结构抑制剂流量。 (5)工艺控制 为保证同一或不同批次的炭黑质量一致 ,大 型炭黑生产企业已普遍采用计算机来控制生产工 艺 ,以保证炭黑质量的稳定。 31313 　造粒和干燥 (1)造粒 湿法造粒时造粒机的转速较快或造粒时间较 长 ,炭黑的二次结构较低 ,其 DBP 吸收值与压缩 样 DBP 吸收值的差值较大 ;造粒水的粘合剂含量 增大 ,造粒炭黑的粒子强度增大、细粉含量减小、 混炼分散较困难。 (2)干燥 造粒后炭黑的干燥温度较高和时间较长 ,成 品炭黑的表面氧化程度较高、吸碘值较大 ;干燥温 度较低和时间较短 ,成品炭黑的水分含量较大。 住友公司开发抑制胎腔噪声技术 中图分类号 : TQ336. 1 　　文献标识码 :D 美国《橡胶与塑料新闻》2006 年 10 月 16 日 5 页报道 : 轮胎胎腔噪声是某些原配胎越来越显著的问 题 ,住友公司开发了将 PU 海绵条贴合到轮胎内 衬层上抑制胎腔噪声的技术。 住友在日本推出一系列静音轮胎 ———登录普 LeMans L M703 ,这些轮胎采用了上述技术以及 降噪胎面花纹和 PEN 冠带层。据住友说 , PEN 的降噪效果优于锦纶。 住友致力于轮胎胎腔噪声的研究 ,因为胎腔 噪声被看作是最大的噪声 ,也是除环境背景噪声 外最突出的噪声。 各个轮胎公司试图通过减小轮胎花纹高度来 降低胎腔噪声 ,但要以牺牲行驶里程和操纵性能 为代价。住友宣称 ,在胎面中心内衬层周向上贴 一个双驼峰的 PU 海绵条可以消除胎腔共振。 在解决上述问题过程中 ,住友研究人员观察 到 3 个影响车内噪声的重要因素。Ó100～500 Hz 频带的花纹噪声 (节距噪声) 。Ó125～315 Hz 频带的路面噪声 (160 Hz 区 的“Goh”噪声和 250 Hz 区的“Gaa”噪声) 。Ó200～315 Hz 频带的胎腔共振 (轮胎内空 气共振引起的窄频带噪声) 。 然后他们迫切想弄清楚 ,是仅需要消除最主 要的噪声 ,还是必须考虑主噪声源消除后变得比 较显著的次噪声源。 最后住友开始着手解决所有 3 个问题 ,改变 花纹降低节距噪声 ,采用 PEN 冠带层降低路面噪 声 ,贴合 PU 海绵条吸收胎腔噪声。 结果表明 ,优化后轮胎产生的噪声比原住友 相应轮胎低 3～4 dB。 (涂学忠摘译) 721李炳炎等. 炭黑技术讲座 第 1 讲 炭黑的分类、命名和制造 (续完) lczhu Highlight lczhu Highlight lczhu Highlight lczhu Highlight 炭黑技术讲座 第 2 讲 　炭黑的结构和性质 李炳炎 ,于宝林 ,刘 　敏 (中橡集团炭黑工业研究设计院 ,四川 自贡　643000) 中图分类号 : TQ1271 1 + 1 ; TQ330138 + 1 　　文献标识码 : E 　　文章编号 :10002890X(2007) 0320186205 　　炭黑的结构和性质决定其使用性能 ,全面了 解炭黑的结构和性质对合理应用炭黑十分重要。 1 　微观结构 在自然界中 ,由元素碳组成的固形物质一般 分为晶体和无定形体两大类。晶体碳有金刚石、 石墨及近年来发现的富勒结构碳 (球烯) ,无定形 体碳主要有焦炭和木炭等。 金刚石和石墨的晶体结构见图 1。金刚石的 碳原子晶格呈交错整齐排列的稳定立体结构 [每 个碳原子都以等键长 (01154 nm) 的共价键与另 外 4 个碳原子相连 ] ,其具有极高的硬度。石墨晶 体属六方晶系 ,呈多层叠合结构 ,各层面称为基 面 ,各基面的碳原子以正六角形排列[每个碳原子 都以等键长 (01142 nm) 的共价键与另外 3 个碳 原子相连 ]构成二维有序的平面网 ;相邻基面的碳 原子错开排列 ,即每层基面的每个碳原子六角网 格中心均正对相邻下层基面的一个碳原子 ,每隔 一基面 ,碳原子的排列相同 ,呈 A B A B A B ⋯⋯的 三维空间排列。由于基面间的结合力较小 ,各基 面很容易滑移 ,因此石墨的硬度较小。 炭黑是工业碳产品 ,既不是典型的结晶体 ,也 不是典型的无定形体 ,其微观结构介于石墨晶体 结构与无定形体结构之间 ,较为复杂。各种工业 碳的微观结构特征见表 1。 炭黑的微观结构最早用 X 射线衍射。 研究认为 ,炭黑粒子由许多叠层结构的微晶 (基面 一般为 3～5 层 ,乙炔炭黑粒子为 6～7 层) 构成。 在微晶的叠层结构中 ,各基面的碳原子排列结 (a)金刚石 (b)石墨 图 1 　金刚石和石墨的晶体结构 表 1 　各种工业碳的微观结构特征 工业碳 晶系 密度/ (Mg ·m - 3) 碳2碳键长/ nm 基面间距/ nm 金刚石 立方 3. 54 0. 154 石墨 六方 2. 26 0. 142 0. 335 炭黑 六方2准晶或 1. 84～2. 06 0. 142 0. 350 　 六方2乱层 焦碳 六方2乱层 1. 30～2. 10 碳和活性炭 六方2乱层 1. 10～1. 30 纤维状炭 六方2乱层 1. 65 玻璃态炭 六方2乱层 1. 47 热解石墨 六方2乱层 1. 20～2. 20 681 橡 　胶 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　 　　2007 年第 54 卷 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 3 期 构 (包括碳原子间距) 与石墨相同 ,各基面基本平 行 ,只是基面间距 (通常为 0134～0141 nm) 比石 墨大 ,少数基面存在扭曲和插层的无序堆积状态 (乱层结构) 。 炭黑的 X 射线衍射图呈 2 或 3 个衍射环 ,与 天然石墨的衍射图类似。多数炉法炭黑的微晶基 面间距 ( d002 ) 和垂直于基面方向的平均厚度 [由 (002)漫反射谱带估算 ]分别为 0. 35 nm 左右和 1. 2～1. 5 nm ,微晶平均直径 [由较弱的 (10) 和 (11)谱带估算 ]为 1. 7 nm。 采用透射电子显微镜观察炭黑的氧化和石墨 化过程发现 ,炭黑粒子的微晶呈同心连续的排列 [见图 2 (b) 和 (c) ] ,而不是杂乱 (或随机) 的堆砌 [见图 2 (a) ] ,从而否定了以 X 射线衍射分析为基 础建立的炭黑粒子微晶随机取向 (堆砌)模型。 其后 ,高分辨率相衬电子显微镜 ( PCM)的应 图 2 　炭黑的同心取向微观结构模型 用极大地推动了炭黑微观结构的研究进展。 PCM 最早用于炭黑 N220 微观结构的研究 ,用其 拍摄的炭黑 N220 图像如图 3 所示 ,图 3 ( b) 中的 亮线为石墨层基面。通过 X 射线衍射测量的该 炭黑的 d002均值为 0. 34 nm。从图 3 (b)可以清楚 地看到石墨层基面分别围绕不同中心弯曲取向并 形成多面体结构。对其它商品炭黑的 PCM 图像 进一步观察发现 ,所有炭黑的微晶均围绕一个或 几个生长中心分布而形成连续网络 ,进而构成粒 子 ,这也从另一个方面说明炭黑粒子的微晶不是 随机堆砌的。 在不考虑粒径和结构的条件下 , 通过 PCM 测量得出 ,炭黑 N220～N990 的 d002 为 0. 35～ 0. 41 nm ,分布均较宽。PCM 测量的炉法炭黑的 d002为 0. 383～0. 392 nm ,较 X 射线衍射测量的 d002 ( 0. 340 ～ 0. 360 nm) 大。一般来说 , 炭黑 N990 和乙炔炭黑的 d002 (均值分别为 01363 和 01355 nm)均比炉法炭黑和槽法炭黑小。由于 X 射线衍射只能测出微晶平直部分的 d002 ,而 PCM 则能测出微晶弯曲部分的 d002 ,因此用 PCM 测量 的 d002比用 X 射线衍射测量的 d002更准确。 近年来 , 分辨率更高的扫描隧道显微镜 ( STM) 和原子力显微镜 (A FM) 用于炭黑表面微 观构造的研究对深入探讨炭黑对橡胶的补强机理 十分有利。 (a)未处理 (b) 2 700 ℃石墨化处理后 图 3 　炭黑 N220 的 PCM 图像 Donnet 等使用具有 STM 和 A FM 双重功能 的扫描锚探针电子显微镜 ( SPM) 观察发现 ,炭黑 粒子表面有许多局部性的晶体结构 ,呈凹凸不平 的台阶 (高度为 2～3 nm ,宽度为 3～5 nm) 形貌 , 见图 4。分析得出 ,炭黑粒子表面的纳米级凹凸 781李炳炎等. 炭黑技术讲座 第 2 讲 炭黑的结构和性质 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 台阶对炭黑的体积效应或炭黑与聚合物间的相互 作用影响极大。聚合物分子链吸附在炭黑粒子表 面的模型见图 5。 图 4 　炭黑粒子表面的 SPM 图像 图 5 　聚合物分子链吸附在炭黑粒子表面的模型 Goritz 等对炭黑粒子表面的 A FM 图像及炭 黑对橡胶补强性能进行系统研究后得出 ,炭黑表 面由叠置的石墨晶体构成 ,石墨晶体呈不规则的 倾斜排列。炭黑 N110 和 N762 粒子的表面晶体 结构见图 6 和 7。从图 6 和 7 可以看出 ,补强性 能好的炭黑 N110 的粒子表面晶体较小 ,且倾斜 角度较大 ,这种晶体作为聚合物分子链的吸附点 吸附力大 ,能更有效地阻碍聚合物分子链滑动。 Donnet 通过计算机图像分析程序 (Vislog 4 , Noasis) 对 STM 图像进行数理统计处理后 ,用原 子尺度度量炭黑粒子的表面结晶度和表面粗糙 度。图 8 示出了炭黑粒子的 STM 原始图像及其 用图像分析程序处理后的图像。图中 ,亮区为结 晶区 ,暗区为无定形区。炭黑粒子表面结晶度通 过处理图像中的亮区和暗区数量计算得出 ;表面 粗糙度为粒子表面平均局部最高点与平均局部最 低点之差 ,与表面结晶度密切相关。这种以原子 尺度度量炭黑表面结晶度和粗糙度的方法研究炭 黑粒子表面性能有助于探讨炭黑与橡胶间的界面 作用原理。 2 　聚集体形态 过去认为 ,炭黑的最小可分散单元是单个球 图 6 　炭黑 N110 和 N762 粒子表面微晶体高度和 宽度的 AFM 扫描曲线 1 —炭黑 N110 ;2 —炭黑 N762。 图 7 　炭黑 N110 和 N762 粒子的表面微晶体模型 (a)原始图像 (b)处理图像 图 8 　炭黑粒子的 STM 原始图像及其用 图像分析程序处理后的图像 形 (或近似球形) 原生粒子 ,原生粒子聚结而形成 聚集体 ,一般用粒径和结构描述炭黑形态。自可 881 橡 　胶 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　 　　2007 年第 54 卷 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 3 期 以清晰观察炭黑粒子全貌和聚集体微观结构的高 分辨率电子显微镜问世后 ,建立了新的炭黑形态 概念。新形态概念认为只有热裂法炭黑的最小可 分散单元是单个球形或椭球形粒子 ,其微晶围绕 一个生长中心分布 ;其它炭黑的最小可分散单元 是聚集体 ,其结构为 :众多微晶围绕多个生长中心 分布形成连续网络 ,外层微晶则包围连续网络而 形成独立石墨准晶体单元。相对炭黑新形态概念 而言 ,旧形态概念的原生粒子只是旋转石墨层中 的一个取向区域。炭黑的新旧概念形态见图 9。 (a)旧概念 (b)新概念 图 9 　炭黑的新旧概念形态 新形态概念认为炭黑是以聚集体的形式存在 于所应用的体系中 ,因此聚集体的形态直接影响 炭黑的使用性能 ,炭黑形态学的主要研究对象是 聚集体。 炭黑聚集体形态十分复杂 ,众多学者对其进 行了深入研究。自 20 世纪 70 年代起 ,陆续提出 了不同的炭黑聚集体形态模型 ,并力图用不同的 形态参数准确地表征聚集体形态特征。 2. 1 　Medalia 椭球模型 Medalia 椭球模型的概念是 :炭黑聚集体呈 椭球形 ,不同形态的聚集体是长短轴不同的等效 椭球体 ,炭黑聚集体的形态参数有 :二维投影面积 ( SM ) 、不等轴度 ( Q) 、轮廓比 ( I) 、平均粒径 ( d) 和 粒子数 ( N)等。其中 , d 和 N 是主要特征参数 ;Q = KA / KB , KA 和 KB 分别为等效椭球体长短轴半 径 ; I = 4πKA KB / SM 。炭黑 I 与 Q 的关系见图 10。多数品种炭黑的 Q 值差异不大 ,可用比图法 把炭黑聚集体形态分成球形、椭球形和纤维形三 大类、八小类 ,见图 11。几种炭黑的聚集体形态 分布见表 2。 用 Medalia 椭球模型聚集体形态参数计算的 单位质量炭黑聚集体空隙容积与用吸油计法测定 的 DBP 吸收值非常吻合。 2. 2 　Hess 形态概念模型 Hess主张实测炭黑聚集体的形态参数 ,他用 图 10 　炭黑 I 与 Q 的关系 图 11 　炭黑聚集体的分类形态 表 2 　几种炭黑的不同聚集体形态频数 % 炭黑品种 球形 椭球形 1 2 3 纤维形 1 2 3 4 N172 2. 5 1. 5 16. 1 3. 4 30. 7 21. 2 4. 9 19. 7 N327 15. 4 7. 5 40. 7 11. 1 8. 2 14. 2 1. 0 1. 9 N330 8. 6 5. 8 23. 4 8. 4 5. 3 26. 5 7. 5 14. 5 N347 1. 4 1. 6 14. 2 11. 3 5. 5 33. 4 12. 8 19. 8 N990 85. 5 10. 3 3. 8 0. 2 0. 2 0 0 0 981李炳炎等. 炭黑技术讲座 第 2 讲 炭黑的结构和性质 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net Quantimet 自动图像分析仪测量的炭黑聚集体形 态参数有 :二维平均投影面积 ( S H ) 、弦长、周长、 Fenet 直径、长度 (L ) 、宽度 ( W ) 、体积 (V H ) 、圆度 因数、形状因子 ( F) 和球度因子等。该测量方法 已列入美国标准 (ASTM D 3849) ,每个参数的确 定均需要进行 500～1 000 个聚集体试样的测试。 不同品种的炭黑聚集体主要形态参数值如表3 所示。 表 3 　不同品种的炭黑聚集体主要形态参数值 炭黑品种 S H/ nm2 L/ nm W / nm V H ×10 - 3/ nm3 F N115 5 943 127. 4 35. 8 179. 7 3. 56 N116 — 151. 4 37. 6 259. 5 4. 03 N220 6 776 144. 6 40. 2 261. 7 3. 60 N242 7 620 160. 4 40. 3 295. 1 3. 98 N330 8 739 158. 1 46. 7 375. 6 3. 39 IRB2 # (N330) 8 314 1721 0 44. 0 — 3. 92 N347 10 884 203. 5 49. 6 553. 0 4. 70 2. 3 　三球模型 在假定炭黑聚集体密度相同且均匀的条件 下 ,可用当量球、实心球和斯托克斯球模型表征聚 集体的形态特征 ,见图 12。图中 ,Φe ,Φa 和Φs 分 别为当量球、实心球和斯托克斯球的直径。当量 球的投影面积 (电子显微镜图像分析仪测定) 、实 心球的体积 (统计吸附层厚度法和 DBP 吸收值法 测定)和斯托克斯球的沉降速率 (离心沉降法测 定)分别与聚集体相当。三球直径与炭黑结构有 良好的相关性 ,即在一定范围内 ,Φe 和Φs 大