炭黑在塑料中的应用

炭黑是塑料的着色剂、防紫外线老化剂和抗静电剂。随着塑料行业的发展，炭黑在塑料行业的用量也越来越大，从普通的日用塑料到高档的工程塑料都离不开炭黑。和橡胶行业用炭黑相比，塑料的炭黑用量虽然不多，但它对塑料性能的影响很大，因此，对塑料用炭黑的性能要求更加严格，不同用途的塑料制品对炭黑性能有不同的要求，现对炭黑在塑料中应用作一介绍。

1炭黑基本性能炭黑基本性能，原生粒径、结构、孔隙率和表面官能团，对塑料性能的影响如下：1．1炭黑原生粒径小(比表面积大)(1)可以提高炭黑的黑度(2)可以提高炭黑的着色力(3)可以增强炭黑抗紫外线的能力(4)可以提高炭黑的电导率(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。炭黑的吸水量与炭黑的氮吸附比表面积有很大的关系。当与树脂混合制成塑料时，炭黑的原生粒径将是影响塑料吸水量的主要因素。

1．2炭黑结构高(1)会降低炭黑的黑度和着色力(2)可以提高炭黑的分散性(3)可以增大塑料的粘度(4)提高炭黑的电导率(5)在导电炭黑的使用中，可以减少炭黑的使用量。炭黑结构是炭黑链枝程度或炭黑聚集体大小的表示法。炭黑结构分为一次结构，或称原生结构和二次结构。一次结构是指原生聚集体形成的结构，原生结构比较牢固，不易破坏，所以一次结构是在塑料体系中实际存在的结构。二次结构是炭黑聚集体靠范德华力凝聚形成的附聚体，二次结构不牢固，易在塑料加工过程中受到破坏。炭黑孔隙体积与结构有直接关系，结构高的炭黑存在着较大的孔隙体积结构低的炭黑则孔隙体积较小，所以孔隙体积是炭黑结构的量度。一般炭黑孔隙体积通过吸液法和压缩比容法测定。炭黑孔隙体积在一定程度上影响一定粒径的炭黑的“重量”，因此，加入相同重量、但孔隙体积较大的炭黑，能增加炭黑粒子在塑料中体积数量，同时也提高了塑料制品的电导性。

1．3炭黑表面官能团多(挥发物量高，pH值低)(1)降低炭黑的电导率(2)提高炭黑的润湿性(3)增加炭黑的吸水率。炭黑表面官能团是在炭黑离子表面生成的含氧基团，它影响着炭黑许多理化性能。炭黑的表面官能团主要是一些酸性的表面基团，主要包括羧基、酚羟基、醌基和内酯基等。炭黑表面官能团的多少是由一定温度和环境条件下，反应一定时间后，通过测量炭黑的减量来表示的。另外，影响塑料性能的其他因素还有炭黑中硫分、灰分、杂质等，还有炭黑的物理形态，如粉状或粒状。

2炭黑粒子的物理特性用带有自动图像分析技术的透射电子显微镜可以测试炭黑的粒径、聚集体的尺寸和形状以及分布状况。将透射电子显微技术运用到炭黑聚集体的多重图像上，可以看到聚集体的三维结构。通过透射电子显微镜上的角度计旋转炭黑的聚集体结构，可以发现不同的角度所看到的聚集体外观是不一样的。通过不同角度所显现的聚集体图像，我们可以建立聚集体的三维图像。总而言之，通过旋转方式我们可以看到具有高结构炭黑的聚集体比低结构炭黑的聚集体更大、更复杂。在同样放大倍率下，用透射电子显微镜测试的图像和用计算机模拟的三维图像，如图1所示。从右边的模拟图像来看，虽然图像是二维的，但我们可以明显感受到聚集体的三维图像而且通过观察，我们可以了解炭黑粒子之间的空间关系。另外，这样的模型图像可以根据需要进行旋转，以观察和测量炭黑的聚集体。随着三维图像分析技术的发展，未来的三维分析技术，将对聚集体结构如何影响应用性能作出满意的解释。

3炭黑的分散设备炭黑在塑料中常用的分散设备，见表1。

表1 炭黑在塑料中的各种分散设备
Tab1 Dispersing equipment for carbon black used in plastics applications

分散设备 应用 分散等级 预混合要求
砂磨机 塑料分散体和颜料浆 中剪切力 需要
三辊机 塑料分散体和颜料浆 高剪切力 需要
单螺杆挤出机 熔化树脂 中剪切力 不需要
双螺杆挤出机 熔化树脂 中剪切力 不需要
连续混合机 熔化树脂 高剪切力 需要
密闭式塑炼机 熔化树脂 高剪切力 不需要

　　3．1砂磨机从某种意义上讲，砂磨机是球磨机的延伸。砂磨机的研磨方法类似于球磨机，其分散需要的剪切力均来自颜料中的分散介质。砂磨机是依靠高速旋转的分散盘作用于分散介质所产生的离心力来提供分散剪切力而球磨机是依靠重力来提供分散剪切力。砂磨机的优点为分散时间快，效率高，能够连续生产，可以分散低粘度的体系。砂磨机的缺点是分散前都需要预混和。砂磨机所用分散介质有钢珠、玻璃珠以及陶瓷珠等。当砂磨机分散时，分散介质趋向于均匀地分布。当减少分散介质在体系中的质量分数时，分散介质之间的距离将会增大，这样就会降低炭黑的分散效率。但如果用太多分散介质，则会增加分散介质之间的磨损，造成分散介质粒径的减小：有时还会导致分散介质的破碎，影响产品的质量。一般根据生产经验，调整分散介质的数量和粒径，使炭黑的分散效率达到最高。砂磨机比较适合处理低粘度的浆料，不适合处理高粘度的浆料。

[$page]　　3．2三辊机三辊机的主要作用是依靠压力和剪切力来克服炭黑的内聚力，达到粉碎和分散炭黑的目的。要使三辊机达到最好的分散水平，下列条件必须得到满足：剪切表面(辊子)之间的距离务必仔细调整好，并能够稳定下来，使辊筒之间的压力达到一个恒定的状态辊筒的温度应严格控制，避免忽高忽低，影响体系的粘度，影响炭黑的分散对要求生产高光泽、高分散、黑度深的制品时，事先应对三辊机表面进行重点的清洗在进行同样产品不同批号的生产时，务必对剪切