炭黑碳黑的元素组成

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一、元素组成

在讨论碳黑的定义时，我们已经说过，碳黑主要是有「碳」组成的物质。碳的含量可达到90~99%。除了碳之外，还有0.1~10的氧，0.2~1.0%的氢以及少量的硫和其他杂质（水分、灰分、溶剂抽出物等）。各种碳黑的元素组成如表2-2所列。没有列入本表中的色素炭黑，其含碳量显著地少，氧含量则很高，可以超过10%。

炭黑中的碳含量是炭黑的主要成分。由于炭黑中的碳原子以共价键的方式结合成巨大的六角形的层平面网，使炭黑具有芳香族的一些性质。炭黑中的氢来源于炭黑生产过程中原料烃的分解，在炭黑生产的同时，氢便和碳原子键合在一起。尽管按重量比来说，炭黑中的氢含量并不多，但由于氢的原子量仅为碳原子量的十二分之一，因此，这些少量的氢就会对炭黑的性质有重要的影响。炭黑具有广范围的碳与氢的原子比，其C/H原子比可从10/1到35/1。炭黑中的氢含量同干炭黑的电阻率、炭黑的润湿性及化学反应性质等有关系。炭黑中的氧来源于炭黑生产过程中所供给的空气。氧同炭黑表面上的碳原子以化学键结合并位于表面的10~20ù之内。炭黑中的硫主要来源于原料中的硫。在烃类燃烧、裂解生产炭黑的同时，原料中的部分硫结合于炭黑中或形成含硫表面基层和吸附硫。炭黑中的结合硫不会引起橡胶的交联。

二、其他杂质

灰分：所有的炭黑都含有灰分，槽法炭黑比炉法炭黑所含灰分低。灰分主要来源于原料中所含的灰分，设备腐蚀、急冷水中所含的盐分和固体残渣。槽法炭黑的灰分来源于槽钢等的腐蚀；炉黑主要为急冷水中的盐分。不同工业用水的总含盐量、硬度和碱度对炉黑的灰分均有影响。炭黑工厂的生产实践证明，采用电渗析等技术以出去水中的无机盐粒子作为急冷水，会使炭黑中的灰分含量大大降低。此外，反应炉衬的破坏也会引起炉黑灰分增加。炭黑中少量的灰分存在不至于引起硫化胶性能的改变。炭黑灰分中所含的铜锰等化合物可能对硫化胶的老化作用有些影响。筛余物按我国橡胶用炭黑标准规定，筛余物是通不过目筛的硬粒杂质。经测定，筛余物的70~80%是由碳构成的粒径为~微米的焦粒，常呈片状、碎石油焦状和球状。我们习惯上称它们为硬碳。炭黑中筛余物即硬碳的含量增加时，会降低硫化胶的抗张强度。水分：炭黑所含的水分主要是吸附水，炭黑中的化合水极少。在标准大气压下，高含氧量的炭黑，如色素槽黑水分含量相当高。炭黑水分含量与周围大气的温度、相对湿度，炭黑的比面积、孔隙度、氧含量及灰分含量有关。炭黑水分的含量增加时，直接会影响到它在橡胶、油墨和涂料中的应用性能。溶剂抽出物：各种碳黑当用有机溶剂（如丙酮、氯仿、苯等）抽提时，可以得到不同含量的可抽出物。多年来，一直使用丙酮作为抽出溶剂以检定碳黑中可抽出物的含量，称为丙酮抽出物。目前则多采用芳香族化合物（如苯、二甲苯和邻二氯苯等）作为抽出溶剂。邻二氯苯（1,2-二氯苯）比其他溶剂可抽出更多的可抽出物。图2-10表示两种炭黑的邻二氯苯可抽出物在紫外光和可见光的不同波长下，用分光光度计测定的吸收特性，可以把高结构高耐磨炉黑（N）和新工艺高结构高耐磨炉黑（N）区别开。早期认为，炭黑的溶剂抽出物是存在于炭黑表面上的焦油状物质。现已测出乃是高分子量的复杂多环烃。其主要成分是芘，此外还有萤蒽、2,3-苯并芘、1,2-苯并芘、蒽、苯并芘、菲、丁省和ND等几十种物质。

炭黑的溶剂抽出物对胶料的性质没有明显影响，但与橡胶的“污染性”却有着直接关系。非污染炭黑和污染炭黑就是据此而划分的。

橡胶用油炉炭黑的质量与炉法炭黑生产工艺的关系