碳黑（BlackCarbon），又名炭黑，為煤、石油、生物質等不完全燃燒或熱解而成的黑色細小粉末狀物質，主要成分是碳（90%～99%），含少量氧（0.1%～8%）、氫（0.1%～0.7%）和硫（0~0.7%）等。碳黑是無定形碳，比表面積為10～3000 m2/g，密度為1.8～2.1 g/cm3。碳黑粒子近似球形，基本粒子尺寸為8～500 nm，許多粒子常熔結或聚結成三維鍵枝狀或纖維狀聚集體。碳黑是疏水性的，不溶于水、油和其它溶劑，具有一定的導電、導熱性能，有較強的吸光性，其化學性質穩定、耐酸堿、著色性強。
碳黑主要是以石油、瀝青、天然氣、松脂、焦炭為原料，經爐內燃燒后取其煙塵制成，也可將天然氣在真空容器中加熱獲得。碳黑按用途不同，通常分為色素用碳黑、橡膠用碳黑、導電碳黑和特種碳黑等。碳黑主要用于輪胎制造、電極制造、塑料制造、油漆制造、顏料、墨汁、唱片等工業。此外，還可用于脫色劑、凈化劑、助留劑等。
碳黑會對環境產生危害，影響氣候效應，吸附有毒物質生成有毒氣體。碳黑還可以通過吸入或接觸進入人體，一定時間滯留可引起肺塵病。
發現歷史
據記載，中國是世界上最早生產碳黑的國家之一。在古時候，人們焚燒動植物油、松樹枝，收集火煙凝成的黑灰，用來調制墨和黑色顏料，這種被稱之為“炱[tái]”的黑灰就是最早的碳黑。元代陸友所著《墨史》一書的記載，魏代的韋誕（公元251年以前），晉代的張金（公元300年以前），唐朝的李庭珪[guī]父子祖孫等，都是為了取得作墨的上品原料而從事碳黑制造的能手。宋朝初年，用石油制造的碳黑已經出現，北宋學者沈括在《夢溪筆談》詳細描述了用石油制成石墨的過程。公元十六世紀后，德國、法國、英國等國家，開始以焦油、豬油、沒藥樹等為原料制取炱。1864年美國開始以人造氣體經過燃燒，以石板為收集面，用刮板刮下而獲得優質炱。直到1872年世界上才首次實現了碳黑的工業規模生產，同時出現了“炭黑”這一術語，這就是近代碳黑工業的開端。1892年發明了槽法碳黑，第二次世界大戰前后，爐法碳黑開始出現。
形成分布
碳黑氣溶膠是大氣氣溶膠中一種重要的組成部分，來源于含碳物質不完全燃燒而排放出來的無定形碳。碳黑顆粒物的形成取決于燃燒的條件和燃料的類型。如果燃燒的火焰中燃料和空氣的比例不適當，會促進碳黑顆粒物的形成；燃料的構成中如果碳相對于碳氫化合物的比例較高，也有利于碳黑顆粒物的形成；燃料中的碳氫化合物在缺氧的條件下高溫加熱，也能解離出氫最終形成碳黑顆粒物。碳黑氣溶膠來源分為自然源和人為源，自然源有火山爆發、森林大火等，具有區域性和偶然性；人為源包括煤、石油、天然氣等化石燃料和生物燃燒。
碳黑的形成過程：初始碳黑顆粒的生成需經歷形核、表面生長和凝聚三個階段，形成的初始碳黑顆粒繼續經過聚集和群聚，生長為成熟的碳黑顆粒。形核時，濃縮態物質來源于燃料分子、氧化劑和揮發分，通過裂解和脫氫形成混合物，這種混合物包括多種未烷烴 （乙炔）或芳香烴基團，到“過飽和”狀態時，形成晶核；晶核形成后，隨著表面的增長，單位體積內的碳黑質量增加，晶核轉變為粒子，同時晶核自由基相互結合；由于顆粒的碰撞和粘合，凝聚過程促進顆粒的增長，隨著顆粒的變大，雖然顆粒數減少了，但是碳黑體積分數并沒有變化；在隨后的增長過程中，顆粒不再碰撞和粘合，而是以鏈的形式聚集在一起，熔合成鏈枝狀或纖維狀的聚熔體；聚集物逐漸纏繞結合在一起，群聚生成碳黑。
物理性質
碳黑結構
碳黑是黑色粉末狀膠體物質，由不完全燃燒和熱分解的烴類化合物生成的細小顆粒組成，俗稱“煤煙”或“油煙”。碳黑物理性質很穩定，不溶于水、油和其它溶劑。碳黑不同于金剛石和石墨，屬于無定形碳。碳黑的芳香層面不夠大，層與層間受到扭曲和平移，不像石墨那樣，而是三維有序排列形成的亂層微晶結構。碳黑不同結構層次如下圖所示。其中圖（a）是由100～200個碳原子組成的六角碳網，含縮合苯環50～100個（C=C鍵）；圖（b）由3~5層、最多7層碳網組成微晶石墨疊層，厚度為1.3～1.8 nm，寬約2 nm，層間距為0.35 nm，呈亂層疊積，稱為準石墨微晶（基本結構單元）；圖（c）由成千上萬個準石墨微晶組成碳黑微球（微細結構），表面微晶約占60%，軸指向微球中心，較整齊地排列，大致呈同心球取向；圖（d）由10個至幾十個碳黑微球熔結成三維不規則聚結體。
比表面積
比表面積是碳黑的重要特征之一，碳黑通過其表面與其它物質相互作用，因為碳黑的粒子很小，所以它的比表面積很大。比表面積是表征固體顆粒分散度和孔隙狀況的尺度，粒徑小和微孔越發達時，比表面積越大，反之則越小。測定碳黑比表面積的方法有低溫氮吸附（BET）法、碘吸附法、CTAB法、電子顯微鏡法和干碳黑反射法等。前三種方法是基于碳黑的吸附作用，按照公式計算求得，電子顯微鏡法是測量碳黑粒徑，根據粒徑和密度計算，反射法是基于反射率和粒子大小的一定相關性求得。
密度
碳黑的密度分為真密度和視密度，單位相同為g/cm3，區別為真密度排除了碳黑顆粒的內孔隙和顆粒之間的空隙，視密度未排除。碳黑真密度數值高于視密度。碳黑的真密度一般是用氣體或液體置換法測定，置換氣體為氦氣，置換的液體有丙酮和二甲苯等。真密度常用氦氣法測定，用氦氣測得的各種碳黑的真密度均在1.8～2.1 g/cm3之間，通常碳黑密度選用1.86 g/cm3這一數值。
導電導熱性
碳黑導電和導熱性與其結構（尤其是石墨微晶結構）、表面性質和粒徑密切相關。碳黑在橡膠中導電、導熱的原理主要是通過碳黑聚集體在膠料中相互接觸形成網絡狀通道進行的。高結構碳黑顆粒細，網狀鏈堆積緊密，比表面積大，單位質量顆粒多，碳黑粒子間接觸概率越大或粒子間間距越小，越有利于在聚合物中形成鏈式導通結構，導電和導熱性越好，在眾多碳黑品種中，乙炔碳黑的導電、導熱性最佳。此外，表面粗糙度越大，碳黑的導通性越好，在碳黑用量相同的膠料中，粗糙碳黑粒子間接觸概率比光滑碳黑粒子間大。粒徑分布寬的碳黑粒子比分布窄的粒子更能賦予聚合物導通性。
光學性質
當光通過碳黑分散體時，產生散射和吸收現象。碳黑用作黑色顏料，主要是吸收可見光和紅外輻射，吸光率即光密度A的計算通過公式：
式中：I?入射光強度，I為透射光強度。
化學性質
碳黑一次和二次結構的總和稱為總結構或結構性，隨生產方式不同，其結構性差別很大。一般將碳黑定性分為低結構、正常結構和高結構三大類。碳黑中碳存在于巨大芳香環平面網上，故具有芳香族化合物一些性質。碳黑中碳/氫原子比為10～35，氫含量與碳黑電阻率、潤濕性和化學反應有關。碳黑中氧主要存在于表面碳-氧復合物中，氧含量與生產工藝有關，對碳黑性能有重要影響，氧含量高，親水性增強，碳黑易吸潮，pH值降低，氧含量低，情況剛好相反。在碳黑表面還存在著酚基、基、羧基等基團。碳黑顆粒在高溫下比較穩定的只有兩類碳氫化合物分子：由若干苯環結合生成的多環芳香烴結構和多炔結構（在末端用氫原子加以“閉塞”的碳鏈）。與它們相對應存在兩種生成碳黑的模型：芳香烴型和多炔型。
氧化反應
根據碳黑氧化反應的氧化劑類型分為氣相氧化和液相氧化，氣相氧化劑包括氧氣、干空氣、濕空氣和臭氧等；液相氧化劑包括硝酸、次氯酸鈉水溶液，高錳酸鉀水溶液和過氧化氫等。氣相氧化常發生在碳黑生產出來的前三個月中，以后變化甚微，像剛生產出來的爐法碳黑在空氣中放置時會被空氣中的氧所氧化，導致碳黑表面的含氧官能團增加，這種作用稱為碳黑的陣化作用。液相氧化是指碳黑粒子結晶度較低的部分在氧化時生成降解產物可溶性羧酸，結晶度較高的部分直接生成二氧化碳的過程。
接枝反應
碳黑還能與苯乙烯、丙烯腈和聚丙烯酸酯等聚合。碳黑與苯乙烯，加入引發劑反應，生成接枝苯乙烯聚合物，制成漆時，涂膜具有良好的黑度和色相。
其他反應
碳黑同鹵族元素發生取代反應，其中和氯與碳黑作用強烈。在制備碳黑時，通入適量氯可生成氯化碳黑。碳黑與發煙硫酸發生磺化反應，引入磺基，生成磺化碳黑，可提高黑度。碳黑表面的羧基和酚羥基可進行離子交換，醌基還可發生還原反應。碳黑還可作催化劑載體。
制備方法
碳黑的生產一般采用固體、液體或氣體的碳氫化合物為原料。制造工藝大體分為：生成、收集和后處理三部分。其方法的分類是以生成工段的方式為基礎，即不完全燃燒法和熱分解法。
天然氣槽法
以天然氣為原料，用鐵管送入鐵板制成、長而矮的燃燒室，燃燒室內有若干個燃燒嘴。天然氣加適當壓力，由燃燒嘴噴出，在空氣不足的情況下燃燒，即可生成光亮而有黑煙的火焰，使之沖至槽鐵的下方，降低燃燒溫度，生成的碳黑堆積，用固定的刮刀將碳黑刮入漏斗，送至中央包裝室處理。該法生產的碳黑質地松軟，將其除去粒子和垢片篩選后，放入磨粉機研磨，使粗細更為均勻，但其質地仍極輕而蓬松，稍加震動使之結實，加入少量水分，制成漿狀，再用小的旋轉針頭將其旋轉成極微小的丸粒，經干燥后即為成品。化學反應式為：
CH?=C（無定形）+2H?
CH?+O?=CO?+2H?O
噴霧法
本方法以紀頁巖原油為原料，經預熱噴入反應爐內，與空氣在爐內不完全燃燒，熱分解為碳黑煙氣。經冷卻、分離、收集、風選、壓縮制得碳黑產品。工藝流程為：
燃燒裂解法
以防腐油、蒽油或二油加入―定量的乙烯焦油為原料，經脫水、預熱、霧水噴射到反應爐，同時通入一定比例的煤氣和空氣，在高溫下進行不完全燃燒，再經裂解、冷卻、分離收集、造粒、篩選、磁選后而得。具體工藝流程為：
滾筒法
以蒽油或防腐油為原料，氣化后同已預熱的煤氣混合，經小孔噴出，在火房與空氣接觸進行不完全燃燒、裂解。一部分碳黑在滾筒表面收集，另一部分在燃余氣中收集，經冷卻、收集、輸送、成粒后成為產品。具體工藝流程為：
爐法
爐法是碳黑生產的主要方法，其生產過程是將原料油(或氣)和一定量的空氣混合，通入密閉爐中進行燃燒裂解，生成的碳黑懸浮在燃余氣中，經冷卻后收集。爐法分為油爐法、氣爐法和油氣爐法，以煤焦油系統或石油重油系統的油類為原料的為油爐法；以天然氣、油田氣為原料的為氣爐法；以油為主，混以部分天然氣或荒煤氣的為油氣爐法。生產不同品種的碳黑，可以通過調整原料、空氣與原料的配比、爐體結構、操作條件來實現。
一般是以重油為主要原料、配入一定量的頁巖油，經預熱噴入反射爐內，并與預熱后的空氣在爐內進行不完全燃燒，熱分解為碳黑煙氣。反應完成后，經冷卻、分離收集、造粒、篩洗、磁洗得到產品。具體工藝流程如下圖所示：
應用領域
工業發展
1740年，美國用魚油、沒藥樹、焦油作原料，生產燈煙碳黑。1872年，美國建立Hydro Carbon Black公司，用天然氣作原料生產碳黑，實現碳黑工業規模生產。1910年，英國輪胎公司將碳黑用于輪胎，意外發現碳黑對橡膠有補強作用，從此碳黑用量大增。最早使用的碳黑是天然氣槽法碳黑。隨著合成橡膠用量的擴大，使用槽法碳黑遇到困難。1947年，菲利普公司開發出以芳香烴重油為原料的油爐法碳黑，實現了原料由天然氣到石油，產品由槽法到爐黑的轉化。爐黑的出現，確立了現代碳黑工業的基礎。1972年，新工藝碳黑以第三代碳黑的面目出現，它不僅使燃料油和原料油達到更合理的應用，使碳黑收率顯著提高，而且還給橡膠制品帶來某些優良性能。在理論上，也使人們對碳黑的結構、比表面積、表面活性等有了新的認識。它的出現使碳黑工業的發展上到一個新的高度。一般的碳黑每年世界產量大于600萬噸，并廣泛用于工業的許多方面（主要用于橡膠工業），但碳黑生成機制尚沒有完全清楚。
橡膠制品
碳黑主要用于橡膠工業，它不但是塑料橡膠的理想著色劑，還是光穩定劑和補強劑，碳黑價格便宜、色澤純正，在較高的溫度下亦具有很好的穩定性，還能與其他無機著色劑相互配合，制成多種色澤制品。碳黑用作橡膠補強劑時，由于一個碳黑粒子含有成千個微晶體，微晶體由3～5個層面相疊而成。微晶體相對不嚴格圍繞碳黑中心圓形排列，層面類似于多苯環芳香族化合物，但氫原子不足，層面邊緣缺氫，有許多未配對電子，化學性質活潑，碳黑借助層面邊緣的活性點與橡膠大分子發生化學吸附，結合成強化學鍵，生成不溶于溶劑（如甲苯）的結合橡膠，發揮補強作用。另外，碳黑除碳元素外，還有氫、氧原子形成的羧基、酚基、醌基、內脂等含氧基團，它們對飽和度高、缺少活潑氫原子的橡膠的補強極為重要，能大大改進耐磨性、撕裂強度、定伸應力和彈性性能，賦于橡膠制品耐磨耗、耐撕裂、耐熱、耐寒、耐油等多功能和延長橡膠的使用壽命，是僅次于橡膠的第二位重要原料，其用量占橡膠的50%。
燃料電池
碳黑是低溫燃料電池最常用的載體材料之一，包括乙炔黑（BET表面積約50 m2/g）、VulcanXC-72（BET表面積約250m2/g）、KETJEN黑（BET表面積約1000 m2/g）。這3種碳材料均有很好的導電性能，但它們的比表面積相差較大，表面形態也有很大差異。乙炔黑具有較小的比表面積故其擔載量不能過高，但由于沒有微孔存在，所以不會阻礙反應物的傳質。高比表面的KETJEN碳黑可以作為高擔載量催化劑的載體，且可以提高活性金屬的分散度，但是由于微孔太多，一方面導致活性物種分布不均勻，另一方面引起傳質極化，反應物很難到達微孔的內表面，所以不太適合作催化劑載體。VulcanXC-72為無定形活性碳石墨化處理的碳黑材料，具有良好的導電性和較好的孔結構，是燃料電池催化劑中使用最多的催化劑載體。但該載體表面具有大量的微孔，不利于物質在電極中的傳輸過程；此外，由于在燃料電池運行條件下容易發生氧化腐蝕，造成貴金屬催化劑的脫落，降低催化劑的耐久性?？茖W家們通過優化制備條件、添加穩定劑、修飾碳黑表面等方法來提高催化性能和導電性能。
顏料
碳黑顏料的成分主要是元素碳，碳黑的碳晶格中還含有少量的氫、氧等元素，這些元素的含量雖少，但對碳黑顏料的性質影響很大。碳黑是碳氫化合物不完全燃燒或裂化分解而得的碳素微粒。制作時，如果精確地控制參加燃燒時的空氣量，就可以獲得非常細的碳黑沉積物，這種碳黑是用于印刷油墨、橡膠工業以及其他行業的重要顏料，在印刷油墨中，幾乎所有的黑墨都采用碳黑作有色物質。碳黑價格低廉，并具有一系列顯而易見的特性，其中包括很高的著色力和遮蓋力，很高的耐光、耐熱、耐潮濕性和化學穩定性等。另外，涂料工業還將碳黑作為黑色著色顏料用于制備各種磁漆。
另外碳黑還能用于超鎢鋼原料、塑料制造、唱片等工業，用作脫色劑、凈化劑和助留劑，在水體和土壤重金屬治理領域也有著廣泛的應用前景。
安全事宜
消防安全
碳黑應儲存在陰涼干燥通風庫房，包裝完整。碳黑是非危險品，但表面有吸濕性，能燃燒，應遠離火種、熱源，與氧化劑（氧氣、硝酸）隔離，定期測量水分。碳黑應專庫堆放，防止發生自燃，防止污染其它產品。失火時可用水及泡沫滅火器撲救。
環境安全
碳黑能對環境產生危害，能降低能見度，直接和間接地影響氣候效應，改變平流層臭氧和光化學煙霧，參與全球生物地球化學循環。碳黑大氣顆粒物可以強烈地吸收太陽輻射，并將這種太陽輻射能以紅外輻射形式釋放于大氣中，從而導致大氣增溫。碳黑的比表面積較大，常常吸附各種有毒的重金屬元素、二噁英類以及多環芳香烴類(PAHs)等有機污染物，生成有毒氣體。
健康安全
碳黑可通過吸入或皮膚、眼睛接觸進入體內，它的急性毒性數據為：狗腹膜內的LD>5 gm/kg，小鼠腹膜內的LD>5 gm/kg，大鼠腹膜內的LD>5 gm/kg，小鼠靜脈注射LD50為440 mg/kg。碳黑的致癌性屬于2B組，可能對人類致癌。
碳黑是一種輕質易飛揚的微小的碳粒，生產和使用碳黑的工人均可接觸碳黑粉塵。研究表明，吸入肺內的碳黑粉塵，達到一定數量，滯留一定時間，可引起肺塵病。碳黑塵肺病理類型為塵斑型塵肺，與石墨塵肺、煤肺相似。病理改變主要是肺細支氣管和小血管周圍形成黑色塵斑，形態不規則，并在塵斑周圍有灶周肺氣腫?；颊呖捎锌人?、咳痰、胸痛、氣短等癥狀。X線胸片可見不規形小陰影，或類圓形小陰影，或兩者混合存在。 根據《大氣污染物綜合排放標準》規定：碳黑塵周界外濃度最高點的限值為"肉眼不可見"。碳黑塵肺的預防措施包括：改良生產工藝，降低作業場所粉塵濃度；做好個人防護，嚴格操作流程，戴防塵口罩，穿工作服；作業結束及時洗澡，清洗衣物，避免再次污染；對接觸人員進行定期體檢，做到及時發現、及時治療等。
參考資料 >
COMPOUND SUMMARY Carbon.National Center for Biotechnology Information.2023-03-30