走進(jìn)炭黑

摘 要：在深入了解“倍耐力”輪胎生產(chǎn)過(guò)程的時(shí)候，生產(chǎn)輪胎所需的重要原料之一——炭黑引發(fā)了作者的興趣。炭黑的發(fā)展歷史、生產(chǎn)過(guò)程是怎樣的？物理形態(tài)是什么樣？顏色黑度如何？主要用來(lái)干什么用？……帶著這些好奇和疑惑，通過(guò)翻閱有關(guān)資料和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀察，作者逐步走進(jìn)了炭黑、認(rèn)識(shí)了炭黑、了解了炭黑。想通過(guò)這篇文章，記錄下作者對(duì)炭黑的初淺認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：炭黑； 發(fā)展史； 結(jié)構(gòu)； 用途

中圖分類號(hào)：TQ127.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-3315（2016）01-020-001

在收看一場(chǎng)意甲球賽時(shí)，我發(fā)現(xiàn)國(guó)際米蘭隊(duì)員的球衣上都印有“倍耐力”三個(gè)漢字，我感到十分疑惑，聯(lián)想到爸爸曾經(jīng)說(shuō)過(guò)倍耐力在亞太地區(qū)唯一的輪胎生產(chǎn)基地就在我們家鄉(xiāng)。隨后，我查閱了有關(guān)資料。原來(lái)，倍耐力集團(tuán)是國(guó)際米蘭的官方贊助商，在我們家鄉(xiāng)生產(chǎn)的“倍耐力”輪胎暢銷世界各地。帶著這些好奇和自豪感，我走進(jìn)了倍耐力實(shí)驗(yàn)室和圖書館。隨著對(duì)倍耐力輪胎的深入了解，炭黑這一生產(chǎn)輪胎的重要原料引起了我的格外注意和濃厚興趣。通過(guò)這篇文章，記錄下我對(duì)炭黑的逐步認(rèn)識(shí)。

一、炭黑是如何發(fā)展起來(lái)的

通過(guò)翻閱資料，我發(fā)現(xiàn)“炭黑”（Carbon Black）這一術(shù)語(yǔ)在十九世紀(jì)才出現(xiàn)，而其實(shí)在我國(guó)古代已經(jīng)開始使用炭黑了，主要用來(lái)制墨，只不過(guò)當(dāng)時(shí)叫“炱”或“煙炱”。最初是通過(guò)燃燒松油生成松煙，也就是當(dāng)時(shí)的炱。魏代的韋誕是通過(guò)松油制造炱的能手，到了晉代炱的應(yīng)用已經(jīng)十分普及。到后來(lái)，我們的祖先又通過(guò)燃燒石油生成炱。在沈括的《夢(mèng)溪筆談》中，提出了“民間把石油作為燃料燃燒時(shí)，可產(chǎn)生大量炱”，并在書中寫道“煙甚濃，所沾帷幕皆黑”；他還親自作試驗(yàn)，證實(shí)這種炱比松油燃燒時(shí)產(chǎn)生的炱更好，正如書中所寫“黑光如漆，松煙不及也”。可以說(shuō)，我國(guó)就是炭黑的發(fā)源地，并在炭黑生產(chǎn)方面積攢了極為豐富的經(jīng)驗(yàn)，為世界文明作出了卓越貢獻(xiàn)。

二、炭黑是如何生產(chǎn)的

實(shí)際上，炭黑的生產(chǎn)很簡(jiǎn)單，任何燃燒形成的黑煙都是炭黑，只是形態(tài)不大一樣。比如我們的老式煤油燈罩上的黑煙是炭黑，蠟燭燃燒時(shí)產(chǎn)生的黑煙也是炭黑。不論是燃燒松油，還是燃燒石油、煤焦油等，炭黑的形成原理都是一樣的，是由含碳化合物在不完全燃燒下形成的無(wú)定形的碳。

現(xiàn)代炭黑的生產(chǎn)工藝越來(lái)越成熟、越來(lái)越先進(jìn)，不同的產(chǎn)品使用不同的生產(chǎn)工藝，主要有燈黑生產(chǎn)工藝、氣黑生產(chǎn)工藝、爐黑生產(chǎn)工藝、槽黑生產(chǎn)工藝。比如氣爐法炭黑，用爐黑生產(chǎn)工藝制成，是將處理后的天然氣通入反應(yīng)爐，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)將一定量的空氣送入反應(yīng)爐，使天然氣與空氣混合形成一股旋流，其中的一部分天然氣燃燒放熱，提供高溫環(huán)境，另一部分天然氣在此高溫下發(fā)生裂解，生成炭黑，炭黑在燃燒余氣中懸浮，這種含炭黑的煙氣被送入煙道進(jìn)一步活化，然后送至冷卻塔，用水將其降溫通入袋濾器，經(jīng)篩選后送至造粒機(jī)造粒，形成炭黑產(chǎn)品。

三、炭黑的物理形態(tài)及其對(duì)黑度的影響

為進(jìn)一步了解炭黑，在老師的指導(dǎo)下，結(jié)合有關(guān)資料，我到實(shí)驗(yàn)室對(duì)炭黑進(jìn)行了更深入的觀察認(rèn)知。我了解到，任何一種物質(zhì)從科學(xué)角度來(lái)講，都要用可量化的指標(biāo)進(jìn)行表征，對(duì)炭黑來(lái)講主要是兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)是粒徑，另一個(gè)是結(jié)構(gòu)。

（一）炭黑的物理形態(tài)

1.炭黑的粒徑：一般說(shuō)來(lái)，炭黑粒子不是孤立存在的，而是多個(gè)粒子通過(guò)碳晶層互相穿插，形成鏈枝狀。不同生產(chǎn)工藝可得到不同粒徑范圍的炭黑產(chǎn)品，燈黑生產(chǎn)工藝得到的產(chǎn)品相對(duì)粗糙，氣黑生產(chǎn)工藝可得到精細(xì)的產(chǎn)品，爐黑生產(chǎn)工藝可得到幾乎所有粒徑范圍的炭黑。而同一品種的炭黑，其粒子大小也并不完全相同，呈現(xiàn)一個(gè)粒徑分布范圍。一般來(lái)說(shuō)，粒子較細(xì)的品種，粒徑分布較窄，比如顏料炭黑的粒子細(xì)度可低至5nm。

2.炭黑的微觀構(gòu)造：炭黑粒子具有微晶結(jié)構(gòu)，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(gè)這樣的層面組成一個(gè)微晶。由于炭黑微晶的每個(gè)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(wú)序的，所以又叫準(zhǔn)石墨晶體。

3.炭黑的結(jié)構(gòu)：炭黑的結(jié)構(gòu)性是以炭黑粒子間聚成鏈狀或葡萄狀程度來(lái)表示的。目前常用吸油值表示結(jié)構(gòu)性，吸油值越大，炭黑結(jié)構(gòu)性越高，容易形成空間網(wǎng)絡(luò)通道，而且不易破壞。由凝聚體的尺寸、形態(tài)和每一凝聚體中的粒子數(shù)量構(gòu)成的凝聚體組成的炭黑稱為高結(jié)構(gòu)炭黑，這種炭黑顆粒細(xì)，網(wǎng)狀鏈堆積緊密，比表面積大，單位質(zhì)量顆粒多，有利于在聚合物中形成鏈?zhǔn)綄?dǎo)電結(jié)構(gòu)，其中乙炔炭黑為最佳。

（二）炭黑的物理形態(tài)對(duì)黑度的影響

炭黑的黑度是指炭黑所具有的黑色呈現(xiàn)強(qiáng)度。炭黑用我們的肉眼看起來(lái)都是黑色的，但是如果仔細(xì)觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)不同規(guī)格的炭黑是不一樣的黑。有的看起來(lái)很黑，有的不是很黑，呈深灰色。就其炭黑的化學(xué)組成來(lái)講，它們都是碳，而含碳量基本一致，那么為什么會(huì)不一樣黑呢？

大家知道，我們觀察一個(gè)物體是什么顏色時(shí)，主要取決于該物體對(duì)七色光的吸收和反射程度，比如當(dāng)一個(gè)物體對(duì)七色光無(wú)選擇的全吸收，這個(gè)物體就是黑色的；當(dāng)對(duì)七色光吸收和反射并存時(shí)，就是灰色的。

同樣，炭黑的黑度也取決于炭黑對(duì)七色光的吸收和反射程度。另外，由于炭黑的顆粒非常小，基本顆粒直徑只有幾十納米，所以炭黑表面對(duì)光不僅有吸收和反射作用，還有散射作用。而影響炭黑對(duì)光吸收程度的主要因素還是炭黑的粒徑和結(jié)構(gòu)。

首先是炭黑粒徑對(duì)黑度的影響。我們都知道，一個(gè)物體的基本顆粒越小，其對(duì)光的散射作用就越大，反射光就越弱，這樣看起來(lái)就越黑。對(duì)于炭黑來(lái)講，不同品種的粒徑大小不一樣，粒徑越小的，看起來(lái)自然要更黑一些。

其次是炭黑的結(jié)構(gòu)對(duì)黑度的影響。炭黑的結(jié)構(gòu)是炭黑支叉度的表征，結(jié)構(gòu)高說(shuō)明其支叉結(jié)構(gòu)比較發(fā)達(dá)。對(duì)于粒徑相當(dāng)?shù)奶亢陬w粒而言，結(jié)構(gòu)度高，支叉結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，其自身的堆積結(jié)構(gòu)就比較松散，對(duì)光的反射作用也就越強(qiáng)，其黑度相對(duì)于低結(jié)構(gòu)支叉不發(fā)達(dá)的炭黑就要小一些。

中國(guó)的炭黑工業(yè)經(jīng)過(guò)了六十年的發(fā)展，由小到大，由弱到強(qiáng)，其產(chǎn)能、產(chǎn)量逐步躍居到全球前列。隨著現(xiàn)代工業(yè)特別是汽車制造業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)炭黑生產(chǎn)技術(shù)水平的要求越來(lái)越高，炭黑市場(chǎng)前景廣闊，同樣充滿更大挑戰(zhàn)。隨著了解的深入，我的興趣也與日俱增，我將加倍努力學(xué)習(xí)，深入刻苦鉆研，積極投身到炭黑工業(yè)的發(fā)展中，為實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的中國(guó)夢(mèng)努力奮斗！

參考文獻(xiàn)：

[1]李炳炎.炭黑生產(chǎn)與應(yīng)用手冊(cè)，化學(xué)工業(yè)出版社，2000

[2]吳立峰，丁麗萍.炭黑應(yīng)用手冊(cè)，化學(xué)工業(yè)出版社，2008