近年来，通过炭黑行业广大科技人员尤其是中橡集团炭黑工业研究设计（简称CCBI）的产品开发人员的努力，以及各行业用户的积极配合和支持，我国的非橡胶用炭黑的品种数量、质量都取得了较大发展，并像世界发达国家一样，逐渐实现了精细化和专用化。尽管国内各行业炭黑用户在选用炭黑品种时的混乱性、盲目性以及非专用性程度已大大降低。但在炭黑供应商向用户推荐品种或用户自行选择品种时，对所选炭黑、特别是专用炭黑品种的应用性能和加工性能（如分散性、粘度/流动性等）仍缺乏事前的了解，从而造成用户尤其是初始接触炭黑的用户，经常要更多地通过调整加工工艺和配方才能加工出性能最佳的制品。因此，为了使广大用户更好、更准确地使用CCBI的各类专用炭黑品种，CCBI投入大量人力和经费建成应用实验室，并对各类专用炭黑品种的分散性、粘度/流动性进行了系统研究。现将研究结果，呈现给广大用户，希望能对已选用或将选用CCBI各类专用炭黑的用户，更经济更有效的应用CCBI专用炭黑产品有所帮助。
2.炭黑颜料的分散机理
   众所周知，炭黑是最难分散的颜料之一，因此炭黑比任何其它颜料更需要关注其在载体中的分散。虽然几乎所有炭黑用户都或多或少地掌握一些有效分散炭黑的技巧，但对炭黑分散机理和分散过程就不一定进行了系统的了解和分析，所以有必要在此对炭黑的分散过程和机理做一简要描述。
2.1炭黑颜料的分散过程和机理
   炭黑的分散过程是物理过程，在这个过程中还可分为几个相对独立的阶段。炭黑在另一种介质中被分散，实际就意味着炭黑粉末中的附聚物被破坏为较小粒子，并同时被介质所润湿。炭黑的分散过程也伴随有炭黑粒子的随机均匀分布过程，如果介质粘度较低，则已分散的炭黑粒子就会由于粒子间的吸引力而容易聚集，即所谓的颜料粒子再附聚作用。这种作用会降低炭黑的分散性，并影响炭黑的着色强度等性能，为防止再附聚作用的发生，必须使炭黑分散状态稳定化。
炭黑的分散过程可以分为以下四个阶段：
   破碎：由于商品级炭黑颜料通常以较大的附聚体颗粒存在，需要分散到一定的细度才符合下游领域的最终要求。所以在使用炭黑时，必须对炭黑进行破碎分散操作，同时也必须将炭黑破碎分散到一定细度范围时，才能使炭黑的着色性能或其它所需要的性能充分发挥出来。例如，发生在挤出机、捏合机、三辊机、密炼机、高搅机、球磨机、砂磨机等中的操作过程均是颜料的破碎。做为颜料的特性，炭黑的破碎程度同样与自身粒子的“坚牢度”有关。
   润湿：炭黑粒子表面与周围介质的相互作用是炭黑被润湿的重要因素。炭黑润湿的能量关系可用热力学定律来解释，其中炭黑表面张力和表面能是润湿热的重要辅助参数，也可以从动力学角度描述炭黑粉末和附聚物的润湿过程。润湿时间不但与炭黑粉末的孔隙及几何结构有关，还随介质粘度提高而增加，并随润湿张力增大而减少。在实用条件下，升高温度可以加速润湿过程，但温度升高（粘度降低）又会导致剪切力（破碎作用）降低。润湿体积可作为炭黑孔体积或填充密度的量度，它与炭黑的相对着色强度密切相关，因此间接与炭黑在最终制品中分散质量有关。所以，在实际操作中为了提高炭黑的分散性，往往在介质中掺入了低分子量的添加剂（如增朔剂或粘度促进剂等）。
   分布：通过提高加工温度来降低体系粘度，使炭黑和介质有更充分的接触；以及延长炭黑在加工设备内的停留时间，可以使被润湿的炭黑粒子在介质中更均匀地分布。但是，在实际操作中，延长停留时间将受到产量要求的限制。因此，对于塑料行业，通常在注朔机和挤出机中安装鱼雷头、多孔板、剪切部件以及加设捏合段和采取其它设计措施，以强化破碎分散作用并适当延长停留时间。
   内聚力：由于炭黑粒子之间存在吸引力（偶极、氢键和静电力），因此必须依靠外界能量来克服吸引力，才能达到分散目的。炭黑的分散性和它的粒度分布有密切关系，粒度小的炭黑具有较大的比表面积，并且存在热力学上的不稳定性，从而容易产生再附聚作用。在实际操作中，添加分散剂涂覆在炭黑粒子表面，从而降低炭黑粒子之间的内聚力，有助于炭黑的分散。
2.2炭黑分散不良导致的主要后果
   分散炭黑的目的是使炭黑在载体中处于一种均匀的胶体的分布状态，这种分布程度能充分表现出炭黑的色相、黑度和遮盖力。炭黑的分散主要受制于三个因素：炭黑本身的特性，载体或分散介质的类型，所使用的分散设备类型。在使用炭黑着色时，如果炭黑分散不良会导致以下方面的后果：　
着色强度不稳定；
黑度降低，颗粒色泽不好；
出现条纹；
挤出机的过滤筛网易堵塞；
在挤出加工吹朔薄膜时，未破碎的炭黑附聚物引起膜泡破裂；
引起单丝和扁丝断裂；
由于制品表面的不均匀性引起的印刷问题；
引起制品机械强度降低（缺口效应）；
由于颜色包覆不良而导致耐磨性下降。
由此可见，炭黑的分散在实际应用中至关重要。
3.试验方法
   由于炭黑的分散在实际应用中具有至关重要的作用，因此，为了使广大用户对CCBI各种专用炭黑本身的分散性、粘度/流动性有一个充分了解，我们对CCBI各种专用炭黑本身的分散性、粘度/流动性进行了应用实验，获得了CCBI各种专用炭黑本身的分散性、粘度/流动性数据，供广大用户使用时参考。
本文以将炭黑加入树脂漆浆中研磨60分钟后，炭黑所能达到的细度值（μm）来表征炭黑的分散性。细度值越小，分散性越好。为使分散性检测结果更接近实际应用，我们采用接近油漆行业的制漆配方和工艺，制取中油度醇酸树脂自干性黑色面漆，并以刮板细度计检测炭黑的细度值。在粘度/流动性方面，以油漆行业采用的“涂-4”粘度计检测炭黑漆浆的粘度/流动性，并以此来表征炭黑在应用过程中呈现的粘度/流动性。
4.结果与讨论
4.1CCBI各类专用炭黑的分散细度值
表4-1:炉法色素炭黑、后处理色素炭黑的细度值
    炭黑品种         细度值（μm）    炭黑品种         细度值（μm）
       R5               32          Q156（涂料用）         28
   R5（气流粉）         30          Q155（塑料用）         22
     RCF-30             28             MCF-2               32
  Q312（涂料用）        25          Q158（涂料用）         28
  Q311（塑料用）        20          Q157（塑料用）         20
       R3               35               CM                20
    R86/R2021           28               CM0               22
  Q212（涂料用）        28               103               28
    R86（粉）           25          103（机械粉）          25
  Q211（塑料用）        20              ZH-1               18
  Q152（涂料用）        28              ZH-2               18
  Q151（塑料用）        22                /                 /
注:表4-1中细度值为三个平行样的平均值（以下同）
4.2相同比表面积、DBP不同粒径分布的炭黑分散的细度值
表2:不同粒径分布的炭黑分散的细度值对比表
粒径分布较窄的炭黑 粒径分布较宽的炭黑
   名称    细度值（μm）   名称     细度值（μm）
    CM         20          D-CM          20
   CM-0        22          D-CM-0        20
    R3         35          D-R3          30
    R5         32          D-R5          20
   103         28          D-103         22
4.3预处理Q系列炭黑分散细度、粘度
表4-3:预处理Q系列炭黑分散细度、粘度与预处理时间的关系表
项目时间(h) Q312 Q212 Q158 Q152
细度(μm) 粘度(s) 细度（μm） 粘度(s) 细度（μm） 粘度(s) 细度（μm） 粘度(s)
2 26    43      28        55      28      50      30       69
3 24    55      26        53      28      52      28       72
4 22    68      24        70      24      60      25       84
5 20    65      18        70      22      60      22       130
6 20    60      20        75      22      65      20       135
7 22    63      20        80      20      60      20       130
8 20    75      20        80      20      70      20       140
注：υ=t-6/0.223t---流出时间（s）υ----运动粘度(mm2/s)(以下同)
4.4不同预处理设备处理的Q系列炭黑分散细度与粘度
表4-4:不同设备预处理的Q系列炭黑分散细度、粘度对比
名称项目机型 Q312 Q212 Q158 Q152 备注
细度（μm）粘度（S 细度（μm）粘度（S）细度（μm）粘度（S）细度（μm）粘度（S）
YM-1 24    70     25      62      24       53      26     69 处理10h
YM-2 22    68     24      70      24       60      25     84 处理4h
YM-2 20    60     20      75      22       65      20     135 处理6h
4.5结果分析与讨论
    从表4-1的数据和图4-1中可看出:
CCBI专用炭黑品种中,低结构的R3、R5、MCF-2产品分散最难，其次是103、V4、V7产品，最易分散的是CM、ZH-2。
    对炭黑进行表面氧化、机械外力预处理可大大改善分散性能。而且，通过机械外力预处理加表面氧化可最终使所有专用炭黑的分散细度趋于一致（约20µm）
机械研磨预处理对炭黑分散细度的降低程度较氧化后处理大，这可能是以下两个原因：
    ——炭黑在使用前以大量聚集体形态存在,机械外力破坏了炭黑附聚体结构，通过预处理，缩短了炭黑分散过程中的“解聚”时间，从而使炭黑在规定的时间内分散细度得到降低。
    ——在机械外力作用下,炭黑表面所产生的一些新的炭黑表面与空气中的氧气或添加的氧化剂发生反应，引入更多含氧基团，促进了炭黑分散过程的“润湿”,使炭黑分散性得到提高。
    从表4-2的数据和图4-2中可看出:
粒径分布宽的炭黑，其分散性能明显好于其他炭黑的分散性能。这主要与炭黑粒子大小的分布有关，粒子分布宽的炭黑通常比其他炭黑的附聚力小，更容易分散。如CCBI的ZH-1、ZH-2专用炭黑就是根据这原理而开发的。
    从表4-3的数据和图4-3、4-4、4-5中可看出:
对于炉法色素和后处理色素炭黑，随着分散细度的下降其粘度将增高，其中低结构炭黑粘度增幅较小，而高结构炭黑粘度甚至可成倍增加。这主要是由于炭黑细度的下降造成其比表面积增大所致。
    对于Q系列产品，在预处理时，随时间的增加细度降低的速度为：Q312>Q212>Q158≈Q152，这主要受基础炭黑的原始粒径和比表面积影响所致。
    对于Q系列产品，在预处理时，随时间的增加粘度增加的速度为：Q152;Q212;Q312;Q158，这主要受基础炭黑的结构影响所致。
从表4-4的数据可看出:
    分散能力强的预处理设备或分散设备对炭黑具有更有效、更优越的分散效果。
5.结论
   通过以上数据分析和讨论，为我们在专用炭黑产品的开发和性能改进上理清了思路，同时改变了过去我们对专用炭黑化学指标与其应用性能相关关系的一些认识。诚然，本文也仅是对CCBI专用炭黑的应用性能做了粗略研究，有不当之处请各位同仁批评指正。今后我们将继续运用现有手段，对专用炭黑“分散性”、抗“絮凝”性、“堵网性”等应用性能进行深入研究。


转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自熊邦虎科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-276743-252183.html

上一篇：[Z]鉴别分散剂的档次种类
下一篇：[Z]聚氨酯品种分类及应用领域