1、前言

炭黑是橡胶补强填充剂，是仅次于生胶的第二位橡胶原材料。炭黑也作为着色剂、紫外光屏蔽剂、抗静电剂或导电剂，广泛用于塑料、化纤、油墨、涂料、电子元器件、皮革化工和干电池等很多行业的制品中。炭黑还可应用于冶金及碳素材料行业中，作为高纯碳材料。

炭黑的主要成分是碳，其基本粒子尺寸在10～100nm之间，因此具有优良的橡胶补强、着色、导电或抗静电、以及紫外线吸收功能，是人类最早开发、应用和目前产量最大的纳米材料。

炭黑制造方法有油炉法、气炉法、灯烟法、槽法、滚筒法、混气法、热裂法和乙炔法等许多种，其中油炉法以其生产的品种多、效率高、消耗低，是目前采用的主要方法，其产量占炭黑总产量的95％以上。其它方法，因产品性能各有特色，在某些用途中不可缺少，仍然保持着少量生产。

炭黑的品种和质量对轮胎和其他最终产品的性能有着十分重要的影响，而且不同的最终产品、对所用炭黑的质量有不同的要求。因此，尽管目前已经有数百个炭黑品种，但是研究开发性能更好，更加符合特定最终产品要求的新产品，改进和提高现有品种的质量，仍是炭黑生产面临的重大课题。

炭黑是一种能耗较高的产品，炭黑生产过程会对环境产生一定污染。在当前世界油价上涨和环境保护的要求日益严格的形势下，炭黑企业只有积极开发采用节能和环保新技术才能求得生存和发展。

本文将简要评述国内外炭黑新技术、新产品的研究开发和产业化的进展。

2、国外炭黑新技术新产品

2.1国外炭黑生产技术

2.1.1油炉法炭黑生产技术

目前，世界油炉法炭黑工厂的规模平均约7万吨，最大的19万吨。每套装置的年生产能力为2～6万吨，几大生产厂商的反应炉型各有其特点，但都属于“新工艺炭黑反应炉”的范畴，装置的工艺流程和设备已经趋同。近几年油炉法的主要技术进展是：

☆ 改进反应炉的结构、工艺、提高反应温度，以增加品种、提高产品质量和收率。

☆ 采用富氧空气、在原料油或者反应过程中添加结构调节剂、活化剂或其它成分，以显著改变产品性能和提高收率。

☆ 扩大单台反应炉的生产能力、采用高温空气预热器、在线锅炉和尾气锅炉，以充分利用烟气的物理和化学热，达到节能降耗的目的。

☆ 采用高效袋滤器和新型滤袋、炭黑尾气燃烧废气脱硫装置、使排放气体的粉尘含量和硫含量符合环保要求。

☆ 改进包装设备和包装方式，消除在运输和使用时可能产生的污染。

2.1.2等离子体法炭黑生产技术

以等离子体法生产炭黑的技术，正在挪威和法国积极研究开发，有可能取得突破、并实现产业化。

等离子体法是利用等离子电弧产生的高温、以裂解油或其他含碳的原料、生产炭黑，其优点是：

☆ 没有燃烧过程，原料碳的收率高；

☆ 产生的氢气可作化工原料，或清洁的汽车燃料；

☆ 生产过程中，不产生和排放CO、CO2、SO2、NO X等有害废气，有利于环境保护。

☆ 等离子体的温度高，原料多样，有利于产品炭黑品种的多样化。

2.1.3炭黑的改性处理

采用物理或者化学的方法，对炭黑进行改性处理，在此基础上开发炭黑新产品。

☆ 以伽马射线照射石墨、炭黑和白炭黑等填料后发现，在填充这种照射过填料的胶料中，结合胶的含量明显增加。很有可能成为一种提高炭黑和白炭黑性能的实用技术。

☆ 通过表面氧化处理(气相氧化和液相氧化)，增加炭黑表面含氧官能团的种类和数量，可以提高炭黑的挥发份，降低PH值，提高表面活性和极性。表面氧化处理过的色素炭黑，在油墨和涂料中的分散性和流动性明显提高，黑度和色相也有改进。在填充氧化炭黑的胶料中，炭黑表面含氧基团会抑制硫化体系中的交联，减缓胶料焦烧的趋势。改善橡胶材料的疲劳性能。

☆ 氯化炭黑具有延迟硫化的作用，同时提高硫化胶的物理性能和炭黑的分散性。

2.1.4 炭黑表面接枝

☆ 采用马来酸酐、Si-69及某些特殊的偶联剂，可以改善炭黑与橡胶之间的相互作用，提高轮胎胎面胶的综合行驶性能。对NR／BR／NBR／Si-69改性炭黑共混物动态力学性能的研究结果表明，Si-69可提高炭黑填充NR／BR／NBR硫化胶的拉伸强度、300％定伸应力、降低滚动阻力，但会使撕裂强度下降。马来酸酐预处理炭黑有利于降低天然橡胶的滚动阻力，酚接枝炭黑可显著提高橡胶的耐屈挠龟裂性能。

☆ 在存在过氧化二异丙苯的情况下，用长链不饱和羟基有机酸对炭黑进行改性。这种长链在橡胶与炭黑表面之间作为柔性桥键，可以减轻局部的应力集中，并降低结合橡胶量，阻碍炭黑附聚体的形成，使其在混炼时更易于分散，生热也较低，从而使胶料具有更好综合性能。

☆ 采用氨基苯磺酰叠氮化合物作为普通炭黑与橡胶的偶联剂，它能够提高橡胶的弹性、模量，并降低磨耗损失，使混炼胶的玻璃化温度稍有升高。在密炼温度达到155℃时，这种化合物分解并产生一个氮烯端基，这个端基能形成氢键并和聚合物相连，然后与炭黑表面的羧基形成一种离子键，也可能形成共价键，这样就使得橡胶与炭黑之间的相互作用得到加强，使胶料的滞后损失得以降低，从而降低了轮胎的滚动阻力、并改善抗湿滑性能。

☆ 在炭黑表面进行乙烯基单体(如异丁基乙烯基醚)的阳离子接枝聚合，然后将这种炭黑填充到胎面胶料中，在提高胶料耐磨性和拉伸强度的同时，可使0℃的损耗因子增加、60℃的损耗因子减小，表明抗湿滑性能增加、生热和滚动阻力降低。

2.2国外炭黑新产品开发进展

国外在对炭黑的生成过程、微观结构、表面性质及其补强、着色和导电机理的研究不断深化的基础上，新一代的产品不断涌现，其特点是高功能化和专用化，生产厂家常常不再公布其理化指标而只介绍其应用性能，也不申请纳入ASTM标准。具体可分为如下几类。

1）低滚动阻力和高性能轮胎用炭黑

低滚动阻力轮胎或称 “绿色轮胎”，是轮胎发展的主要方向。它是在发展子午线轮胎基础上，进一步降低汽车油耗，减少汽车废气排放量，从而达到进一步节能和环保的目的。“绿色轮胎”要求轮胎兼有耐磨性、行驶安全性（主要是抗湿滑性）和低滚动阻力.在采用常规炭黑品种补强的胎面胶中，这三个性能是相互矛盾的;而低滚动阻力炭黑（亦称低滞后炭黑）能够在降低轮胎滚动阻力和生热的同时，保持较好的耐磨性和抗湿滑性。为此国外各主要炭黑公司纷纷从改进炭黑的微观结构和表面性质入手，研究开发了低滚动阻力炭黑新产品系列。例如德固赛公司开发了表面活性较高的、所谓“纳米结构炭黑”或称“反性炭黑”（Inversion Black），美国卡博特公司则开发了“双相炭黑”又名ECOBLACK（环保炭黑），其特点是在炭黑聚集体中，在纳米尺度上镶嵌了少量二氧化硅，从而能使轮胎既具有采用白炭黑时的低滚动阻力，又具有采用炭黑时良好的耐磨性和抗湿滑性。

高性能轮胎包括超高里程子午线轮胎、高速度级的子午线轮胎和赛车轮胎，它们都要求具有高强度、高耐磨性和高抗湿滑性。为此开发生产了高补强、高耐磨性和操纵性好的高性能炭黑品种系列。

2）高纯净度炭黑

炭黑产品中常有一些硬粒（GRIT），通常采用45 μm筛余物来表征其含量。45 μm筛余物含量高时，会影响高压电缆护套、橡胶油封等制品的使用寿命，影响橡胶、塑料制品的外观和气密性，影响涂料涂层的表面光洁度，影响化纤原液着色和塑料加工时的工艺性能。为此国外已开发生产了纯净度高、45 μm筛余物含量少的高纯净度炭黑新品种系列。

3）工业橡胶制品专用炭黑

汽车用橡胶制品如门窗密封条，雨刷，空调管，油封，传动带，密封圈等，对胶料的要求是具有不同的硬度、压出和阻尼性能，为此国外开发生产了以硬度、压出和阻尼性能进行分类命名、便于用户选择的品种系列。又如轮胎的气密层、主要要求气密性，为此也有专用的炭黑品种。

4）色素炭黑新品种

色素炭黑的品种是以其黑度、色相、流动性等性能特征，以及制造或改性处理的方法来命名分类的。例如卡博特公司的以BLACKPEARLS命名的色素炭黑系列，原来有27个品种，近几年又增加了命名为BLACKPEARLS 3030～4840的10个品种。这些新品种除了具备不同的黑度和色相以外，还具有不同的功能，分别适用于特别光滑的塑料薄膜、电缆的绝缘护套、接触食品的塑料制品、以及细旦的化纤、电子器件制品的着色等用途。

又如日本东海碳公司开发了液晶显示器滤色器用黑色基膜专用炭黑，可以满足遮光性优异、表面平滑、膜层极薄、导电性低等特殊要求。

5）导电炭黑新品种

导电炭黑品种，原来是以其导电性能的高低来命名的，品种只有几个。近几年又增加了一些具有特殊功能、专用性较强的品种。例如：导电性和分散性好，表面光滑、容易剥离，适用于高压电缆屏蔽料的新品种；导电性适中、分散性好，加工性好，适用于抗静电塑料薄膜或制品的新品种。

比利时的TIMCAL公司采用低气流流速的反应炉。研制并生产了高纯净度、高导电性的导电炭黑新品种系列，正在便携式能源：不同型式的电池，超级电容器；燃料电池；芯片包装材料，容器或载体；光盘驱动器和其它电子设备用工程塑料中应用。

3 国内炭黑生产新技术、新产品开发进展

3.1 国内炭黑生产技术开发进展

从总体上看，我国炭黑工业正在从追赶型向追赶、创新型转变。炭黑生产技术的发展趋势与世界潮流基本一致，近几年的主要进展是：

☆ 万吨级新工艺炭黑生产技术已经普遍推广、应用，在消化吸收和国产化的基础上，进行了多项二次创新、并实现了产业化。例如原料油品种的改变，以天然气、焦炉煤气为反应炉燃料，单炉生产能力的扩大，专用设备性能的改进和放大等等

☆ 以节能降耗为目标的炭黑新工艺、新设备开发取得显著进展。例如研制成功并开始推广应用800℃和950℃级的空气预热器、2000℃级的反应炉、在线余热锅炉、高效尾气锅炉和采用变频技术等。炭黑院正在将其配套成龙、建设一条节能样板生产线，以更好地进行推广。

☆ 炭黑生产环保和安全技术取得一定进展。例如：研究开发并推广了新型袋滤器及其滤材，利用尾气锅炉、产生蒸汽发电，既利用了尾气余热、又减少了污染。研究开发了含油、含炭黑生产污水达标排放和回收利用技术，使一些工厂实现了污水零排放。

☆ 一些高校和科研院所在炭黑改性处理、提高炭黑复合材料性能，和以炭黑为原料制造新型碳材料等方面进行了大量研究，取得了许多成果。

☆ 一些高校和科研院所在等离子体法生产炭黑方面，已经进行了许多有益的探索。

3.2国内炭黑品种发展

3.1.1子午线轮胎用新工艺炭黑品种

近几年来，我国子午线轮胎快速发展。子午线轮胎具有适于在高速公路上行驶，并可降低汽车油耗的特点。子午线轮胎生产要求使用性能较好，质量稳定和湿法造粒的新工艺炭黑品种。如N115、N121、N234、N375、N326、N330、N550、N660等，由于万吨级新工艺炭黑生产技术已经普遍推广，湿法造粒产品，已达70%以上，基本上满足了子午线轮胎生产快速发展的需要。

3.2.2低滞后炭黑

炭黑院已开发出DZ系列低滞后炭黑，其代表性的品种为DZ-13，填充DZ-13胶料的生热、比常规炭黑低15～25%，制成的子午线轮胎具有低滚动阻力、低生热、低油耗，轮胎耐久性和耐磨性显著提高等优点。当DZ-13应用于斜交胎时，可以解决斜交载重轮胎生热高、散热难的问题，从而可以提高斜交载重轮胎在高速、高载时的使用性能。DZ系列低滞后炭黑的开发成功为今后“绿色轮胎”的发展，奠定了良好基础。目前，正在进行进一步进行研制，争取开发出综合性能更好的新品种。

3.2.3导电炭黑

乙炔炭黑的导电性较好，国内早已生产应用，但它为粉状、在橡胶和塑料中加工性能不好，并需添加较大比例其导电性能才能满足需要，与此同时，高分子材料的力学性能将降低，因此用量有限。

早在20世纪90年代，炭黑院采用油炉法生产方式、开发生产了V系列导电炭黑品种，已广泛用于防静电运输带、导电胶辊、防静电胶板、电缆屏蔽料等导电或防静电的橡胶或塑料制品。但也存在着导电性和纯净度不能充分满足用户需求的问题。为此，近几年在改进工艺的基础上、又研制出了表面积更大、孔隙度更高、导电性更好的SL系列导电炭黑品种。除了上述用途外，已经在锂电池的电极材料、导电涂料、防静电周转箱等领域开始推广应用。

3.2.4色素炭黑

国内主要采用混气法或油炉法生产色素炭黑，并采用改性处理的方法，提高产品性能，增加品种。

近几年，混气法色素炭黑在改进氢蒽工艺和改性处理的基础上开发生产了黑度高、流动性好的一些新品种。但是和国外同类产品比，在色相、光泽和质量的稳定性等方面还有一定的差距，因此销售量还不多。

在油炉法色素炭黑方面，炭黑院为塑料行业研发了CM、103、R3等10个塑料专用炭黑品种，通过改性处理，为油墨、涂料行 业研发了Q系列易分散炭黑新品种，已经推广应用。但是在高档色素炭黑品种方面，和国外产品还有一定差距。

3、 存在的问题和差距

近几年，国内炭黑在新技术、新产品开发虽已取得了显著进展，但和国外比：在生产技术、装备水平、节能和环保等方面，仍有较大差距。产品品种主要是中、低档品种，高档品种、特别是非橡胶用炭黑品种，仍然是国外产品占领了市场。对炭黑基本性质和应用的研究不够、是影响高性能炭黑品种研究开发的主要原因。炭黑的改性处理和生产新技术的研究，多数停留在探索性试验阶段，没有实现产业化。

4、小结

1） 在国内外炭黑市场日趋激烈，世界石油和炭黑原料油价格不断上涨和环保要求日益严格的形势下。我国炭黑工业必须依靠科技进步，在强化技术创新基础上，进一步实现装置大型化、技术集约化和节能环保化为主要内容的技术改造。在此基础上，优化产品结构，研究开发高性能、专用化和节能环保型的新品种，才能提高在全球市场的竞争力，更好地满足国内橡胶工业发展子午线轮胎、汽车用橡胶制品和其他用户行业的需要。

2） 加强炭黑生产工艺及其工程和装备的研究：要在研究开发油炉法炭黑新工艺（例如富氧工艺、高温反应工艺、催化反应工艺等）的同时，研究开发等离子体法和其他新的炭黑生产方法，在此基础上创新品种，并使炭黑生产更加符合节能和环保要求。与此同时，要作好相应的工程和装备研究开发，使新的生产工艺能够实现产业化。

3） 加强炭黑改性处理和应用研究：实践表明，通过化学（包括添加纳米碳材料或者其他成分）和物理的改性处理，可以显著提高炭黑的应用性能，但是目前实现产业化的成果还较少。为此要着重研究以较低的成本实现产业化，例如将改性处理过程纳入炭黑生产流程（反应过程或者造粒、干燥工序）。同时也要和研究开发相应的下游产品相结合（例如喷墨打印墨水、色母料等）。

4）必须运用现代测试技术，例如扫描电镜，原子力显微镜，动态光散射粒径分布测试仪，反气相色谱等等，深入研究炭黑的微观结构和表面性质；采用橡胶动态粘弹性测试仪等测试炭黑复合材料的应用性能；才能研究开发出性能更好的新产品并使其尽快推广应用。