涵蓋的主題

背景

新型炭黑的應(yīng)用

碳的同素異形體

炭黑的形成

壓力管道

靜電放電

聚烯烴薄膜

概括

背景

從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，炭黑可能是一種相當(dāng)基礎(chǔ)的產(chǎn)品，僅由碳組成，但通過(guò)巧妙的加工，這種重要的塑料添加劑可以被操縱，在一系列不同的應(yīng)用中賦予各種重要的特性。過(guò)去幾年，總部位于美國(guó)的卡博特公司一直在開(kāi)展一項(xiàng)重大計(jì)劃，旨在利用炭黑為塑料和橡膠行業(yè)開(kāi)發(fā)具有特定性能特征的差異化產(chǎn)品。

新型炭黑的應(yīng)用

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計(jì)劃已產(chǎn)生幾種新等級(jí)的炭黑，這些炭黑具有特定的性能組合，旨在滿足特定要求。這些要求包括壓力管道、ESD（靜電放電）、薄膜、纖維和其他應(yīng)用。所有這些新材料都具有明顯不同的特性，在概念上與通用等級(jí)有很大不同，而通用等級(jí)以前是唯一可用的類型。

碳的同素異形體

自然界中，碳以兩種形式存在 - 鉆石和石墨。鉆石具有三維結(jié)構(gòu)，而石墨由一系列平行平面組成。炭黑的結(jié)構(gòu)介于這兩種形式之間，被稱為“準(zhǔn)石墨”，因?yàn)樵诔珊诉^(guò)程中會(huì)形成一系列層。

炭黑的形成

炭黑是由碳?xì)浠衔镌希– x H y + 0 2 C + CH 4 + CO + H 2 + C0 2 + H 2 0）的不完全燃燒或熱裂解形成的。在幾乎所有情況下，炭黑都是通過(guò)“油爐”工藝制備的，其中將芳香族原料霧化并送入熱火焰（> 1500°C）以產(chǎn)生粉末“蓬松”炭黑。炭黑通常被制成珠粒，以便于儲(chǔ)存和處理，同時(shí)保持在各種介質(zhì)（包括塑料樹(shù)脂）中的充分分散性。

壓力管道

雖然爐黑本質(zhì)上是元素碳，但它們通常含有多種污染物，其中一些或所有污染物可能對(duì)特定行業(yè)或應(yīng)用不利。在壓力管道應(yīng)用方面，卡博特開(kāi)發(fā)了三種污染物含量特別低的新等級(jí)。ELFTEX 254、ELFTEX P100 和 ELFTEX TP 被公司指定為 P 型，滿足此專業(yè)應(yīng)用的五個(gè)關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)：

?         長(zhǎng)期耐候性 - 公用事業(yè)公司要求最終產(chǎn)品能夠提供較長(zhǎng)的使用壽命，即使暴露在紫外線下也不會(huì)出現(xiàn)故障。這三個(gè)新等級(jí)的產(chǎn)品包含非常細(xì)小的原始顆粒，它們?yōu)槿肷涔馓峁┝烁嗟谋砻?，因此比粗糙等?jí)的產(chǎn)品具有更高的紫外線吸收效率。

?         吸濕性極低 - 含有炭黑的復(fù)合材料在暴露于空氣中時(shí)通常會(huì)吸收水分。這會(huì)導(dǎo)致加工問(wèn)題、表面缺陷或成品部件內(nèi)部出現(xiàn)空洞。為此應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的炭黑等級(jí)純度極高，因此在復(fù)合過(guò)程中吸濕性極低。

?         微觀分散性 - 管壁中未分散的炭黑團(tuán)塊會(huì)導(dǎo)致過(guò)早失效，還會(huì)降低流體流動(dòng)性能。這些問(wèn)題已為業(yè)界所公認(rèn)，大多數(shù)壓力管道標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定微觀分散性等級(jí)不得高于 ISO 11420、NFT51 - 142 規(guī)定的 3。傳統(tǒng)炭黑的等級(jí)通常在 5 到 6 之間。

?         化學(xué)清潔度 - 化學(xué)雜質(zhì)，特別是硫、灰分和甲苯萃取物，如果存在于用于制造飲用水管道的化合物中，會(huì)產(chǎn)生難聞的味道或氣味。所有炭黑都含有這些物質(zhì)的一些殘留物，但在 P 型炭黑中，這些物質(zhì)的含量已大大減少。例如，硫含量（傳統(tǒng)炭黑中通常約為 10,000 ppm）在新炭黑中約為 600 ppm。

?         分散性 - 該性能指標(biāo)主要取決于炭黑的基本特性，與將團(tuán)聚體分離成離散炭黑聚集體所需的吸引力有關(guān)。它也是不同等級(jí)炭黑在混合設(shè)備上可實(shí)現(xiàn)的相對(duì)產(chǎn)量的指標(biāo)。P 型炭黑的分散性比傳統(tǒng)等級(jí)炭黑好得多，因此與聚合物的潤(rùn)濕性更好，隨后的解聚性也更好。

靜電放電

對(duì)于 ESD 應(yīng)用，卡博特必須設(shè)計(jì)滿足一系列截然不同要求的新材料。導(dǎo)電性、硬度和沖擊強(qiáng)度是該領(lǐng)域的主要性能要求，表面光滑度和分散性也是重要的考慮因素。對(duì)于大多數(shù)其他等級(jí)的導(dǎo)電炭黑，導(dǎo)電性性能往往會(huì)降低光滑度、彎曲模量和沖擊強(qiáng)度?？紤]到這一點(diǎn)，卡博特產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計(jì)劃的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所有五個(gè)主要性能標(biāo)準(zhǔn)，而無(wú)需通常遇到的權(quán)衡。

與為壓力管開(kāi)發(fā)的 P 型一樣，VULCAN 等級(jí)已實(shí)現(xiàn)高度分散性，從而實(shí)現(xiàn)良好的聚合物潤(rùn)濕性和完全解聚性，這對(duì)于在整個(gè)基質(zhì)中形成創(chuàng)建連續(xù)路徑所需的細(xì)顆粒網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。這種優(yōu)異的導(dǎo)電性可使化合物配方師使用相對(duì)較低的負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所需的最低表面電阻率。它還需要化學(xué)清潔度，以避免可能導(dǎo)致電子設(shè)備故障的離子遷移。圖 1 中的星形圖比較了 VULCAN XC305、XC605 和 XC72 與超導(dǎo)電黑色涂料在五個(gè)主要性能指標(biāo)方面的相對(duì)性能。超導(dǎo)電黑色涂料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，但在其他所有方面均不達(dá)標(biāo)，而 VULCAN 等級(jí)涂料則提供了均衡的性能。

圖 1.星圖顯示了不同等級(jí)炭黑的性能。

聚烯烴薄膜

對(duì)于聚烯烴薄膜生產(chǎn)，不透明度、耐候性、薄膜平滑度和分散性是薄膜母粒生產(chǎn)商的四個(gè)最重要的標(biāo)準(zhǔn)。薄膜不透明度主要取決于薄膜厚度和顏料含量。當(dāng)生產(chǎn)最薄的薄膜時(shí)，炭黑等級(jí)的選擇會(huì)顯著影響達(dá)到一定不透明度所需的最終顏料含量。BLACK PEARLS 4040 被設(shè)計(jì)為具有良好成本和性能平衡的生產(chǎn)等級(jí)，而 BLACK PEARLS 4060 則具有出色的不透明度，使其適用于需要極端耐候性能和長(zhǎng)使用壽命的農(nóng)用薄膜。

黑色顏料的類型對(duì)最終可實(shí)現(xiàn)的薄膜光滑度也有主要影響。對(duì)于表面保護(hù)和攝影膠片等應(yīng)用，需要高標(biāo)準(zhǔn)的表面光滑度和分散性。薄膜光滑度是通過(guò)計(jì)算吹塑或流延薄膜樣品中未分散顏料團(tuán)塊（稱為點(diǎn)）的數(shù)量來(lái)測(cè)量的，BLACK PEARLS 3030 通常具有包含行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)炭黑的樣品中未分散顏料團(tuán)塊數(shù)量的約 20%。

圖 2.含有炭黑（Black Pearls 3030）的聚烯烴薄膜。

概括

炭黑在改變最終產(chǎn)品的物理特性（如顏色、耐候性或?qū)щ娦裕┓矫嫫鹬匾饔?。卡博特的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)介紹了開(kāi)發(fā)新等級(jí)炭黑的新工藝和技術(shù)，表明這種材料并不像看上去那么低技術(shù)含量。