什么是炭黑？
世界上所消耗炭黑的98％是由爐法炭黑工藝所生產的。而其它工藝（如槽法、氣爐法等）則用于生產非橡膠工業的一小部分特種炭黑。 爐法炭黑爐的圖見圖一。原料油、天然氣或燃料油以及預熱的空氣被噴入有耐火材料襯里的爐子內，根據所生產的炭黑牌號，反應溫度可能在1100－1900℃之間。炭黑是通過在氣相中的炭氫化合物吸熱裂解生成的。炭黑的主要性質取決于原料油的濃度、溫度、反應時間以及快速流動的氣相物流的湍流度。時間－溫度的關系是通過噴入的原料的速度和喉管下游的主急冷位置來控制的。湍流流體的性質是由反應爐和油嘴的設計控制的。 圖2表明了炭黑來自于霧化的原料油所生成的半固態的原生粒子，這些原生粒子接著相互碰撞形成粒子的聚集體。時間－溫度參數和原材料的流速決定著原生粒子的粒徑，原生粒子之間相互碰撞的頻率（湍流流體的性質）決定著聚集體的結構。也可以噴入鉀鹽在一定的程度上來降低結構。小粒徑的補強炭黑通常是在較高的溫度下形成的，而較大粒徑的炭黑是在較低的溫度下形成的。 炭黑粒子是由很多的同心石墨層組成的，象圖3所示一樣。一個炭黑聚集體包含著許多這樣的原生粒子,也叫作“結點”。一個高結構的炭黑聚集體可以包含多達200個原生粒子，而一個低結構的炭黑聚集體則可以包含少達20－25原生粒子。 聚集體是炭黑的主要結構單位并且不容易被破碎成更小的單位。這些聚集體是通過半固態的粒子在爐子內的高溫環境中的碰撞形成的。圖4是一張電子顯微鏡下的照片，它展示了炭黑聚集體通過牢固的熔合而形成的炭黑粒子的三維的枝型結構。 集體之間很容易彼此快速結合而形成聚合體（二次結構）。為了便于運輸和處理而生產的成品炭黑粒子是一種較大的，包含著很多聚合體的附聚物（二次結構）。 生產物流作為煙氣離開反應爐后，通過熱交換器進一步降低溫度，而熱量被預熱的原料油和空氣所吸收。炭黑在袋濾器中被分離下來而尾氣則作為第二種燃料在以后的工段中使用。對于松散炭黑的輔助操作包括微粉機、磁選分離器、造粒、干燥和包裝或儲存。炭黑性質與橡膠補強
炭黑是通過降低聚合物中分子鏈的可移動性和改變應力分布來補強橡膠混合物的。炭黑有助于增強聚合物母體中較軟的區域。炭黑的主要性質決定了它是如何補強橡膠化合物的： 表面積 結構 表面活性 還有一項也非常重要的因數是橡膠配方中的炭黑負荷，它對炭黑的主要性質起放大作要。表面積和一次結構在反應爐生產炭黑時就建立了。表面活性可在炭黑粒子和聚集體形成后被改變。 炭黑的次要性質也很重要，它們包括： －其它要素：灰分、殘余物、硫化物和可抽提物。 －處理/加工：粒子硬度、破損率、細粉含量和流動性。 表面積 炭黑要想補強聚合物，它就首先必須緊密的與聚合物分子相接觸。因此為了提高補強效果可以提高潛在的接觸面積。而與聚合物分子相互接觸的表面積是由原生炭黑粒子的大小和結構以及炭黑聚集體的形狀來確定的。較小的粒子有著較高的表面積，反之亦然。必須緊記它們之間的相反關系。聚集體是我們所見到的基本單位，它由很多熔合在一起的原生粒子組成。總的補強效果實際上都是由所有的表面積（表面積*負荷）以及內部作用力（表面活性）結合著結構的作用來決定的。 十九世紀七十年代引進了一系列“新技術炭黑”。這種“新技術炭黑”與相同表面積的老炭黑相比能夠改善耐磨性。它們生產時使用了后處理技術，即縮短炭黑的反應時間，因此改變了炭黑的表面特性。此外，停留在“新技術炭黑”表面的殘余的油在使用吸典值測試方法時，也能影響表面積的結果。因此這也導致了更多的使用氮吸附測試方法。 可能存在于炭黑粒子表面的孔、洞常常由于過于的微小而不能被聚合物的分子鏈所接觸，但卻有可能被包括進用氮吸附測試方法或吸典值測試方法所確定的表面積中（ASTM D 3037）（ASTM 的D1510）。使用CTAB 測試方法（ASTM D 3765）確定的表面積，由于其分子較大因此可以忽略炭黑粒子表面的孔、洞，因而被認為是一種較好的測試聚合物之間相互接觸的表面積的方法，但該測試的結果重現性較差。因此，目前一種修改后用于測試外部的表面積的氮吸附測試方法（多點氮吸附法）已經被廣泛的引入。另外，由于著色強度與炭黑粒子的大小較為密切，因此著色強度的測試結果對于炭黑的表面積的確定也是一項非常重要的參考。著色強度的測試是基于氧化鋅混合物中炭黑對光的反射來完成的。炭黑的粒子越小，則顯示的顏色越黑。但聚集體（結構越高）越大給出的著色強度越低。 結構 結構可用來衡量炭黑中聚集體的不規則性或是“龐大性”。通常高結構與每個聚集體中所包含的原生粒子的平均數目有關。混煉后仍保持的炭黑結構和混煉膠中炭黑的分散情況決定著炭黑有助于對橡膠的補強。這種永久性的結構很難從炭黑本身的測試中預計。通常使用 DBP 壓縮吸油測試方法（ASTM D 2414）測量 DBP（雙丁基鄰苯二甲酸）所填充的一定量炭黑樣品中的聚集體和聚合物之間的空隙。 一些研究人員在炭黑混入橡膠聚合物的過程中，使用了電子顯微鏡成像分析技術以研究炭黑結構的變化。這些研究表明一些基本聚集體的結構在混煉膠中被破碎并在混煉中產生了很高的剪切力。當然也還有一些較小的炭黑聚合物沒有被破碎。高結構的炭黑與低結構的炭黑相比常常顯示出更高的結構斷裂。應當重視在經過24M4 DBP測試后的炭黑的結構的斷裂。在ASTM D3849中敘述了一種標準的 EM 成像分析方法。用這種方法也可以測定聚集體的非等距性。細長的聚集體形狀通過額外的韌性效應有助于炭黑的補強。 炭黑的一次結構與吸附的橡膠分子的不可移動性有關。增加炭黑的結構有助于增加混煉過程中的剪切力，這會導致炭黑在混煉膠中更快地混合及更好地分散。 表面活性 表面活性可以定義成炭黑固定橡膠的能力。通常對這種能力的描述是圍繞著炭黑和聚合物之間相互作用的幾種物理、化學間的作用力以及在相互接觸的界面上的作用力。描述表面活性的各種術語包括：化學吸附、界面黏合力和表面能量、潤濕性、極性和所含的氫健也是很重要的因素。 由于關于炭黑與橡膠聚合物分子之間相互作用的機理還處于爭辯之中，這里就不過多的敘述。我國子午胎用炭黑的現狀
目前，我們國家的子午胎主要使用的炭黑牌號為：N660、N550、N326、N375、N234、N121、N115等。其中硬質牌號的炭黑如：N375、N234、N121、N115大多存在著著色強度偏低、多點氮吸附測試結果偏低的現象。這主要與我們國家近幾年快速發展的炭黑行業有關。很多炭黑廠家只重視炭黑的吸典、吸油、灰分、加熱減量等基本測試項目，而對于象24M4DBP/壓縮吸油、CTAB、多點氮吸附、著色強度等與橡膠聚合物的補強特性有十分密切關系的測試項目，則重視不夠。由于吸典的測試結果并不能真實的反映炭黑粒子的大小，因此對于應用在子午胎胎面配方中的N375、N234、N121、N115等牌號的炭黑，僅僅測試吸典和吸油是不充分的，還應當測試炭黑的CTAB、著色強度或者多點氮吸附（當然該測試設備價格較高）和壓縮吸油值以及水洗篩余物。只有炭黑的這些測試項目都達到ASTM或新國標中的要求，各個牌號的炭黑才能充分發揮它們的補強特性以及優異的耐磨耗特性。舉個例子，如N115和N234在子午胎輪胎胎面配方中經常用到，但往往不同廠家所生產的同一牌號的炭黑體現在橡膠混煉膠的物性測試中，出現不同的物性測試結果。究其原因，還是炭黑的著色強度、CTAB或多點氮吸附以及壓縮吸油值的差異所致。另外，炭黑水洗篩余物（35＃目和325＃目）測量結果的差異也會造成膠料物性測試中300％定伸強度與扯斷強度的非線性關系。 子午胎是我國目前輪胎市場發展的重點，也是發展較快的市場之一。國際上大的輪胎企業紛紛在我國投資建廠。如：米琪林輪胎、固特異輪胎、倍耐力輪胎、韓泰輪胎、普立斯通輪胎、佳通輪胎等等。同時國內的輪胎企業也紛紛上馬子午胎生產線。隨著我國子午胎生產能力的迅速擴大，就需要國內的炭黑企業提供更多的滿足質量要求的優質炭黑。但目前大多數的外資輪胎企業以及國內較大的輪胎企業主要使用上海卡博特和青島德固薩的炭黑，尤其是子午胎所用的炭黑。這些合資炭黑廠的炭黑價格通常至少平均比國內炭黑的價格高出1000元/噸。比較其中的差距，我想主要在于國內炭黑企業大多管理水平低下，造成產品的質量不穩定、波動較大；其次，產品質量的檢測手段缺乏，造成某些硬質牌號的炭黑的一些測試項目根本達不到標準的要求。例如自動吸油計的使用并不廣泛，很多企業仍然停留在手工吸油的測試方法階段。在國外，早在20世紀70年代就已淘汰了手工吸油的測試方法。此外，國內輪胎企業對于炭黑測試項目的缺乏也是造成這種現象的原因之一，很多輪胎廠的入廠檢驗僅僅只是檢測炭黑的吸典、吸油、加熱減量、灰分、手工篩余物測量（新國標已淘汰）、物性測試等六、七個項目。這就增加了一些炭黑廠家對于炭黑質量檢測的錯誤的認識：認為沒必要加大對炭黑質量檢測設備以及相應培訓的投入，同時對于炭黑企業和橡膠企業共用的炭黑標樣也重視不夠。大的輪胎企業往往使用國外的標樣，如6#或7＃標樣。而國內的炭黑企業往往使用國產的的3＃標樣，這樣對于化驗設備的校核就會產生差異。這些廠家往往更愿意進行價格的競爭而不是質量的競爭，他們的產品也大多集中在N220、N339、N330、N660等幾個較容易生產的牌號中。 綜上所述，目前國內炭黑企業主要的差距就在于企業軟件水平的低下。而要想改變目前的環境，國內的炭黑企業必須加大對自身軟件的投入，否則很難縮小與國外炭黑企業的差距。同時，國內的輪胎企業也應增加對炭黑入廠檢驗的測試項目，只有這樣也才能保證和提高輪胎產品質量的穩定和提高。目前國外輪胎企業要求ASTM或ISO標準中規定目標值的客戶的數量正在減少。原因之一是大多數公司，特別是與輪胎生產有關的公司，標準膠料的配方與它們所使用的膠料的配方沒有關系。輪胎公司常常用它們自己的膠料配方來評價炭黑。也許將來這些客戶會給出基于它們自己的膠料配方測試的炭黑的性質的結果。
