炭黑

化学物质

烃类在严格控制的工艺条件下经气相不完全燃烧或热解而成的黑色粉末状物质。其成分主要是碳单质，并含有少量氧、氢和硫等元素。炭黑粒子近似球形，粒径介于10～500μm 间。许多粒子常熔结或聚结成三维键枝状或纤维状聚集体。在橡胶加工中，通过混炼加入橡胶中作补强剂（见增强材料）和填料。炭黑是最古老的工业产品之一。

理化性质

各种炭黑的差异主要在表面积（或粒子大小）、聚集体形态、粒子和聚集体的质量分布和化学组成等方面。

表面积

用来鉴别和分类命名炭黑的重要性质之一。表面积用气相或液相吸附法测得。最经典的测定方法是低温氮吸附法（即BET法）。由于氮分子相对较小，可进入炭黑微孔之中，该法测得的结果表征炭黑的总表面积。近年来研究成功大分子吸附法（如CTAB），因大分子不能进入微孔，其测定结果表征炭黑的外表面积，即“光滑”表面积。大多数橡胶用炭黑是无孔的，所以BET测定结果和CTAB测定结果是一致的。对某些色素用炭黑，这两种表面积测定结果的差，即表征炭黑的粗糙度或孔隙度。另一种测定方法──吸碘法也广泛用于生产控制和产品分类，其特点是简单快速，但测定结果受炭黑表面氧化程度的影响。

结构

炭黑的第二个重要性质。炭黑的结构取决于聚集体尺寸、形状以及每个聚集体的粒子数和平均质量。上述这些特性均影响聚集体的堆积状态和粉末的空隙容积。通常，炭黑的结构用DBP（dibutyl phthalate，邻苯二甲酸二丁酯）吸油值表示。炭黑在 170MPa下压缩4次后的DBP值，习惯上称为压缩吸油值或24M4DBP值。压缩吸油值更真实地反映炭黑聚集体在胶料中的状态。

基本信息

安全风险

物理化学性质

水溶性：不溶于水

产品用途

主要用于橡胶、油漆、油墨等行业

简介

烃类在严格控制的工艺条件下经气相不完全燃烧或热解而成的黑色粉末状物质。其成分主要是元素碳，并含有少量氧、氢和硫等。炭黑粒子近似球形，粒径介于10～500μm 间。许多粒子常熔结或聚结成三维键枝状或纤维状聚集体。在橡胶加工中，通过混炼加入橡胶中作补强剂（见增强材料）和填料。炭黑是最古老的工业产品之一。早在公元前，中国就用植物油不完全燃烧制取颜料炭黑。1872年，美国首先以天然气为原料用槽法生产炭黑。当时，炭黑也仍主要用作着色剂。1912年S.C.莫特发现炭黑对橡胶的补强作用之后，炭黑工业才迅速发展起来。20世纪20年代，又出现了以天然气为原料的气炉黑和热裂黑，R.D.斯诺于1937年开始研究高效的炭黑生产方法。后来，J.C.克雷奇致力于从液态烃生产炭黑，开发了油炉法工艺。1941年，试产出第一批油炉黑。1943年，世界上第一座工业化规模的油炉黑工厂在美国投产。当今，油炉法是效率最高、经济效益最好的炭黑生产方法。油炉黑的产量已占炭黑总量的70%～90%。

生产方法

主要有炉法、槽法、热裂法三种。

炉法

由天然气或高芳烃油料在反应炉中经不完全燃烧或热解生成炭黑，此种炭黑称为炉黑，是炭黑品种中产量最大、品种最多的一类。炉黑与槽黑及热裂黑的显著区别是，其粒子的熔结或聚结程度可根据不同用途来调节。所以，同一粒径范围的炉黑，又分为若干不同结构的衍生品种。另外，炉黑的含氧量通常比槽黑低（少于1%），表面呈中性或弱碱性。炉黑生产的特点是，燃料在反应炉中燃烧，提供原料裂解所需的热量。燃烧和裂解过程同时发生。根据所用原料形态的不同，炉黑生产可分为气炉法和油炉法两种。气炉法所用原料和燃料均是天然气。油炉法的燃料可以是天然气、焦炉气，也可以是液态烃，原料则选用高芳烃油料，如乙烯焦油和蒽油等。在炉黑生产工艺流程（见图）中，反应炉是核心设备。生产不同品种的炉黑需采用不同结构尺寸的反应炉。空气和燃料在反应炉中燃烧，原料经雾化后喷入燃烧的火焰中，经高温热解生成炭黑。炭黑悬浮于燃余气中形成烟气。烟气经急冷后送空气预热器、油预热器进一步降温，最后送入袋滤器，分离出的炭黑送到造粒机中造粒，然后在干燥机中干燥。

槽法

以天然气为主要原料，以槽钢为火焰接触面而生产炭黑，此种炭黑称为槽黑。与炉黑及热裂黑相比，其粒子较细而比表面积较大。同时，由于采用特定的生产方式，其表面受到氧化，含有较多的含氧官能团而呈酸性。这类炭黑粒子的聚结程度较低。因含有较多的含氧官能团，可延缓橡胶的硫化速度，提高聚烯烃的耐候性以及赋予油墨良好的流动性和印刷性能。

热裂法

以天然气、焦炉气或重质液态烃为原料，在无氧、无焰的情况下，经高温热解生成炭黑，称为热裂黑。它是炭黑品种中比表面积最低的一类，基本上以单个球形粒子存在，不熔结或聚结成聚集体，其表面含氧量亦很少（0.1%～0.3%）。热裂黑主要有三个品种：中热裂黑、不污染的中热裂黑和细热裂黑。中热裂黑的氮吸附比表面积为6～10m2/g，细热裂黑则为10～15m2g。

二氧化碳转化

卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）热过程工程研究所开发的技术，可从大气中直接提取二氧化碳并将其转化为炭黑。

物理性质

密度

炭黑的密度有两种，一种是真密度，即由组成炭黑的元素及结构（或晶体结构）确定，在没有特别说明的情况下，炭黑的密度指真密度；另一种是倾注密度或视密度，其随炭黑的加工条件变化而不同，需经常测定。视密度主要为工程设备以及包装、贮运等容器的容积计算提供依据。

炭黑的石墨层间距比石墨大，其密度比石墨小。炭黑密度可用不同方法测定，最具代表性的测试方法有X射线衍射法和氦置换法。不同测试方法测定的炭黑密度不同。用X射线衍射法测定的炭黑密度一般为2.O4～2.11Mg·m；用氦置换法测定的炭黑密度一般为1.84～2.O6Mg·m，而石墨化炭黑的密度可达2.18Mg·m。

在橡胶工业中，多用常规混炼法将一定质量的炭黑混入已知密度的橡胶中，通过测试胶料密度来测定炭黑密度。用此法测定的橡胶用炭黑密度一般为1.80～1.86Mg·m，常取1.86Mg·m。粉状炭黑的倾注密度一般为30～48kg·m，增密后粉状炭黑的倾注密度一般为8O～190 kg·m，湿法造粒炭黑的倾注密度一般为3OO～500 kg·m。粒径小、结构高的炭黑倾注密度小。

导电性

炭黑的导电性与其结构（尤其是石墨微晶结构）、表面性质和粒径密切相关。炭黑在橡胶中的导电原理主要有导电通道和场致发射等机理。导电通道机理是炭黑聚集体在胶料中相互接触形成网络状通道而导电。场致发射机理是炭黑聚集体链之间的电势差足够大时会引发场致发射，使电子跃过势垒而导电。根据这些导电机理得出，炭黑粒子越小，即单位体积胶料的炭黑粒子越多，炭黑粒子间接触的几率越大或粒子间间距越小，电阻越小，导电性越好。在粒径相同的炭黑中，高结构炭黑的导电性好，这是高结构炭黑具有较多链枝，从而形成较多链枝交织的导电通道所致。炭黑表面挥发物或残留焦油状物多会在炭黑表面形成绝缘膜而降低炭黑导电性。将这类炭黑在真空或惰性气体中进行加热处理以除去表面绝缘膜，会使其导电性提高。表面粗糙度越大的炭黑导电性越好，这是因为在炭黑用量相同的胶料中，粗糙炭黑粒子间接触的几率比光滑炭黑粒子间大。

综上所述，粒子小、结构高、表面纯净和表面粗糙度大的炭黑导电性好。制备导电胶料时，炭黑的用量不能小于某一临界值，否则胶料中过少的炭黑不能形成导电通道或不能引发场致发射，使胶料的导电性不能达到要求。

着色强度

表征炭黑性质的指标。将一定量的炭黑和白色颜料（通常是氧化锌或钛白）混于油类展色剂中，制成灰色墨浆，然后测定该墨浆对可见光的散射能力。高着色强度的炭黑，光吸收系数高而反射率低。着色强度主要反映聚集体的平均体积及其尺寸分布。

绝大多数炭黑的碳含量高于97%，只有少数色素用炭黑的碳含量低于90%。炭黑表面上除了化学结合的氧以外，还有水分、溶剂抽出物、硫、氢和无机盐。吸湿性随表面活性、表面积及无机盐含量的增加而提高。炭黑的溶剂抽出物来自没有完全热解的烃类。炭黑的含硫量取决于原料含硫的多寡。无机盐主要来自工艺过程的急冷水和造粒水。

分类

各种炭黑的分类常常涉及其生产方式，如槽黑、炉黑和热裂黑等。也可按用途分类，如橡胶用炭黑和色素用炭黑等。炭黑品种的命名原则是在生产和使用过程中逐渐形成的。最初，以炭黑特性和生产方式的英文词汇的缩写字母表示，如以HAF表示高耐磨炉黑，以MCC表示中色素槽黑。美国试验和材料学会（ASTM）颁布了一种命名系统，主要规定了橡胶用炭黑的命名原则。ASTM命名系统已被世界各国所接受。它是由一个字母和三个数字组成，字母表明炭黑表面性质对橡胶加工过程的影响，以N表示正常硫化的品种，以S表示缓慢硫化的品种。字母后面的第一个数字表示炭黑的粒子大小。以电子显微镜法测定的平均粒径为依据，把所有炭黑的粒径范围分为10个等级，最细的为0而最粗的为9。其余后两个数字用以区别炭黑结构和使用性能方面的差异。如超耐磨炉黑可表示为SAF或N110；高耐磨炉黑表示为HAF或N330；高耐磨高结构炉黑表示为HAF-HS或N347；半补强炉黑为SRF或N770等。易混槽黑则表示为EDC或S300。

应用

主要用作橡胶的补强剂和填料，其消耗量约为橡胶消耗量的一半，橡胶用炭黑占炭黑总量的94%，其中约60%用于轮胎制造。此外，也用作油墨、涂料和塑料的着色剂以及塑料制品的紫外光屏蔽剂。在许多其他制品，如电极、干电池、电阻器、炸药、化妆品及抛光膏中，它也是重要的助剂。

炭黑主要用于橡胶制品，炭黑的粒径越细，其补强性能越优越；炭黑结构度越高，其定伸应力及模量越高。细粒径的补强性品种主要用于轮胎胎面，赋予轮胎优良的耐磨性能。轮胎的其他部位，如胎侧、帘布层、带束缓冲层和内衬层，要求胶料耐曲挠龟裂、耐臭氧氧化、具有良好的回弹性和较低的生热性能，一般选用较粗粒径的半补强型（比表面积低于40m2/g）炉黑。

色素用槽黑广泛用于油墨、涂料和塑料中。油墨、特别是新闻油墨主要使用中色素槽黑。在涂料制造过程中，高色素槽黑赋予高级汽车面漆的黑度和光泽，中色素槽黑用于一般工业涂料。此外，中色素槽黑也常用作聚烯烃的紫外光屏蔽剂，用于提高塑料制品的耐候性。橡胶用槽黑主要用于轮胎特别是越野及工程轮胎的胎面胶，它赋予胎面较高的强度及良好的耐磨性能。

热裂黑主要用于橡胶制品。因粒径粗而补强性能差，仅用于要求最大限度填充增量的场合，如用于制造胶垫、胶管、海绵制品、密封圈、轮胎内衬层、胎圈胶以及绝缘制品等。

全球炭黑工业现状

橡胶工业形势

由于全球炭黑需求的91%与其作为橡胶填料的用途有着密切的联系，所以炭黑市场的走势与橡胶和轮胎工业休戚相关。全世界范围内，每100份橡胶要消耗43份炭黑。除了全世界使用的橡胶总量外，对炭黑的需求还受到橡胶制品结构的影响，特别是轮胎用橡胶与非轮胎用橡胶的百分比。这是由于，与非轮胎橡胶制品相比，平均来说，轮胎胶料需要的炭黑用量较大。归根结底，机动车产量和机动车保有量（即在用车辆数）是轮胎、橡胶和配合材料领域的主要拖动力。其它重要的宏观影响因素包括工业、建筑业消费和消费者的消费状况（尤其是像家用电器之类的耐用品）。

2008年，全世界橡胶消耗总量为2260万吨，从2000年的1800万吨起每年递增2.9%。由于全球经济衰退，在经历2008年下降3.6%和2009年下降5.8%之后，预计从2010年到2015年橡胶消耗量会每年递增2.7%，达到2720万吨。立足于中国和日本的巨大国内市场以及印度、韩国、中国台湾和泰国的国内市场，亚洲是最大的地区性橡胶市场。亚洲垄断着全球的天然橡胶产量。天然橡胶种植集中在印度尼西亚、马来西亚和泰国。中国、印度和越南的种植量在不断增长。1997年，中国超过日本成为亚洲最大的橡胶市场，而在2001年，中国超越美国成为全世界最大的橡胶市场。中国的橡胶需求从2000年到2008年每年递增12.3%。，中国市场在2008年第四季度突然出现下降趋势，一直延续到2009年前几个月。不过，到2009年第二季度，市场开始强劲回升，一直延续到年末。需求估计的2009年的在2008年的水平上超过20%o相反，日本市场估计在2009年下降了24%，原因是日本的轮胎和橡胶市场受到车辆需求急剧下降的影响。亚洲的橡胶需求量估计到2015年会达到1770万吨，主要依靠巨大的中国市场的继续扩大以及印度、印度尼西亚、韩国和泰国等地区市场的稳定增长。特别是印度市场由于受国内需求的刺激，在经济衰退过程的情形相对较好。

北美和欧盟的橡胶需求紧随亚洲之后，两者各占全球需求的15%-16%o这两大市场处于成熟期，受到经济衰退的沉重打击。根据初步测算，北美的橡胶需求与2008年相比，2009年估计下降22%，而欧盟市场估计下降26%。即使在这次下降之前，这两大市场也只有缓慢的增长，因为美国的生产厂商和欧盟的主要经济实体都继续面临来自新兴地区（特别是亚洲）的低成本生产厂商在劳动力密集行业的强烈竞争。欧盟的橡胶需求预计从2008年到2015年每年下降1.2%，尽管这一时期包括2009年的急剧下降和随之而来的从2010年到2015年每年3%的适度增长。这一增长主要是由来自欧盟新成员（波兰、匈牙利、捷克共和国和斯洛文尼亚）的需求拖动的。北美橡胶市场预计到2015年每年下降8.7%，包括2009年的需求急剧下降和随之而来的从2010年到2015年每年小于2%的适度增长。巨大的美国市场会受到持续不断进口的子午线轮胎和橡胶工业制品的影响。这种情形将会打击美国的国内生产，尽管由于对中国的轿车轮胎征收高额进口关税而可能取得某些适度增长。

主要国家概况

到2008年为止，十二大炭黑生产国排名依次是：中国、美国、日本、俄罗斯、印度、韩国、巴西、泰国、德国、法国、意大利和埃及。2008年，这十二个国家总共生产了800万吨炭黑，占全球产量的82%。由于中国、俄罗斯、印度、巴西和泰国的产量大幅度上升，被前十二大炭黑生产国控制的份额稳步增长，从2002年的78%到2006年的80%再到2008年的82%。与2006年的排序相比，印度前移一位取代韩国排在第五，巴西靠前移动两位排名第七，而泰国向前移动一位排在第八。德国从第七位下滑到第九位，而加拿大则挤出了十二强，被排第十二位的埃及取代。2002年，中国的产量仅仅是美国产量的一半多一点，但是到2009年却超出美国产量约40%。美国产量下降是由于在面临轮胎工业重组以及科伦比恩、卡博特和伊沃尼克（Eyonik）等公司生产能力减小的情况下国内需求不旺。相反中国炭黑工业持续扩张和实现现代化，大部分的增长都是为了满足中国轮胎生产快速增长。2009年，卡博特公司在中国天津建成的新厂，同时科伦比恩化学品公司完成了2006年末收购的潍坊炭黑厂的扩建工程。中国的几大炭黑生产厂家也已经扩能，包括黑猫炭黑公司、山西远征化工公司和新星化碳公司等在内。

日本仍然是世界上第三大炭黑生产国，2008年产量总计达814500吨。日本的产量今后不大可能增长太多，因为环保政策和成本因素使其不太可能扩大生产，而日本的最大生产厂商普利司通和东海碳素等公司已经开始在海外（中国和泰国）扩大生产能力。

在希马德里（Himadri）化工、菲利普炭黑（PCB）、高技术碳和大陆碳等公司近期的和计划的扩产工程的基础上，印度的炭黑产量在顺利增长，超过全球平均增长率。由于科伦比恩、伊沃尼克和卡博特等公司扩大生产能力，巴西的炭黑产量近年来已经大幅度增长。由于泰国炭黑、泰国东海碳产品和普利司通等公司扩大生产，泰国作为全球主要的炭黑生产国正在崛起。

炭黑工业展望

从2000年到2008年，全世界炭黑需求量每年递增3.2%，而从2008年到2015年预计每年递增2.3%。2008年；全世界炭黑产量为980万吨，就像汽车和轮胎工业受全球金融危机影响一样，前半年稳步增长而后半年大幅度下降。2009年，全球需求量预计下降8.2%，需求量下跌到900万吨。根据2009年第三季度末的数据，2009年炭黑产量下降得最多的是北美（-22%）、欧盟（-26%）南美（-19%）和东欧（-15%）。在主要生产地区中，2009年只有亚洲炭黑需求大量增长（4.3%），主要是来自中国的强劲增长（22%）和增长较少的印度（5.3%）、泰国（3.9%）。亚洲的增长量被日本（-24%）和韩国（-19%）的大幅度下降抵消。

在经历了2008年第四季度和2009年前两季度的非常疲软之后，全球炭黑市场在2009年七月开始复苏，尽管中国市场在2009年三月已经开始强劲反弹。复苏过程主要是被轿车轮胎（特别是高性能和超高性能领域的）行业拖动，另一方面又受到货车轮胎和橡胶工业制品的持续衰减的负面影响。特种炭黑产品市场仍然相当萧条，尤其是在受建筑业和汽车工业影响较大的那些领域，例如塑料、油漆和涂料等行业。刺激消费，特别是在美国和欧洲大国启动的旧车折现计划（Cashfor Clunk-ersprograms），对这一复苏过程是颇有帮助的。

由于橡胶市场将从经济危机低谷中反弹，2010年出现7.3%的增长，再加上随之而来的从2010年到2015年的3.6%的长期增长，预测2015年全世界炭黑消耗量将达到1150万吨。进展将来自于亚洲，特别是中国、印度、印度尼西亚和泰国的拉动。Notch咨询集团预测，中国的炭黑需求总量在2015年将达到370万吨。随着轿车子午线轮胎产量增大正在成为主要拖动力，中国市场的各个领域正在扩张。由于全球对添加炭黑填料的主要产品的需求不旺，特种炭黑产品市场已经有所滞后。

产业研究报告

《2012-2016年中国炭黑产业深度研究报告》是炭黑领域全面和专业的深度研究报告，报告首先介绍了炭黑的背景知识，包括炭黑的定义分类应用及生产工艺和产品规格技术参数；接着统计了20家国内外炭黑生产企业炭黑产品（硬质炭黑软质炭黑）产能产量销量成本价格利润产值利润率等详细的相关参数，同时统计了这些企业的炭黑产品客户原料产地及企业背景信息，然后对这些企业相关数据进行汇总统计和总结分析，得到中国炭黑企业炭黑产品（硬质炭黑软质炭黑）销量市场份额，中国炭黑需求量及供需关系，中国炭黑2009-2015年产量销量售价成本利润产值利润率等，同时结合下游轮胎市场的现状对炭黑市场供需变化及企业发展策略进行分析，另外还对年产4万吨炭黑项目采用案例分析的模式进行了详细分析和研究，同时对整个炭黑行业的过去，现在和未来进行全面深度的总结。

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