铅酸电池极板生产的配方里,一种用得相当普遍而且有着悠久历史的添加剂是炭黑。我们为了全面了解炭黑,这里做一些深入讨论。
炭黑是煤气、天然气、石油馏出物和脚油、焦油、树脂或其他含碳物质(有机物)不完全燃烧的粉末状产物——烟炱,主要成分是碳,由9~600nm的原生颗粒组成,由于炭黑粒子小,又名胶态炭。
炭黑的生产方法有:槽法、炉法、热法、灯黑法与乙炔法五种。不论是何种生产方法,炭黑都是通过碳氢化合物热解而来的,总反应可以表示如下:
因为炭黑所用的原料不同、制法不同而有如下八种。
① 瓦斯槽黑 以天然气为原料,通过控制压力(1372~1568Pa)从缝式火嘴喷出。在火房内与不足量的空气接触、燃烧,在火焰中生成炭黑,附在冷的槽铁表面,槽铁往复移动,炭黑被刮下落入料斗。
② 混气槽黑 用煤焦油蒸馏产物——蒽油、萘油等的蒸气与炔气或天然气混合,在射出平面火焰的缝式火嘴中作不完全燃烧,所生成的炭黑收集在水冷的移动槽铁内。
③ 滚筒炭黑 以液态碳氢化合物与煤气充分混合气化经小孔喷出作不完全燃烧,所生成的炭黑在水冷的滚筒表面附着,用刮板将炭黑收集在料斗内。
④ 高耐磨炉黑 以液体烃为原料,以一定压力喷入炉内,炉内供应部分气体(空气),原料与空气完全混合而燃烧,所生成的炭黑附在槽铁、滚筒或滚珠上,再收入料斗。这里高耐磨是指作为橡胶制品的原料,使橡胶具有耐磨性能,并非炭黑本身耐磨。
⑤ 半补强炉黑 以天然气或天然气混有适当油粪作原料,混以一定量的空气,喷入炉内作不完全燃烧而得炭黑。
将此法生成的炭黑混炼进入生橡胶内,形成键状或网状结构,使生橡胶变为非溶解状态,炭黑就形成了橡胶中的立体骨架,使整个体系得到补强,补强效果因炭黑粒子大小而定。
⑥ 喷雾炭黑(又名喷雾炉黑) 生产方法大致与高耐磨炉黑相近,但油与空气的比例、空气的供给方式、燃烧温度与冷却过程稍有不同。
⑦ 灯烟炭黑 用液体烃类为原料,经油管输入燃烧盘中,通入适当空气使其生成大火焰燃烧而成。
⑧ 热解炭黑 在预先加热至1550℃的热解炉内,通入天然气,在没有空气进入的情况下,天然气与强烈的格子砖表面接触而发生热解。这时,炉内温度降低,直降至天然气不能热解的温度,然后又重新加热,为了连续生产,必须将两个热解炉组成一个组合体,以便依次交换工作。
炭黑最重要的物理、化学性质就是分散性、键状结构与粒子表面特征。
炭黑的分散性通常以炭黑粒子直径的平均值来表征,且比表面积直接与粒子大小有关,即与分散性程度有关,粒子越细,比表面积越大;它与黏合剂黏结的吸附力也越大。因生产方式不同,生产的炭黑可具有支键结构的键或无分支结构的键,这种由炭黑粒子结成的键,其强度很大,应用这种炭黑在混合时,不易破坏。其中混气槽黑、喷雾炭黑,其支键结构极其复杂,灯烟炭黑与瓦斯槽黑次之,热解炭黑则没有支键结构,只是少量粒子间的成对联结。支键结构愈发达,累积重量就愈小,吸油量则愈高。
因生产方法不同,生产的炭黑粒子表面状态(特征)不同:瓦斯炉法、灯烟法、喷雾法所生产的炭黑表面平滑;瓦斯槽法、混气槽法等生产的炭黑其表面具有粗糙的孔隙,粒径越小则表明越粗糙。炭黑表面的化学性质是根据炭黑和水的混合物的氢离子浓度(pH值)来表征的。通常瓦斯槽法与混气槽法生产的炭黑其表面含有2.5%~4.5%(质量分数)的氧,估计是生成了络合物C x O y ,因而它们的表面呈酸性,pH值小,炭黑的吸水性越强,其水分或水分挥发分也就越大。其他方法生产的炭黑一般呈碱性,pH值较大,或许说明了其表面没有化合态的氧,可能还吸附了某些碱性的磺化物质。
炭黑粒子通过X射线衍射分析,属于乱层结构:它的表层(3~5层)由平行的碳原子六角网格堆积,却不像石墨规整排列,越深入到内层排列就越无序,发现有许多微孔,故其真实密度为1.7~1.9g/cm 3 。
炭黑的结构如图2-5所示。
图2-5 炭黑结构示意图
炭黑的物理、化学性质如表2-4所列。
表2-4 炭黑的物理、化学性质
注:1. 吸油值以邻苯二甲酸二丁酯计。
2. 比表面积用光电比色法测量。
3. 热解炭黑指标参见有关文献。