什么是炭黑？
世界上所消耗炭黑的98％是由炉法炭黑工艺所生产的。而其它工艺（如槽法、气炉法等）则用于生产非橡胶工业的一小部分特种炭黑。 炉法炭黑炉的图见图一。原料油、天然气或燃料油以及预热的空气被喷入有耐火材料衬里的炉子内，根据所生产的炭黑牌号，反应温度可能在1100－1900℃之间。炭黑是通过在气相中的炭氢化合物吸热裂解生成的。炭黑的主要性质取决于原料油的浓度、温度、反应时间以及快速流动的气相物流的湍流度。时间－温度的关系是通过喷入的原料的速度和喉管下游的主急冷位置来控制的。湍流流体的性质是由反应炉和油嘴的设计控制的。 图2表明了炭黑来自于雾化的原料油所生成的半固态的原生粒子，这些原生粒子接着相互碰撞形成粒子的聚集体。时间－温度参数和原材料的流速决定着原生粒子的粒径，原生粒子之间相互碰撞的频率（湍流流体的性质）决定着聚集体的结构。也可以喷入钾盐在一定的程度上来降低结构。小粒径的补强炭黑通常是在较高的温度下形成的，而较大粒径的炭黑是在较低的温度下形成的。 炭黑粒子是由很多的同心石墨层组成的，象图3所示一样。一个炭黑聚集体包含着许多这样的原生粒子,也叫作“结点”。一个高结构的炭黑聚集体可以包含多达200个原生粒子，而一个低结构的炭黑聚集体则可以包含少达20－25原生粒子。 聚集体是炭黑的主要结构单位并且不容易被破碎成更小的单位。这些聚集体是通过半固态的粒子在炉子内的高温环境中的碰撞形成的。图4是一张电子显微镜下的照片，它展示了炭黑聚集体通过牢固的熔合而形成的炭黑粒子的三维的枝型结构。 集体之间很容易彼此快速结合而形成聚合体（二次结构）。为了便于运输和处理而生产的成品炭黑粒子是一种较大的，包含着很多聚合体的附聚物（二次结构）。 生产物流作为烟气离开反应炉后，通过热交换器进一步降低温度，而热量被预热的原料油和空气所吸收。炭黑在袋滤器中被分离下来而尾气则作为第二种燃料在以后的工段中使用。对于松散炭黑的辅助操作包括微粉机、磁选分离器、造粒、干燥和包装或储存。炭黑性质与橡胶补强
炭黑是通过降低聚合物中分子链的可移动性和改变应力分布来补强橡胶混合物的。炭黑有助于增强聚合物母体中较软的区域。炭黑的主要性质决定了它是如何补强橡胶化合物的： 表面积 结构 表面活性 还有一项也非常重要的因数是橡胶配方中的炭黑负荷，它对炭黑的主要性质起放大作要。表面积和一次结构在反应炉生产炭黑时就建立了。表面活性可在炭黑粒子和聚集体形成后被改变。 炭黑的次要性质也很重要，它们包括： －其它要素：灰分、残余物、硫化物和可抽提物。 －处理/加工：粒子硬度、破损率、细粉含量和流动性。 表面积 炭黑要想补强聚合物，它就首先必须紧密的与聚合物分子相接触。因此为了提高补强效果可以提高潜在的接触面积。而与聚合物分子相互接触的表面积是由原生炭黑粒子的大小和结构以及炭黑聚集体的形状来确定的。较小的粒子有着较高的表面积，反之亦然。必须紧记它们之间的相反关系。聚集体是我们所见到的基本单位，它由很多熔合在一起的原生粒子组成。总的补强效果实际上都是由所有的表面积（表面积*负荷）以及内部作用力（表面活性）结合着结构的作用来决定的。 十九世纪七十年代引进了一系列“新技术炭黑”。这种“新技术炭黑”与相同表面积的老炭黑相比能够改善耐磨性。它们生产时使用了后处理技术，即缩短炭黑的反应时间，因此改变了炭黑的表面特性。此外，停留在“新技术炭黑”表面的残余的油在使用吸典值测试方法时，也能影响表面积的结果。因此这也导致了更多的使用氮吸附测试方法。 可能存在于炭黑粒子表面的孔、洞常常由于过于的微小而不能被聚合物的分子链所接触，但却有可能被包括进用氮吸附测试方法或吸典值测试方法所确定的表面积中（ASTM D 3037）（ASTM 的D1510）。使用CTAB 测试方法（ASTM D 3765）确定的表面积，由于其分子较大因此可以忽略炭黑粒子表面的孔、洞，因而被认为是一种较好的测试聚合物之间相互接触的表面积的方法，但该测试的结果重现性较差。因此，目前一种修改后用于测试外部的表面积的氮吸附测试方法（多点氮吸附法）已经被广泛的引入。另外，由于着色强度与炭黑粒子的大小较为密切，因此着色强度的测试结果对于炭黑的表面积的确定也是一项非常重要的参考。着色强度的测试是基于氧化锌混合物中炭黑对光的反射来完成的。炭黑的粒子越小，则显示的颜色越黑。但聚集体（结构越高）越大给出的着色强度越低。 结构 结构可用来衡量炭黑中聚集体的不规则性或是“庞大性”。通常高结构与每个聚集体中所包含的原生粒子的平均数目有关。混炼后仍保持的炭黑结构和混炼胶中炭黑的分散情况决定着炭黑有助于对橡胶的补强。这种永久性的结构很难从炭黑本身的测试中预计。通常使用 DBP 压缩吸油测试方法（ASTM D 2414）测量 DBP（双丁基邻苯二甲酸）所填充的一定量炭黑样品中的聚集体和聚合物之间的空隙。 一些研究人员在炭黑混入橡胶聚合物的过程中，使用了电子显微镜成像分析技术以研究炭黑结构的变化。这些研究表明一些基本聚集体的结构在混炼胶中被破碎并在混炼中产生了很高的剪切力。当然也还有一些较小的炭黑聚合物没有被破碎。高结构的炭黑与低结构的炭黑相比常常显示出更高的结构断裂。应当重视在经过24M4 DBP测试后的炭黑的结构的断裂。在ASTM D3849中叙述了一种标准的 EM 成像分析方法。用这种方法也可以测定聚集体的非等距性。细长的聚集体形状通过额外的韧性效应有助于炭黑的补强。 炭黑的一次结构与吸附的橡胶分子的不可移动性有关。增加炭黑的结构有助于增加混炼过程中的剪切力，这会导致炭黑在混炼胶中更快地混合及更好地分散。 表面活性 表面活性可以定义成炭黑固定橡胶的能力。通常对这种能力的描述是围绕着炭黑和聚合物之间相互作用的几种物理、化学间的作用力以及在相互接触的界面上的作用力。描述表面活性的各种术语包括：化学吸附、界面黏合力和表面能量、润湿性、极性和所含的氢健也是很重要的因素。 由于关于炭黑与橡胶聚合物分子之间相互作用的机理还处于争辩之中，这里就不过多的叙述。我国子午胎用炭黑的现状
目前，我们国家的子午胎主要使用的炭黑牌号为：N660、N550、N326、N375、N234、N121、N115等。其中硬质牌号的炭黑如：N375、N234、N121、N115大多存在着着色强度偏低、多点氮吸附测试结果偏低的现象。这主要与我们国家近几年快速发展的炭黑行业有关。很多炭黑厂家只重视炭黑的吸典、吸油、灰分、加热减量等基本测试项目，而对于象24M4DBP/压缩吸油、CTAB、多点氮吸附、着色强度等与橡胶聚合物的补强特性有十分密切关系的测试项目，则重视不够。由于吸典的测试结果并不能真实的反映炭黑粒子的大小，因此对于应用在子午胎胎面配方中的N375、N234、N121、N115等牌号的炭黑，仅仅测试吸典和吸油是不充分的，还应当测试炭黑的CTAB、着色强度或者多点氮吸附（当然该测试设备价格较高）和压缩吸油值以及水洗筛余物。只有炭黑的这些测试项目都达到ASTM或新国标中的要求，各个牌号的炭黑才能充分发挥它们的补强特性以及优异的耐磨耗特性。举个例子，如N115和N234在子午胎轮胎胎面配方中经常用到，但往往不同厂家所生产的同一牌号的炭黑体现在橡胶混炼胶的物性测试中，出现不同的物性测试结果。究其原因，还是炭黑的着色强度、CTAB或多点氮吸附以及压缩吸油值的差异所致。另外，炭黑水洗筛余物（35＃目和325＃目）测量结果的差异也会造成胶料物性测试中300％定伸强度与扯断强度的非线性关系。 子午胎是我国目前轮胎市场发展的重点，也是发展较快的市场之一。国际上大的轮胎企业纷纷在我国投资建厂。如：米琪林轮胎、固特异轮胎、倍耐力轮胎、韩泰轮胎、普立斯通轮胎、佳通轮胎等等。同时国内的轮胎企业也纷纷上马子午胎生产线。随着我国子午胎生产能力的迅速扩大，就需要国内的炭黑企业提供更多的满足质量要求的优质炭黑。但目前大多数的外资轮胎企业以及国内较大的轮胎企业主要使用上海卡博特和青岛德固萨的炭黑，尤其是子午胎所用的炭黑。这些合资炭黑厂的炭黑价格通常至少平均比国内炭黑的价格高出1000元/吨。比较其中的差距，我想主要在于国内炭黑企业大多管理水平低下，造成产品的质量不稳定、波动较大；其次，产品质量的检测手段缺乏，造成某些硬质牌号的炭黑的一些测试项目根本达不到标准的要求。例如自动吸油计的使用并不广泛，很多企业仍然停留在手工吸油的测试方法阶段。在国外，早在20世纪70年代就已淘汰了手工吸油的测试方法。此外，国内轮胎企业对于炭黑测试项目的缺乏也是造成这种现象的原因之一，很多轮胎厂的入厂检验仅仅只是检测炭黑的吸典、吸油、加热减量、灰分、手工筛余物测量（新国标已淘汰）、物性测试等六、七个项目。这就增加了一些炭黑厂家对于炭黑质量检测的错误的认识：认为没必要加大对炭黑质量检测设备以及相应培训的投入，同时对于炭黑企业和橡胶企业共用的炭黑标样也重视不够。大的轮胎企业往往使用国外的标样，如6#或7＃标样。而国内的炭黑企业往往使用国产的的3＃标样，这样对于化验设备的校核就会产生差异。这些厂家往往更愿意进行价格的竞争而不是质量的竞争，他们的产品也大多集中在N220、N339、N330、N660等几个较容易生产的牌号中。 综上所述，目前国内炭黑企业主要的差距就在于企业软件水平的低下。而要想改变目前的环境，国内的炭黑企业必须加大对自身软件的投入，否则很难缩小与国外炭黑企业的差距。同时，国内的轮胎企业也应增加对炭黑入厂检验的测试项目，只有这样也才能保证和提高轮胎产品质量的稳定和提高。目前国外轮胎企业要求ASTM或ISO标准中规定目标值的客户的数量正在减少。原因之一是大多数公司，特别是与轮胎生产有关的公司，标准胶料的配方与它们所使用的胶料的配方没有关系。轮胎公司常常用它们自己的胶料配方来评价炭黑。也许将来这些客户会给出基于它们自己的胶料配方测试的炭黑的性质的结果。
