一、炭黑

1概述

炭黑是非常重要的无机化工颜料，广泛应用于橡胶、油墨、涂料、电池、化妆品、炸药等行业。其中，95%以上的炭黑应用在橡胶行业，只有极少部分炭黑应用于电池工业，却是非常重要的电池材料。

炭黑（carbon black），又名碳黑，是气态或液态的碳氢化合物（煤、天然气、重油、燃料油等）在空气不足的条件下进行不完全燃烧或热裂分解所生成的无定形碳，是一种疏松、质轻而极细的黑色粉末，比表面积非常大（10~3000m2/g），比重1.8-2.1。

炭黑粒子具有微晶结构，在炭黑中，碳原子的排列方式类似于石墨，组成六角形平面，通常 3~5个这样的层面组成一个微晶，由于炭黑微晶的每个石墨层面中，碳原子的排列是有序的，而相邻层面间碳原子的排列又是无序的，所以又叫准石墨晶体。

炭黑的粒径可低至5 nm，一般说来，炭黑粒子不是孤立存在的，而是多个粒子通过碳晶层互相穿插，形成链枝状。不同生产工艺可得到粒径范围极广的炭黑粒子，灯黑生产工艺得到的产品相对粗糙，而气黑生产工艺可得到精细的产品。用炉黑生产工艺可得到几乎所有粒径范围的炭黑，同一品种的炭黑，其粒子大小并不完全相同，呈现一个粒径分布范围。一般来说，粒子较细的品种，粒径分布较窄。

2炭黑的分类

（1）按生产工艺，主要分为灯黑、气黑、炉黑和槽黑。

灯黑生产工艺：历史上最早的炭黑生产法是灯黑生产工艺，在该工艺过程中，原料在直径大至1.5 m的平坦的燃烧铁盘上燃烧，含有炭黑的燃烧气体由内铺有砖块的排气罩收集，然后通过弯管（弯折1/4）和通火管到达沉积的装置。为了控制所产炭黑的特性，应当保证在燃烧盘和排气罩之间的间隙附近，原料主要作不完全燃烧。而在稍进管道里面，燃烧在氧气不足下发生热烈解，因而形成较大的炭黑颗粒，由于这些原因，组成较宽范围的粒径分布，主要特征为颗粒粗大。由于在燃烧盘和排气罩间隙间形成的颗粒只有小部分能与空气中的氧份接触，因此这些炭黑只有少量的表面氧化物，相应的pH值呈中性，并且挥发份极少。

气黑的生产工艺：气黑此名称源于其生产过程：原料烃加热时先气化，然后由可自燃的气体（供以能量）作为载体带到燃烧器内，炭黑在这些蝙蝠形的燃烧器所发出的大量扇形的火焰中生成。由于每束火焰都较小且在空气中燃烧，炭黑的形成，与灯黑生产工艺很不同（不完全燃烧）。在此炭黑颗粒很细，根据不同种类，平均粒径在10~30nm之间，气黑平均粒径为13 nm。燃烧的火焰上，是一个缓慢旋转的充水转鼓，炭黑在转鼓上沉积，在经刮到把炭黑刮走，当温度仍高时，新生成炭黑与空气中的氧接触，于是发生部分氧化，形成了大量的酸性基团，相应气黑pH值介于酸性范围。并可得到约6%的挥发份，代表其表面氧化物含量。

槽黑的生产工艺：这种生产工艺以天然气作原料，槽黑的工艺与气黑生产工艺的气体燃烧过程相似，天然气燃烧，发出许多扇形火焰，得到的产品与气黑类似，而不同的是这里采用了平坦的水冷U形槽作为炭黑的沉积槽。由于生态和经济原因，许多年前就停止了这种方法的使用。而气黑的生产不会对生态环境造成影响，而此气法炭黑工艺仍在运用。

炉黑生产工艺：气黑是在开放大气中生产的，但炉黑生产工艺则是在缺氧条件下的密闭炉中进行的。使用的不是许多束小火，而是一团大火焰，以油类作原料，并加入可燃气体使之达到炉内所需温度。而改变炉黑生产工艺条件，可得到所需要之颜料黑。比如：不同条件下，炭黑可达到广阔的平均粒径范围，从80nm到小至15nm，更直到细小至气黑那样小的颗粒。但对于同一粒径，气黑和炉黑还是有区别的，主要是表面化学不同。炉黑产品较为粗糙，平均粒径为40nm。此外，当采用炉黑生产工艺时，可加入少量的碱性化合物或其它添加剂以改变聚集体的聚集度和类型，由此可得到高结构或低结构的炭黑。

由于炉黑是在几乎低于大气压及空气不足条件下生产出来的。所以它们大部分缺乏酸性表面氧化物，然而却发现了前面所提到的呈碱性反应的吡喃酮结构。关于炉黑的碱性pH值，是因为在终止炭黑生成时喷射淬化冷水中加入碱土，以及为降低结构而添加的碱性盐。另外，如果此炉黑不再进行氧化后处理，则其挥发份含量较低。

（2）按用途不同，通常分为色素用炭黑、橡胶用炭黑、导电炭黑和专用炭黑。

色素用炭黑：国际上，根据炭黑的着色能力，通常分为三类，即高色素炭黑，中色素炭黑和低色素炭黑。这种分类通常用三个英文字母表示，前两个字母表示炭黑的着色能力，最后一个字母表示生产方法。

橡胶用炭黑：橡胶用炭黑原来是按粒径大小来分类的，但后来改为按氮表面积分类。此外，命名时把炭黑颜料的硫化速度和结构等因素也考虑进去了，由4个系统构成。第一个英文字母代表胶料的硫化速度，以N代表正常硫化速度，S代表缓慢硫化速度。后面3个为阿拉伯数字。第一个数字代表炭黑氮表面积范围，共列为0~9个等级。第二和第三个数字则由美国材料试验协会负责炭黑和术语的D24.41委员会指定的，反映不同的结构程度，也就是炭黑大概的高低结构确定的，有一定的任意性。相对而言，数字越大，结构越高。例如，炭黑型号有N220、N330、N550、N660、N990、N110、N115、N234、N326、N339、N375、N539、N550、N880等。

导电炭黑：指具有低电阻或高电阻性能的炭黑。可赋予制品导电或防静电作用。其特点为粒径小，比表面积大且粗糙，结构高，表面洁净（化合物少）等。根据导电能力大小，从低到高可分为CF导电炭黑、SCF超导电炭黑、XCF特导电炭黑。导电炭黑从生产方法来讲，可以分成乙炔炭黑、重油炉法炭黑、重油造气副产炭黑三大类。如果以DBP衡量，普通炭黑DBP值在100以下，CF导电炭黑在100～160，SCF超导电炭黑在160～260，XCF特导电炭黑可以达到300～350。

专用炭黑：指有其它专门用途的炭黑，也可以理解为除色素用炭黑、橡胶用炭黑、导电炭黑外的炭黑都叫专用炭黑。

（3）按主要功能不同，分为补强炭黑、着色炭黑、导电炭黑等。

二、导电炭黑

1影响炭黑导电性的因素

（1）炭黑的粒径。在可以均匀分散的情况下，粒径越小，炭黑的导电性越好。但是，粒径小了就不容易分散，反过来又影响导电性。因此，要把炭黑的粒径控制在一定范围内,在既能保证单位体积内的炭黑粒子数，又能确保良好的分散情况下才能提高导电性能。

（2）炭黑结构。炭黑的吸油值，即DBP 值的大小代表了炭黑聚集体结构的高低,一般说来,DBP 值高时炭黑呈链枝状结构,导电性较好。

（3）炭黑粗糙度。由于炭黑的导电需要有一定的粗糙度， 使炭黑容易形成导电通道，要求炭黑的氮吸附表面积和CTAB表面积的差值较大。

（4）表面挥发分。炭黑表面的挥发分主要是由一些有机基团和未能完全裂解的油膜结成，形成一层绝缘层，增加了炭黑粒子之间的势垒，严重影响导电性,必须将挥发分控制在较低限度内。

（5）灰分和水分。炭 黑中灰分和水分含量高，实际上降低了炭黑的含量，同样对导电性有不利的影响，在生产中要注意控制炭黑中灰分及水分的含量。

2导电炭黑的应用

（1）用于制造防静电产品：导电发泡管、充电辊、静电消除器、防静电输送带、防静电胶板、防静电箱、中空板、防静电管、医用橡胶制品、地毯、复印机辊、印刷机辊、电子组件包装薄膜、防爆电缆、抗静电台垫、抗静电鞋底等。

（2）用于制造导电产品：电缆屏蔽料、面状发热体、导电薄膜、弹性电极、印刷电路、导电涂料、电池电极、导电油墨、导电纤维、导电皮革制品及粘结剂。

三、导电炭黑在电池工业中的应用

1导电炭黑在不同类型电池中的应用

导电炭黑广泛应用于原电池、充电电池、燃料电池、电容器电池中，但导电炭黑所起的作用不尽相同，列举如下：

2为什么导电炭黑能够被广泛应用于电池中

导电碳黑能够被广泛应用于电池中，原因有以下几个方面：

（1）导电碳黑有一个独特的分支形式，大量导电接触点。

（2）超导炭黑具有很高的导电性，少量的添加就能实现高导电性。

（3）使用量小，使其能够填充更多的活性物质，提高电池的容量。

（4）在充、放电过程中，电池电阻的大小不随着电池体积的不断变化而变化，这样增加了电池的稳定性。