炭黑seantaPPT课件

碳黑試樣需知
• 配方: 1.色濃度 2.顏基比 3.分散劑/顏料比 • 工藝: 1.球磨(快手)或砂磨 2.研磨時間 • 實驗室對比或工廠實際結果:
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炭黑色漿的合理設計
色濃度: - 高色素炭黑 (8-17nm) -- 6-8% - 中色素炭黑 (18-30nm) – 10% - 低色素炭黑(>30nm) – 10-15% 顏基比: - 高色素炭黑 – 1:4-1:6 - 中色素炭黑 – 1:3-1:4 - 低色素炭黑 – 1:2-1:3 分散劑用量:(對炭黑) - 高色素炭黑 – 0.5-1:1 - 中色素炭黑 – 0.5:1 - 低色素炭黑 – 0.3:1
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炭黑的形态和微观结构
The Distinction Between Particle and Aggregate Size
Mean Particle Size ~ 8 to 100 nm
Mean Aggregate Size ~ 50 to 300 nm
最小可分散粒子(聚集体)
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黑度与粒径
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色素碳黑特性对涂料的影响
• 平均原生粒径
• 表面化学 • 结构
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原生粒子(一次粒子) -- Particle
聚集体(二次粒子) -- Aggregate
附聚体(三次粒子) -- Agglomerate
Agglomerate Size 附聚体尺寸
Aggregate Size 聚集体尺寸
Primary Particle 基本颗粒
应用于某些特殊领域，不可取代。原 生粒子粒径大，分布广，不易凝团， 且相对填实密度高，黑度近似气黑法
热法 乙炔黑法
石油（油类） 通过热分解液态或气态的碳氢化合物
而制成的颜料碳黑，比表面积最低，
乙炔
基本上以单个球形粒子存在,不熔结或 聚结成聚集体,其表面含氧量少(0.1
％～0.3％)不用于涂料工业
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碳黑结构对涂料的影响
高结构
低结构
较低 红相 较低 蓝相 较容易 较高
较低
主色
黑度
色相
调色
着色力
色相 分散性
粘度
碳黑添加量
较高 蓝相
较高 红相 较难 较低 较高
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碳黑结构对分散性的影响
低结构 ☞ 聚集体之间的距离较小 ☞ 较强的作用力
较难分散
高结构 ☞ 聚集体之间的距离较大 ☞ 较弱的作用力
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碳黑的分散机理
分散步骤 1、碳黑被漆料润湿 2、分散碳黑 3、分散后碳黑粒子的稳定
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润湿机理
• Wetting - The coverage of accessible pigment surface with components of the matrix.
(1) θ > 90 Non-wetting Behavior
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碳黑的生产工艺---气黑
• 德固赛在 1935独创的生产工艺 • 碳氢化合物的不完全燃烧 • 敞开的反应设备, 表面氧化程度高 4-6% • 平均原生粒径在 10-30 nm
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碳黑的生产工艺---炉黑
• 最重要的碳黑生产工艺 • 碳氢化合物的不完全燃烧 • 密封式反应设备, 碳黑表面氧化度不高 1-2% • 平均原生粒径在 10-80 nm • 碳黑的结构可以调整
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原材料选择范围广，聚集尺寸可控制， 碳黑性能多种多样，效率最高、经济 效益最好。占炭黑总量的 70％～ 90％。
槽黑法 天然气
污染较大对生态环境造成影响 ，生产 效率低，已停用
气黑法 煤焦油
源自槽黑法，碳黑产品原生粒子粒径 很小且粒径分布很窄，高纯度高结构， 粒子表面具有明显的亲水性
灯黑法 从石油或煤 而来的芳香 族油类
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• 在炭黑粒子中，若干碳原子构成的六边形 平面组成层面，每个层面约100个碳原子， 层面间的垂直距离为0.35nm，3层到5层层 面组成微晶体。微晶体高度在1.3-1.6nm， 宽度为2nm左右，众多微晶体围绕一个中心 堆砌，形成一个炭黑粒子。
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色素碳黑的TEM 图片
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• 色素炭黑一般介绍 • 色素碳黑的生产工艺 • 色素碳黑的特性对涂料的影响 • 其它影响碳黑性能的因素 • 色素碳黑的推荐
碳黑的供应形式
粉状碳黑
珠状碳黑-干法
珠状碳黑-湿法
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不同供应形式碳黑的差异
粉状碳黑 珠状碳黑-干法
优点
较容易分散
较少粉尘 倾注密度高 好的流动性
缺点 粉尘较大 倾注密度低 差的流动性
较难分散
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• 色素炭黑一般介绍 • 色素碳黑的生产工艺 • 色素碳黑的特性对涂料的影响 • 其它影响碳黑性能的因素 • 色素碳黑的推荐
• 黑度直接与炭黑的粒径相关，粒径越小，比 表面积愈大，炭黑的黑度越高
• 尽管原生粒子已熔合成原生聚集体，但是其 比表仍能起作用，原生粒子细，则凝聚体的 比表面积越大。所显现的颜色更黑，防紫外 线作用更佳
• 由于细粒子炭黑的吸光率比粗粒子炭黑的更 高，所以着色力更强。但是当粒径减小时， 由于蓝光被优先吸收，为此色调变成棕相
(2) θ < 90 Moderate Wetting Behavior
(3) θ approaching 0 Complete Wetting
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润湿对分散效果的影响
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常用分散设备
分散后的稳定
在溶剂型涂料中，经常使用助剂来保证碳黑在液体涂料中的 稳定性。
在水性涂料中，助剂的使用时必须的。 助剂的选择必须根据碳黑的表面化学性质来选择，用量则根 据碳黑的种类及添加量来决定，在某些情况下，需要添加碳黑 用量的50％甚至更多的量。具体怎么选择须通过一系列详尽的 实验来确定
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碳黑的生产工艺---灯黑
• 最古老的碳黑生产工艺 • 碳氢化合物的不完全燃烧 • 很宽的粒径分布 • 平均原生粒径在 30-200 nm • 很大的碳黑粒径
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不同碳黑生产工艺碳黑的粒径分布图
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化学工艺 生产方式 重要原材料 特点
热氧化 分解
热分解
炉黑法
来自煤、石 油或天然气 的芳香族油 类
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原生粒径对碳黑性能的影响
100 nm 100 纳米
较低 红相
较弱 蓝相 较容易 较低 较高
主色
黑度 色相
调色
着色力 色相
分散性
吸油量
颜料添加量
10 nm 10 纳米
较高 蓝相
较强 红相 较困难 较高 较低
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原生粒径对分散性的影响
较高 较难 较难
相同的体积下
表面积 润湿 分散
较低 较容易 较容易
较容易分散
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• 色素炭黑一般介绍 • 色素碳黑的生产工艺 • 色素碳黑的特性对涂料的影响 • 其它影响碳黑性能的因素黑稳定性的因素
碳黑特性
原生粒径 表面处理
结构
因素
树脂体系
溶剂和助剂
分散
润湿性 极性 溶剂型 水性
分散剂 溶剂
研磨浆粘度
研磨浆碳黑浓度
研磨设备 研磨介质 研磨时间
炉法碳黑 •大多数是醌基 •pH值大约为9
气法碳黑 •大多数是羧基 •pH值大约为4
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表面化学
氧化 高 蓝色 低 高 好 低 高
表面氧化处理
着色力 色相 粘度 色浆浓度 分散性 导电率 光泽
未氧化 低 棕色 高 低 差 高 低
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色素碳黑特性对涂料的影响
平均原生粒径 表面化学 结构
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炭黑粒子不仅以原生粒子形式存在，而 且在生产熔结成凝聚体。这种凝聚体是由原 生粒子经化学键结合.
• 在凝聚过程中，由大量链枝的原生凝聚体 构成的炭黑称为高结构炭黑
• 而原生凝聚体由较少链枝原生粒子组成的 炭黑，则称为低结构炭黑
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• 链状聚集体越多，称为结构越高 • 炭黑的结构高低可用吸油值大小来衡量 • 吸油值：100g炭黑可吸收的亚麻籽油的量 • 在粒径相同的情况下，吸油值越大，表示
结构越高
炭黑的特质
1.最好的黑色颜料 2.几乎是最廉价的颜料 3.着色力及遮盖力最强的颜料 4.视觉感官上呈中性 5.最稳定的颜料、耐热、耐化学品、耐光
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炭黑的用途
• 主要用作橡胶的补强剂和填料，占碳黑总 量的94%，其中约60%用于轮胎制造。
• 还可以用作油墨、涂料和塑料的着色剂以 及塑料制品的紫外光屏蔽剂
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碳黑的选择
先定黑度 – 再找分散性好的 – 別太贵 ! ✓ 粒径 (黑度) ✓ 结构 (分散性) ✓ 吸油量(分散性) ✓ 表面处理程度(分散性) ✓ 单价(与竞争产品比较)
附：
对于溶剂型单色漆，最好使用粒径很小的氧化气黑或氧化炉黑 对于水性涂料，为使PH值稳定，通常推荐使用没有经氧化处理 过的气黑或炉黑；但为提高分散稳定性，并降低分散剂用量， 实际生产中，仍多选用经过表面氧化的高挥发分酸性碳黑品种39
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• 原生粒子---炭黑是由烃类化合物经热分解 而成，在分解过程中，烃类化合物先形成 碳的六元环，并进一步脱氢缩合形成多环 式六角形网状结构层面。这种层面3~5个重 叠则成为晶子，大量晶子无规则的堆砌， 形成了炭黑的球形颗粒。
• 聚集体---制备过程中，炭黑的初级球形颗 粒彼此凝聚，形成大小不等二级链状聚集 体，称为炭黑的结构。
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色素碳黑的特性对涂料的影响
平均原生粒径 表面化学 结构
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• 细微原生粒子赋予炭黑更大的比表面积， 同时增加分散难度，一般通过表面处理可 调整润湿性和改善分散性
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表面氧化处理后
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表面氧化基团对pH值的影响
HO O
HO O O O
OOOO
OH
O
羧基
苯酚 内酯
醌基
酸酐
醚
酸
碱
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表面氧化基团对pH值的影响