炭黑在塑料中的應(yīng)用

　　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(yán)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(tuán)，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(qiáng)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(shí)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(tuán)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(tuán)是在炭黑離子表面生成的含氧基團(tuán)，它影響著炭黑許多理化性能。炭黑的表面官能團(tuán)主要是一些酸性的表面基團(tuán)，主要包括羧基、酚羥基、醌基和內(nèi)酯基等。炭黑表面官能團(tuán)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(yùn)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(jì)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�言之，通過旋轉(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(jì)算機(jī)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(jìn)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(jī) 塑料分散體和顏料漿 中剪切力 需要
    三輥機(jī) 塑料分散體和顏料漿 高剪切力 需要
    單螺桿擠出機(jī) 熔化樹脂 中剪切力 不需要
    雙螺桿擠出機(jī) 熔化樹脂 中剪切力 不需要
    連續(xù)混合機(jī) 熔化樹脂 高剪切力 需要
    密閉式塑煉機(jī) 熔化樹脂 高剪切力 不需要 

　　3．1砂磨機(jī)從某種意義上講，砂磨機(jī)是球磨機(jī)的延伸。砂磨機(jī)的研磨方法類似于球磨機(jī)，其分散需要的剪切力均來自顏料中的分散介質(zhì)。砂磨機(jī)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(jī)是依靠重力來提供分散剪切力。砂磨機(jī)的優(yōu)點(diǎn)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(jī)的缺點(diǎn)是分散前都需要預(yù)混和。砂磨機(jī)所用分散介質(zhì)有鋼珠、玻璃珠以及陶瓷珠等。當(dāng)砂磨機(jī)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?jǐn)?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)粒徑的減小：有時還會導(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(yàn)，調(diào)整分散介質(zhì)的數(shù)量和粒徑，使炭黑的分散效率達(dá)到最高。砂磨機(jī)比較適合處理低粘度的漿料，不適合處理高粘度的漿料。

[$page]　　3．2三輥機(jī)三輥機(jī)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(dá)到粉碎和分散炭黑的目的。要使三輥機(jī)達(dá)到最好的分散水平，下列條件必須得到滿足：剪切表面(輥?zhàn)?之間的距離務(wù)必仔細(xì)調(diào)整好，并能夠穩(wěn)定下來，使輥筒之間的壓力達(dá)到一個恒定的狀態(tài)輥筒的溫度應(yīng)嚴(yán)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(jī)表面進(jìn)行重點(diǎn)的清洗在進(jìn)行同樣產(chǎn)品不同批號的生產(chǎn)時，務(wù)必對剪切