什么是炭黑？

炭黑 (CB) 的商業(yè)化生產(chǎn)是在嚴(yán)格控制的熱條件下進(jìn)行的，這種熱條件既可以在惰性氣體中發(fā)生（也稱為部分燃燒），也可以在缺氧環(huán)境中通過氣相熱解工藝進(jìn)行。通過這些工藝，可以生成碳納米顆粒的聚集體，形成最終的 CB 產(chǎn)品，即幾乎純?cè)靥?(EC) 的黑色細(xì)粉。

CB 是所有納米碳中工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模最大的一種。CB 的商業(yè)化生產(chǎn)歷史已超過 100 年，全球產(chǎn)量估計(jì)超過 980 萬(wàn)公噸。

CB 的平均價(jià)格為每公斤 1 美元，與其他類型的納米碳相比也被認(rèn)為便宜得多，特別是碳納米管和石墨烯納米片，目前的售價(jià)分別約為每公斤 600 美元和每公斤 10,000 美元。

CB 的應(yīng)用

美國(guó)、西歐和日本生產(chǎn)的 CB 約有 90% 用于各種橡膠應(yīng)用。汽車橡膠產(chǎn)品（例如輪胎、內(nèi)胎、胎面、皮帶、軟管和其他雜項(xiàng)）以及非汽車工業(yè)產(chǎn)品（例如工業(yè)模制和擠壓產(chǎn)品）是 CB 的一些最常見用途。

當(dāng)為這些產(chǎn)品生產(chǎn) CB 時(shí)，部分燃燒過程會(huì)注入霧化芳香油和缺乏空氣的燃料源（例如天然氣或石油）的組合。

剩余10%的商業(yè)化CB可用于從鏈環(huán)、油漆到塑料和涂料等各種產(chǎn)品。

CB 對(duì)陣 BC

炭黑和黑碳 (BC) 都是化石燃料、生物燃料和生物質(zhì)等碳源不完全燃燒的最終產(chǎn)物。盡管它們的生產(chǎn)過程看似相似，但炭黑和黑碳的具體生產(chǎn)方法在多個(gè)層面上存在根本差異。例如，炭黑是在工業(yè)環(huán)境中生產(chǎn)的，可用于廣泛的商業(yè)應(yīng)用，而黑碳是一種不受歡迎的副產(chǎn)品。

此外，CB 的生產(chǎn)很少會(huì)導(dǎo)致 CB 顆粒釋放到產(chǎn)品中，因?yàn)檫@些顆粒通常緊密結(jié)合在輪胎和其他橡膠產(chǎn)品的基質(zhì)中。相比之下，BC 顆粒通常通過環(huán)境污染和柴油廢氣釋放到環(huán)境中。CB 和 BC 的主要暴露途徑差異很大，因?yàn)?CB 主要與職業(yè)暴露有關(guān)，而個(gè)人最常通過環(huán)境接觸 BC。

除了生產(chǎn)方式不同之外，CB 的結(jié)構(gòu)（石墨狀且?guī)缀跫兇庥?EC 組成）與 BC 的結(jié)構(gòu)也有很大不同，BC 通常被描述為具有類似于高度融合的球形顆粒的腺泡狀或葡萄狀 CB 聚集體的形態(tài)。

炭黑中的有機(jī)化合物濃度也特別低，平均不到 2%。相比之下，炭黑中的有機(jī)碳化合物濃度往往高得多，通常占總質(zhì)量的 30% 左右。一些燃燒煙灰產(chǎn)品中的有機(jī)碳部分占其總質(zhì)量的 50%，灰分含量高于炭黑。

區(qū)分 CB 和 BC 的方法

據(jù)報(bào)道，X 射線光電子能譜是一種區(qū)分 CB 和 BC 的有用技術(shù)，因?yàn)?CB 具有 S 2p 核心線光譜，而柴油煙形式的 BC 與這些光譜無(wú)關(guān)。盡管它很有用，但 CB 或 BC 表面上的元素硫的存在會(huì)導(dǎo)致 S 2p 光譜出現(xiàn)，從而限制了它在此目的中的應(yīng)用。

透射電子顯微鏡(TEM)、動(dòng)態(tài)光散射光譜 (DLS)、電泳光散射光譜 (ELS) 和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 (SEM) 也已成功用于區(qū)分 CB 和 BC 之間的物理化學(xué)性質(zhì)。

CB 顆粒通常呈球形，尺寸范圍一般為 15 至 300 納米 (nm)。通過 TEM 和 DLS 分析，CB 和 BC 在某些情況下在聚集體外觀方面可能具有相似性。

最終，研究發(fā)現(xiàn)，通過原生粒徑、聚集尺寸、流體動(dòng)力學(xué)直徑、粒度、Zeta 電位、沉降速率或表面積來(lái)區(qū)分 BC 和 CB 樣品并不理想，因?yàn)?CB 和 BC 在這些性質(zhì)方面的顯著差異尚未得到證實(shí)。

盡管有這樣的發(fā)現(xiàn)，但 BC 和 CB 樣品的熱處理導(dǎo)致這些樣品的反應(yīng)存在明顯差異。加熱到 1000°C 后，CB 質(zhì)量仍保留 96%，而 BC 樣品的質(zhì)量減少了 58%。

研究人員能夠成功區(qū)分 CB 和 BC 的另一種方法是比較碳 (C)、氫 (H) 和碳?xì)浠衔?(H/C) 的原子比。

此外，與 CB 樣品相比，BC 樣品的 H/C 比高出十倍。因此，這一發(fā)現(xiàn)表明，簡(jiǎn)單的 100H/C-log(C/10)-1/H 三元圖可用于快速區(qū)分 CB 和 BC 樣品。