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研炭翁说碳(十五) 最接近我们生活的炭----炭黑 精选

已有 27729 次阅读 2011-11-14 18:37 |系统分类:科普集锦| 生活, office, style, face

                最接近我们生活的炭----炭黑

 

 看到这一标题,有些读者可能有些疑问:“你搞错了吧,除了某些污染严重的城市可能在空气中含有极微量炭黑类可吸入颗粒以及做饭的锅底有烟炱外,我们身边哪里还会有炭黑呢?”。其实炭黑确实就存在于我们身边,只不过它已经改头换面而已。如果你正在用非水性又非油性的中性笔写字时,笔中的墨水里就有;你在磨墨写字作画吗?墨锭里就含有;你身边有书本报纸吗?纸上黑色油墨的印字中就含有;你身边有打印机吗?打印机墨盒的墨粉里就含有;你穿有黑色胶底鞋吗?橡胶鞋底中就含有;当你走出户外看到车水马龙的汽车洪流时,你没想到吧?汽车轮胎中几乎一半都是炭黑。因此,炭黑可说是最接近当今人类生活的炭。

 早在3000多年前的汉代 ,我们的老祖宗便已会使用松枝烧烟制墨。松枝燃烧不完全所形成的烟炱实际上就是炭黑。如今炭黑已成长为成熟的工业产品。全世界产量近千万吨,在所有炭材料中它的生产量最大,其它炭材料产量的总和也不足炭黑产量的一半。按全球70亿人计算,几乎人均消耗量达1公斤以上。但是你要知道,这样大量的炭黑,几乎90%都被用于生产橡胶制品,特别是用于汽车、飞机等的轮胎用橡胶中。

因炭黑中含有众多的碳原子形成的六角苯环,所以它具有优良的吸光能力,它的颜色漆黑,自古以来就是黑墨的主要原料,炭黑的产业化也是18世纪在美国随着印刷工业对油墨的需求发展起来的。1910年,英国发现炭黑对橡胶的增强作用后,随着汽车工业的发展,它又成了工业橡胶制品不可或缺的基本原料。正如研炭翁说碳(十)中所指,炭黑是各种气相或液相碳水化合物(烃类)不完全燃烧或热裂解,经气相炭化所形成的黑色粉末。炭黑最早开发的是用天然气为原料的槽法生产,上世纪二十年代又出现了炉法和热裂法。1943年美国投产用液态烃为原料的油炉法后,由于该法效率高、经济效益好,当今用这一方法已成为炭黑生产量的主流。

1是油炉法生产炭黑的示意图。液相烃类(碳氢化合物,如轻质油类)不完全燃烧后,残留的碳原子会形成碳六角网面缩聚在一起的多环芳烃,进而形成亚微米级的基本球形粒子,而数个或数十个微小球状的粒子又会连接在一起会形成聚集状态的原生结构,这些聚集结构还会因分子间范德华力凝聚在一起再形成二次结构,而复杂的一次和二次结构使它的内部存在大量孔隙,这些孔隙大小又与炭黑的结构直接相关联,不同方法生产的炭黑粒子大小不同,结构也不一样,相应地其表面积和粒子的凝聚程度也不一样。

      

               图1油炉法生产炭黑示意图。

炭黑中的球状粒子又是由鳞片状密集排列的石墨烯片层堆叠而成,其结构模型如图2所示。图3显示出炭黑粒子的不同聚集类型,不同牌号的炭黑中各种聚集类型状态的含量也不一样,低聚集结构的炭黑主要有图3中的前面两种类型,而高聚集结构的主要是图3中的后两种。

       

              图2炭黑的结构模型

 

 

                            3炭黑粒子的不同聚集类型.

 

 炭黑粒子表面如图4所示,因有许多处在边缘和缺陷处的碳原子,在空气中受到氧化就会因而形成如图所示的各种各样的含氧官能团,这些结构特征都会影响到炭黑的各种实用性能。 

                       

                        4炭黑粒子表面形成的各种含氧官能团

 

如前所述,炭黑主要用作橡胶的补强剂和填料,其消耗量约为橡胶消耗量的一半。此外,它也被用作油墨、涂料和塑料的着色剂以及塑料制品的紫外光屏蔽剂。在电极、干电池、电阻器、炸药、化妆品及抛光膏中,它也是很重要的添加材料。

炭黑的生产工艺并不复杂,然而要制得结构均匀的炭黑微粒也并非易事。正因为如此,我国目前尽管是炭黑和中性笔的生产中数一数二的大国,但仍需要从国外大量进口以炭黑为原料生产的中性笔墨水,这点确实是件值得相关人员予以深思的事!

 



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