炭黑色浆的研制和分析

ucoat · 发表于 2007-11-29 10:27:29

0 前言
炭黑是地球上含量最丰富的材料之一，它几乎是所有现存的或曾有的东西的燃烧产物。也许就是由于它的丰富，它的加工者们并没有对它给予足够的重视。与它相对应的白色颜料一起，人们错误地认为它是一个简单的产品。

但是，即使是在经济不景气的年代，炭黑的销量也会超过 50 亿磅。它会用到几乎任何东西之中。在涂料中，它主要有红光黑和蓝光黑，另外还有紫外光保护作用。当它用于热塑性树脂时，就有同样的功能。它可用于电线电缆工业中，作为一种静电消耗材料用作电缆外套和电线绝缘层。它主要的市场是橡胶的加强产品 ( 这就是为什么轮胎都是黑色的 ) ，和各种液体密封胶的粘度改进剂。

工业上的炭黑其实是一种聚集的凝胶状的炭，通过控制好的气相聚合反应制备。其独特的颗粒大小为 10 nm ，甚至飞沫状的炭黑也是由粒径为 100 nm 聚集体制备的。大多数人在纳米技术发明之前只能将颜料分散到聚结体的大小，但是这种想法会因为你读了本文而发生改变。常见的炭黑聚集体极易分散，但是却不容易在原粒子的粒径下稳定沉降下来。因为它是同生产中公状态，它是由大量大的附聚体和相对少量的小的附聚体组成的，而炭黑分子几乎不存在。

1 性质
因为炭黑颗粒小，相对分子质量低，制造商很早以前就想办法将它做成片状或珠状的颗粒，来减少它对工厂造成的空气污染。制造过程中，用压力将圆形的炭黑颗粒压到它们能保持形状，而并不需要加入任何其它材料。一个典型的低色素的珠状炭黑是由大量 250 nm 左右的聚集体组成的，而中等色素的炭黑聚集体就小得多，约 50 nm 左右。

原料在工厂进行了各种试验，你必须知道这些试验的意义，因为这可以让你更好地了炭黑颗粒。

如果将 1 cm 3 的炭黑颗粒分解到它的原始粒子的大小，将以 1 分子原素覆盖一平方英里的地区。这是多大的表面积！所以工厂里的第一件事就是测试它的表面积，这对后面的操作过程十分重要。炭黑具有吸收性，通过计算聚集体表面吸附的分子数量，厂家就可以得到附聚体的实际表面积。这些测试中使用的两种材料是氮气和碘。必须说明测试值包括了颗粒内部孔隙的值。也许对于操作者来说更有意义的是 CTAB( 十六烷基溴化三铵 ) 试验，它是包括了颗粒的外表面积和只有最大的孔的表面积。不管哪种方法，对每种材料表面积的测试厂家都是用 m 2 /g 来表示的。

下一个试验是结构试验，将试样与邻苯二甲酸二丁酯混合，并记录所需能量 ( 扭矩 ) 。这里给了我们两个指示，一种是颗粒的空体积量 (cm 3 /g) ，另一个是所需的基料的指示。一般来说，结构越高 ( 或者是颗粒的空体积越大 ) ，所需的基料也越多。

最后，工厂测试附聚物纳米范围的粒径分布。一些制造商仍然使用着色力试验，但是现在大多数人使用激光散射粒度分析仪。

所有这些可以给使用者这样的信息，含有大的附聚体的材料有更多的结构和更多的空体积，而小的附聚体中含有的空体积小，结构较低，因此如果考虑到最终粒径的话，所需基料就较少。

下一个生产需要的指标是颜色或光学密度。从基本的颜色理论来说，所感觉到的黑颜色是由于所有的可见光的波长都被吸收了。炭黑对光的散射或反射程度决定了它的喷射、色调和光学密度。喷射可以通过增加炭黑在配方中的散射，并将其吸收分成数次来得知。实际上，这告诉我们它有“多黑”。着色力值是通过调节加量达到成倍吸收，指导我们需要多少材料才能得到所需的光学性质。高结构的大颗粒一般吸收率较高，呈蓝色调，而小颗粒的炭黑色相则偏红。这是由于散射和漫射造成的光学差异，任何材料本质上是不含蓝色成份的。光密度是表征了材料的整体光学性质，通过增强吸收和散射，然后通过调节加量使这个数值成倍。通常，色素高的炭黑吸收性比散射性大得多 ( 要黑得多 ) ，色素低的炭黑表现出高散射性而非吸收性，看上去不黑。

分散时有了这些信息，我们就可以掌握这个领域，就可能在第一次作分散时就得到比较好的炭黑色浆。与大多数制造商一样，我们就从粒状的高色素炭黑开始，就色浆而言，这是种最难分散的情形了。但是这种操作原理可以推广到所有类型的炭黑色浆，包括飞沫型或粒状的。

2 配方
一个典型的色浆配方含有树脂、某种溶剂、颜料和少量的填料和助剂。对于炭黑，我们可以先忽略填料或助剂，而把注意力集中在溶剂、颜料和树脂上。

这个处理过程可以选择可靠的高速分散机，装有一合适的盘子或是高比宽长的平底罐。这个操作将考验你驾驭功的能力，查看一下传送带的工作条件，确保马达上的风扇仍是完好无损 ( 拿开马达底部的风扇护挡然后进行检查 ) 。

加入全部的树脂和 1/2 ～ 1/3( 根据树脂固体份而定 ) 的溶剂到平底罐中。将此混合物旋转 5 min 以确保它均匀，然后缓慢加热为下一步作好准备。准备好粒状炭黑并将其倒入部分已减速下沉的树脂中，不要将它一整袋一次性倒进去，这样会大大增加分散时间。这里的目标是获得尽可能高的粘度来帮助打破炭黑颗粒，开始分散过程。如果你正确地完成了这一步骤，就会发现安培计会渐渐打到了最高值。这会花上一段时间，因为材料会明显变热，降低了树脂 / 清漆体系的粘度。但是你不会在罐里看出来，因为它被炭黑的表面积增加抵消了。直到看不见完整的炭黑颗粒 ( 碎片是可以的 ) ，就逐渐加入炭黑颗粒，再继续仔细观察安培计。

下一步的目标是在罐内保持流动，其方法是在罐顶部有一个缓慢的“转动团”。随着装载量增加，加入一些溶剂来保持罐内流动。加入更多的炭黑颗粒和溶剂直至所有的炭黑都已加入。在这样的条件下持续搅拌，直至在罐内看不到炭黑颗粒，然后保持 15 min 。

最后一步是将配方所剩溶剂全部加入罐中，搅拌整个物料 5min ，以确保均匀。如果在配方里有大量的快速挥发溶剂，则需要将物料称重，将可能挥发的溶剂取代掉。

这个过程保证了在分散机和混合罐内“计量”研磨，对于涂料油漆工业中大多数目标来说，它偏离了介质磨用于分散产品的用途。整个过程用时 40 min ，而如果用其它方式，可能会浪费一两个小时和许多“操作人的运气”却得到一个低级的产品 ( 从颗粒分散角度而言 ) 。

如果你是一个“纳米迷”，而且研磨标准对你来说毫无意义的话，你的分散就必须通过一个附加步骤来使得炭黑分散到两位数字的纳米级范围中。幸运的是，在制备纳米级炭黑过程中，你已经在研磨的预混合物中解决了许多下游问题。换句话说，在罐中的所有的颗粒大小都从同样的尺寸开始。你所要做的就是使颗粒分布变窄。

选择一个可以计量循环量的卧式介质磨，或者一个可以装入较少量介质的篮子磨，根据制造商的推荐装载量，考虑粘度的因素，加入大量介质以达到最佳能量转换。在这里圆度和均匀十分重要，所以少量的钇氧可能是实验人员要求的。

在加预混合物到篮子磨中之前，保证砂子都已经被与配方匹配的溶剂润湿。在篮子磨中润湿砂子尤其重要，这样可以避免它们在倒入罐中时浮出来。 ( 只要在投料时先将砂子浸没到相容溶剂中，然后加入溶剂和砂子 ) 。现在看一下制造商的表面积数据和粒径分布，计算还要追加多少溶剂到配方中来保持你所需的颗粒大小和粘度。在循环罐中加入这种溶剂，搅拌以确保均匀。

开始操作时速度较慢，然后在你的搅拌罐条件允许的情况下，增加到循环速度为 4 罐 /h 。开始打样品时循环速度为 2 罐 /h ，持续运转到满足你对最终粒径的要求。你将看到颗粒分布曲线的倾斜度有迅速的增加，这个曲线逐渐移到较低的纳米范围。通过的数量或者罐数目的变化跟你的最终粒径有关。最初的预混合物减少会防止罐内需要大量基料，但即使你计算失误，如果罐内粘度已达到 30 000 Cps 时，仍可以加入溶剂到循环罐中。

3 结论
这样你就有了一个可靠的方法来获得一个分散性好的炭黑色浆。由于它普遍比较友好的性质和炭黑较小的晶体大小 ( 约 15 埃 ) ，你可以用市售的各种材料制备纳米级的炭黑色浆。