炭黑是塑料的著色劑、防紫外線老化劑和抗靜電劑。隨著塑料行業(yè)的發(fā)展，炭黑在塑料行業(yè)的用量也越來越大，從普通的日用塑料到高檔的工程塑料都離不開炭黑。和橡膠行業(yè)用炭黑相比，塑料的炭黑用量雖然不多，但它對塑料性能的影響很大，因此，對塑料用炭黑的性能要求更加嚴(yán)格，不同用途的塑料制品對炭黑性能有不同的要求，現(xiàn)對炭黑在塑料中應(yīng)用作一介紹。
1炭黑基本性能炭黑基本性能，原生粒徑、結(jié)構(gòu)、孔隙率和表面官能團(tuán)，對塑料性能的影響如下：1．1炭黑原生粒徑小(比表面積大)(1)可以提高炭黑的黑度；(2)可以提高炭黑的著色力；(3)可以增強炭黑抗紫外線的能力；(4)可以提高炭黑的電導(dǎo)率；(5)能增大塑料的粘度；(6)降低炭黑的分散性；(7)增加炭黑和塑料的吸水量。炭黑的吸水量與炭黑的氮吸附比表面積有很大的關(guān)系。當(dāng)與樹脂混合制成塑料時，炭黑的原生粒徑將是影響塑料吸水量的主要因素。
1．2炭黑結(jié)構(gòu)高(1)會降低炭黑的黑度和著色力；(2)可以提高炭黑的分散性；(3)可以增大塑料的粘度；(4)提高炭黑的電導(dǎo)率；(5)在導(dǎo)電炭黑的使用中，可以減少炭黑的使用量。炭黑結(jié)構(gòu)是炭黑鏈枝程度或炭黑聚集體大小的表示法。炭黑結(jié)構(gòu)分為一次結(jié)構(gòu)，或稱原生結(jié)構(gòu)和二次結(jié)構(gòu)。一次結(jié)構(gòu)是指原生聚集體形成的結(jié)構(gòu)，原生結(jié)構(gòu)比較牢固，不易破壞，所以一次結(jié)構(gòu)是在塑料體系中實際存在的結(jié)構(gòu)。二次結(jié)構(gòu)是炭黑聚集體靠范德華力凝聚形成的附聚體，二次結(jié)構(gòu)不牢固，易在塑料加工過程中受到破壞。炭黑孔隙體積與結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，結(jié)構(gòu)高的炭黑存在著較大的孔隙體積；結(jié)構(gòu)低的炭黑則孔隙體積較小，所以孔隙體積是炭黑結(jié)構(gòu)的量度。一般炭黑孔隙體積通過吸液法和壓縮比容法測定。炭黑孔隙體積在一定程度上影響一定粒徑的炭黑的“重量”，因此，加入相同重量、但孔隙體積較大的炭黑，能增加炭黑粒子在塑料中體積數(shù)量，同時也提高了塑料制品的電導(dǎo)性。
1．3炭黑表面官能團(tuán)多(揮發(fā)物量高，pH值低)(1)降低炭黑的電導(dǎo)率；(2)提高炭黑的潤濕性；(3)增加炭黑的吸水率。炭黑表面官能團(tuán)是在炭黑離子表面生成的含氧基團(tuán)，它影響著炭黑許多理化性能。炭黑的表面官能團(tuán)主要是一些酸性的表面基團(tuán)，主要包括羧基、酚羥基、醌基和內(nèi)酯基等。炭黑表面官能團(tuán)的多少是由一定溫度和環(huán)境條件下，反應(yīng)一定時間后，通過測量炭黑的減量來表示的。另外，影響塑料性能的其他因素還有炭黑中硫分、灰分、雜質(zhì)等，還有炭黑的物理形態(tài)，如粉狀或粒狀。
2炭黑粒子的物理特性用帶有自動圖像分析技術(shù)的透射電子顯微鏡可以測試炭黑的粒徑、聚集體的尺寸和形狀以及分布狀況。將透射電子顯微技術(shù)運用到炭黑聚集體的多重圖像上，可以看到聚集體的三維結(jié)構(gòu)。通過透射電子顯微鏡上的角度計旋轉(zhuǎn)炭黑的聚集體結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)不同的角度所看到的聚集體外觀是不一樣的。通過不同角度所顯現(xiàn)的聚集體圖像，我們可以建立聚集體的三維圖像。總而言之，通過旋轉(zhuǎn)方式我們可以看到具有高結(jié)構(gòu)炭黑的聚集體比低結(jié)構(gòu)炭黑的聚集體更大、更復(fù)雜。在同樣放大倍率下，用透射電子顯微鏡測試的圖像和用計算機模擬的三維圖像，如圖1所示。從右邊的模擬圖像來看，雖然圖像是二維的，但我們可以明顯感受到聚集體的三維圖像；而且通過觀察，我們可以了解炭黑粒子之間的空間關(guān)系。另外，這樣的模型圖像可以根據(jù)需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以觀察和測量炭黑的聚集體。隨著三維圖像分析技術(shù)的發(fā)展，未來的三維分析技術(shù)，將對聚集體結(jié)構(gòu)如何影響應(yīng)用性能作出滿意的解釋。
3炭黑的分散設(shè)備炭黑在塑料中常用的分散設(shè)備，見表1。
表1 炭黑在塑料中的各種分散設(shè)備
Tab1 Dispersing equipment for carbon black used in plastics applications
分散設(shè)備 應(yīng)用 分散等級 預(yù)混合要求
砂磨機 塑料分散體和顏料漿 中剪切力 需要
三輥機 塑料分散體和顏料漿 高剪切力 需要
單螺桿擠出機 熔化樹脂 中剪切力 不需要
雙螺桿擠出機 熔化樹脂 中剪切力 不需要
連續(xù)混合機 熔化樹脂 高剪切力 需要
密閉式塑煉機 熔化樹脂 高剪切力 不需要
3．1砂磨機從某種意義上講，砂磨機是球磨機的延伸。砂磨機的研磨方法類似于球磨機，其分散需要的剪切力均來自顏料中的分散介質(zhì)。砂磨機是依靠高速旋轉(zhuǎn)的分散盤作用于分散介質(zhì)所產(chǎn)生的離心力來提供分散剪切力；而球磨機是依靠重力來提供分散剪切力。砂磨機的優(yōu)點為分散時間快，效率高，能夠連續(xù)生產(chǎn)，可以分散低粘度的體系。砂磨機的缺點是分散前都需要預(yù)混和。砂磨機所用分散介質(zhì)有鋼珠、玻璃珠以及陶瓷珠等。當(dāng)砂磨機分散時，分散介質(zhì)趨向于均勻地分布。當(dāng)減少分散介質(zhì)在體系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，分散介質(zhì)之間的距離將會增大，這樣就會降低炭黑的分散效率。但如果用太多分散介質(zhì)，則會增加分散介質(zhì)之間的磨損，造成分散介質(zhì)粒徑的減�。河袝r還會導(dǎo)致分散介質(zhì)的破碎，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。一般根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，調(diào)整分散介質(zhì)的數(shù)量和粒徑，使炭黑的分散效率達(dá)到最高。砂磨機比較適合處理低粘度的漿料，不適合處理高粘度的漿料。
3．2三輥機三輥機的主要作用是依靠壓力和剪切力來克服炭黑的內(nèi)聚力，達(dá)到粉碎和分散炭黑的目的。要使三輥機達(dá)到最好的分散水平，下列條件必須得到滿足：剪切表面(輥子)之間的距離務(wù)必仔細(xì)調(diào)整好，并能夠穩(wěn)定下來，使輥筒之間的壓力達(dá)到一個恒定的狀態(tài)；輥筒的溫度應(yīng)嚴(yán)格控制，避免忽高忽低，影響體系的粘度，影響炭黑的分散；對要求生產(chǎn)高光澤、高分散、黑度深的制品時，事先應(yīng)對三輥機表面進(jìn)行重點的清洗；在進(jìn)行同樣產(chǎn)品不同批號的生產(chǎn)時，務(wù)必對剪切表面(輥子)進(jìn)行重新清洗。三輥機比較適合處理高粘度的漿料，不適合處理低粘度的漿料。
3．3注意事項(1)為了能充分發(fā)揮炭黑的特性，分散研磨前應(yīng)完成下列幾方面工作：①將炭黑和樹脂混合均勻；②用樹脂代替炭黑孔隙內(nèi)的空氣和水分；③用分散設(shè)備提供的剪切力，將炭黑中大的附聚體研磨分散成小的附聚體或聚集體。如果在炭黑的分散過程中能很好地按照上述步驟操作，炭黑一定能達(dá)到令人滿意的黑度、色相、著色力、光澤、穩(wěn)定性和流動性。(2)預(yù)混合從表1可知：不是所有的分散設(shè)備都需要預(yù)先將炭黑和樹脂進(jìn)行預(yù)混合。但為了確保塑料在擠出時達(dá)到最好的效果，必要的預(yù)混合還是需要的，以確保樹脂熔融時和炭黑充分混合，有效減少達(dá)到分散要求的研磨時間。
4炭黑的填充量為降低塑料的成本，炭黑的用量要求盡可能地高，但是，研磨設(shè)備的性能和類型將對炭黑的分散產(chǎn)生重要的影響。不同的塑料要求不同的分散水平。在許多情況下，塑料性能的不足可以直接歸因于炭黑分散的不足，如電纜外殼和光纖等塑料產(chǎn)品，要求炭黑的分散水平能達(dá)到更高層次。對于性能要求很高的塑料，炭黑的充分分散是非常重要的。如果能最大限度地提高炭黑的分散水平，可以使塑料的顏色、色相、粘度、光澤、穩(wěn)定性以及擠出特性等達(dá)到更好的要求。
5炭黑的分散穩(wěn)定性炭黑分散的目的是為了滿足客戶對塑料制品性能的要求；然而，由于炭黑的分散和穩(wěn)定性有時不能滿足要求，會影響塑料制品的性能。下面我們對一些常見的問題進(jìn)行分析。(1)“絮凝”、“返粗”、“團(tuán)聚”是顏料漿中最常見的一些分散問題。它們是因為炭黑粒子之間的布朗運動產(chǎn)生的。要達(dá)到理想的分散，有賴于分散設(shè)備的提高、添加劑的應(yīng)用和另外一些技術(shù)的運用。(2)顏料漿分散不好，導(dǎo)致塑料制品的黑度下降，偏棕色，光澤差。這些問題可以通過加大分散力度解決；也可以通過調(diào)整炭黑的填充量來完成；也可以通過增加混合的時間、改善混合條件來解決。(3)塑料粘度高與炭黑添加量過多有關(guān)，而且添加量大，可能會導(dǎo)致塑料過熱。溫度過高會對熱敏性聚合物產(chǎn)生不良反應(yīng)，造成體系過熱，引起凝膠的產(chǎn)生；還會降低炭黑的分散質(zhì)量和體系的穩(wěn)定性。因此，減少炭黑的添加量或控制好適當(dāng)?shù)臏囟扔兄跍p輕問題的產(chǎn)生。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，塑料對炭黑的要求越來越高。作為炭黑生產(chǎn)企業(yè)，必須緊跟塑料工業(yè)發(fā)展的步伐，在炭黑的質(zhì)量、產(chǎn)品性能和應(yīng)用性能上下功夫，不斷創(chuàng)新，使炭黑的質(zhì)量能更好滿足塑料工業(yè)的發(fā)展需求。
1炭黑基本性能炭黑基本性能，原生粒徑、結(jié)構(gòu)、孔隙率和表面官能團(tuán)，對塑料性能的影響如下：1．1炭黑原生粒徑小(比表面積大)(1)可以提高炭黑的黑度；(2)可以提高炭黑的著色力；(3)可以增強炭黑抗紫外線的能力；(4)可以提高炭黑的電導(dǎo)率；(5)能增大塑料的粘度；(6)降低炭黑的分散性；(7)增加炭黑和塑料的吸水量。炭黑的吸水量與炭黑的氮吸附比表面積有很大的關(guān)系。當(dāng)與樹脂混合制成塑料時，炭黑的原生粒徑將是影響塑料吸水量的主要因素。
1．2炭黑結(jié)構(gòu)高(1)會降低炭黑的黑度和著色力；(2)可以提高炭黑的分散性；(3)可以增大塑料的粘度；(4)提高炭黑的電導(dǎo)率；(5)在導(dǎo)電炭黑的使用中，可以減少炭黑的使用量。炭黑結(jié)構(gòu)是炭黑鏈枝程度或炭黑聚集體大小的表示法。炭黑結(jié)構(gòu)分為一次結(jié)構(gòu)，或稱原生結(jié)構(gòu)和二次結(jié)構(gòu)。一次結(jié)構(gòu)是指原生聚集體形成的結(jié)構(gòu)，原生結(jié)構(gòu)比較牢固，不易破壞，所以一次結(jié)構(gòu)是在塑料體系中實際存在的結(jié)構(gòu)。二次結(jié)構(gòu)是炭黑聚集體靠范德華力凝聚形成的附聚體，二次結(jié)構(gòu)不牢固，易在塑料加工過程中受到破壞。炭黑孔隙體積與結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，結(jié)構(gòu)高的炭黑存在著較大的孔隙體積；結(jié)構(gòu)低的炭黑則孔隙體積較小，所以孔隙體積是炭黑結(jié)構(gòu)的量度。一般炭黑孔隙體積通過吸液法和壓縮比容法測定。炭黑孔隙體積在一定程度上影響一定粒徑的炭黑的“重量”，因此，加入相同重量、但孔隙體積較大的炭黑，能增加炭黑粒子在塑料中體積數(shù)量，同時也提高了塑料制品的電導(dǎo)性。
1．3炭黑表面官能團(tuán)多(揮發(fā)物量高，pH值低)(1)降低炭黑的電導(dǎo)率；(2)提高炭黑的潤濕性；(3)增加炭黑的吸水率。炭黑表面官能團(tuán)是在炭黑離子表面生成的含氧基團(tuán)，它影響著炭黑許多理化性能。炭黑的表面官能團(tuán)主要是一些酸性的表面基團(tuán)，主要包括羧基、酚羥基、醌基和內(nèi)酯基等。炭黑表面官能團(tuán)的多少是由一定溫度和環(huán)境條件下，反應(yīng)一定時間后，通過測量炭黑的減量來表示的。另外，影響塑料性能的其他因素還有炭黑中硫分、灰分、雜質(zhì)等，還有炭黑的物理形態(tài)，如粉狀或粒狀。
2炭黑粒子的物理特性用帶有自動圖像分析技術(shù)的透射電子顯微鏡可以測試炭黑的粒徑、聚集體的尺寸和形狀以及分布狀況。將透射電子顯微技術(shù)運用到炭黑聚集體的多重圖像上，可以看到聚集體的三維結(jié)構(gòu)。通過透射電子顯微鏡上的角度計旋轉(zhuǎn)炭黑的聚集體結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)不同的角度所看到的聚集體外觀是不一樣的。通過不同角度所顯現(xiàn)的聚集體圖像，我們可以建立聚集體的三維圖像。總而言之，通過旋轉(zhuǎn)方式我們可以看到具有高結(jié)構(gòu)炭黑的聚集體比低結(jié)構(gòu)炭黑的聚集體更大、更復(fù)雜。在同樣放大倍率下，用透射電子顯微鏡測試的圖像和用計算機模擬的三維圖像，如圖1所示。從右邊的模擬圖像來看，雖然圖像是二維的，但我們可以明顯感受到聚集體的三維圖像；而且通過觀察，我們可以了解炭黑粒子之間的空間關(guān)系。另外，這樣的模型圖像可以根據(jù)需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以觀察和測量炭黑的聚集體。隨著三維圖像分析技術(shù)的發(fā)展，未來的三維分析技術(shù)，將對聚集體結(jié)構(gòu)如何影響應(yīng)用性能作出滿意的解釋。
3炭黑的分散設(shè)備炭黑在塑料中常用的分散設(shè)備，見表1。
表1 炭黑在塑料中的各種分散設(shè)備
Tab1 Dispersing equipment for carbon black used in plastics applications
分散設(shè)備 應(yīng)用 分散等級 預(yù)混合要求
砂磨機 塑料分散體和顏料漿 中剪切力 需要
三輥機 塑料分散體和顏料漿 高剪切力 需要
單螺桿擠出機 熔化樹脂 中剪切力 不需要
雙螺桿擠出機 熔化樹脂 中剪切力 不需要
連續(xù)混合機 熔化樹脂 高剪切力 需要
密閉式塑煉機 熔化樹脂 高剪切力 不需要
3．1砂磨機從某種意義上講，砂磨機是球磨機的延伸。砂磨機的研磨方法類似于球磨機，其分散需要的剪切力均來自顏料中的分散介質(zhì)。砂磨機是依靠高速旋轉(zhuǎn)的分散盤作用于分散介質(zhì)所產(chǎn)生的離心力來提供分散剪切力；而球磨機是依靠重力來提供分散剪切力。砂磨機的優(yōu)點為分散時間快，效率高，能夠連續(xù)生產(chǎn)，可以分散低粘度的體系。砂磨機的缺點是分散前都需要預(yù)混和。砂磨機所用分散介質(zhì)有鋼珠、玻璃珠以及陶瓷珠等。當(dāng)砂磨機分散時，分散介質(zhì)趨向于均勻地分布。當(dāng)減少分散介質(zhì)在體系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，分散介質(zhì)之間的距離將會增大，這樣就會降低炭黑的分散效率。但如果用太多分散介質(zhì)，則會增加分散介質(zhì)之間的磨損，造成分散介質(zhì)粒徑的減�。河袝r還會導(dǎo)致分散介質(zhì)的破碎，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。一般根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，調(diào)整分散介質(zhì)的數(shù)量和粒徑，使炭黑的分散效率達(dá)到最高。砂磨機比較適合處理低粘度的漿料，不適合處理高粘度的漿料。
3．2三輥機三輥機的主要作用是依靠壓力和剪切力來克服炭黑的內(nèi)聚力，達(dá)到粉碎和分散炭黑的目的。要使三輥機達(dá)到最好的分散水平，下列條件必須得到滿足：剪切表面(輥子)之間的距離務(wù)必仔細(xì)調(diào)整好，并能夠穩(wěn)定下來，使輥筒之間的壓力達(dá)到一個恒定的狀態(tài)；輥筒的溫度應(yīng)嚴(yán)格控制，避免忽高忽低，影響體系的粘度，影響炭黑的分散；對要求生產(chǎn)高光澤、高分散、黑度深的制品時，事先應(yīng)對三輥機表面進(jìn)行重點的清洗；在進(jìn)行同樣產(chǎn)品不同批號的生產(chǎn)時，務(wù)必對剪切表面(輥子)進(jìn)行重新清洗。三輥機比較適合處理高粘度的漿料，不適合處理低粘度的漿料。
3．3注意事項(1)為了能充分發(fā)揮炭黑的特性，分散研磨前應(yīng)完成下列幾方面工作：①將炭黑和樹脂混合均勻；②用樹脂代替炭黑孔隙內(nèi)的空氣和水分；③用分散設(shè)備提供的剪切力，將炭黑中大的附聚體研磨分散成小的附聚體或聚集體。如果在炭黑的分散過程中能很好地按照上述步驟操作，炭黑一定能達(dá)到令人滿意的黑度、色相、著色力、光澤、穩(wěn)定性和流動性。(2)預(yù)混合從表1可知：不是所有的分散設(shè)備都需要預(yù)先將炭黑和樹脂進(jìn)行預(yù)混合。但為了確保塑料在擠出時達(dá)到最好的效果，必要的預(yù)混合還是需要的，以確保樹脂熔融時和炭黑充分混合，有效減少達(dá)到分散要求的研磨時間。
4炭黑的填充量為降低塑料的成本，炭黑的用量要求盡可能地高，但是，研磨設(shè)備的性能和類型將對炭黑的分散產(chǎn)生重要的影響。不同的塑料要求不同的分散水平。在許多情況下，塑料性能的不足可以直接歸因于炭黑分散的不足，如電纜外殼和光纖等塑料產(chǎn)品，要求炭黑的分散水平能達(dá)到更高層次。對于性能要求很高的塑料，炭黑的充分分散是非常重要的。如果能最大限度地提高炭黑的分散水平，可以使塑料的顏色、色相、粘度、光澤、穩(wěn)定性以及擠出特性等達(dá)到更好的要求。
5炭黑的分散穩(wěn)定性炭黑分散的目的是為了滿足客戶對塑料制品性能的要求；然而，由于炭黑的分散和穩(wěn)定性有時不能滿足要求，會影響塑料制品的性能。下面我們對一些常見的問題進(jìn)行分析。(1)“絮凝”、“返粗”、“團(tuán)聚”是顏料漿中最常見的一些分散問題。它們是因為炭黑粒子之間的布朗運動產(chǎn)生的。要達(dá)到理想的分散，有賴于分散設(shè)備的提高、添加劑的應(yīng)用和另外一些技術(shù)的運用。(2)顏料漿分散不好，導(dǎo)致塑料制品的黑度下降，偏棕色，光澤差。這些問題可以通過加大分散力度解決；也可以通過調(diào)整炭黑的填充量來完成；也可以通過增加混合的時間、改善混合條件來解決。(3)塑料粘度高與炭黑添加量過多有關(guān)，而且添加量大，可能會導(dǎo)致塑料過熱。溫度過高會對熱敏性聚合物產(chǎn)生不良反應(yīng)，造成體系過熱，引起凝膠的產(chǎn)生；還會降低炭黑的分散質(zhì)量和體系的穩(wěn)定性。因此，減少炭黑的添加量或控制好適當(dāng)?shù)臏囟扔兄跍p輕問題的產(chǎn)生。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，塑料對炭黑的要求越來越高。作為炭黑生產(chǎn)企業(yè)，必須緊跟塑料工業(yè)發(fā)展的步伐，在炭黑的質(zhì)量、產(chǎn)品性能和應(yīng)用性能上下功夫，不斷創(chuàng)新，使炭黑的質(zhì)量能更好滿足塑料工業(yè)的發(fā)展需求。
