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，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。炭黑表面官能團是在炭黑離子表面生成的含氧基團，它影響著炭黑許多理化性能。炭黑的表面官能團主要是一些酸性的表面基團，主要包括羧基、酚羥基、醌基和內(nèi)酯基等。炭黑表面官能團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?？偠灾ㄟ^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)量分數(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，達到粉碎和分散炭黑的目的。要使三輥機達到最好的分散水平，下列條件必須得到滿足：剪切表面(輥子)之間的距離務(wù)必仔細調(diào)整好，并能夠穩(wěn)定下來，使輥筒之間的壓力達到一個恒定的狀態(tài)；輥筒的溫度應(yīng)嚴格控制，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)對三輥機表面進行重點的清洗；在進行同樣產(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)先將炭黑和樹脂進行預(yù)混合。但為了確保塑料在擠出時達到最好的效果，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到更好的要求。
炭黑在塑料中的應(yīng)用
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行分析。(1)“絮凝”、“返粗”、“團聚”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。
