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炭黑发展综述-山西色素炭黑厂

作者:管理员 来源:本站 浏览:1972 发布时间:2014-11-20 11:20:25

炭黑, 发展

统计资料亦表明,在世界范围内,2002年橡胶用炭黑占炭黑消费总量的89.5%,其中轮胎耗用占67.5%,非轮胎汽车橡胶制品耗用占9.5%,其他橡胶制品耗用占12.5%。非橡胶用炭黑耗用占炭黑消费总量的10.5%,其中油墨和涂料耗用占4.7%,塑料行业耗用占4.5%,其余的1.3%用于干电池、电子元件和造纸等方面。
  一、国内外炭黑行业概况

  说到炭黑生产,论技术是美国和日本比较先进;论生产能力,在世界范围内,美国第一,中国第二。论品种,美国硬质炭黑占57%,软质炭黑占35%,非橡胶用炭黑占8%;日本、欧洲和中国的硬质炭黑比例分别为68%、65%和73%。

  美国拥有5家炭黑生产企业,2002年总生产能力为200万吨:卡博特(Cabot)、德固萨工程炭(DegussaEngineeredCarbons)、哥伦比亚(Co—lumbian)、理查德逊(Richardson)和大陆炭(Con—tinetalCarbon);日本也拥有5家炭黑生产企业,2002年总生产能力为77万吨,东海炭(TokaiCarbon)、旭炭黑(AsahiCarbon)、三菱化学(Mit—subishiChem)、昭和卡博特,(ShowaCabot)和新日化炭(NipponSteelCarbon)。

  我国目前拥有150万吨的生产能力,是仅次于美国的炭黑生产大国,但却有120多家炭黑生产企业。美国最小的炭黑生产企业是大陆炭公司,其年生产能力为30万吨,占有15%的市场份额。我国最大的外资控股炭黑生产企业是上海卡博特化工有限公司,最大的国有炭黑生产企业是天津海豚炭黑有限公司。上海卡博特化工有限公司是由美国卡博特公司与上海市骨干型化工企业——上海焦化总厂共同投资兴建的一家生产经营高品质轮胎及橡胶用炭黑的专业工厂。待第三条生产线投产后,该公司每年可向市场提供13万吨各种规格的优质炭黑。天津海豚炭黑有限公司目前拥有年生产能力7.5万吨。投资分散、企业规模小是我国炭黑行业的特点。除提高生产装备水平,加快技术进步外,优胜劣汰、整合重组将会是未来数年间中国炭黑行业应当演绎的主题。

  二、炭黑的4个发展阶段---目前已步入第4阶段

  1、第1个发展阶段特点

  炭黑的第1个发展阶段是1912年~1929年。炭黑对橡胶工业而言,基本上是作为天然橡胶的补强填充剂来利用的。主要品种有以天然气为原料的槽法炭黑和热裂解炭黑两种。槽法炭黑因补强效果好而占据主导地位。这一阶段特点是:炭黑消费量不大,品种单调。

  2、第2个发展阶段特点

  炭黑的第2个发展阶段是1929年~1980年期间。合成橡胶已大规模商品化,炭黑工业的面貌也随之发生巨大的变化。体现在三个方面:(1)为了满足合成橡胶配方的需要,人们开发出许多新的炭黑品种(汽炉法炭黑、油炉法炭黑、新工艺炭黑);(2)电子显微镜的发明,使炭黑研究人员得于观察到炭黑粒子的细微结构,为炭黑新品种开发创造了先决条件;(3)天然气槽法炭黑逐渐退出橡胶应用领域。这个发展阶段的特点是:炭黑消费量以惊人的速度增长,品种繁多。

  3、第3个发展阶段及其特点

  炭黑的第3个发展阶段是1980年~2000年期间。全球轮胎子午化以及轮胎由斜交结构向子午线结构的转变推动炭黑进入第3个发展阶段。炭黑生产商加大科技投入,改进反应炉型,开发应用湿法造粒、DCS控制等先进的工艺技术;同时,轮胎生产自动化程度日益提高,气力输送进料装置普遍使用,对湿法造粒炭黑的需求量随之增大。这个发展阶段的特点是:炭黑向高性能、优质化的方向发展。

  4、第4个发展阶段及其特点

  在世界轮胎工业进入2l世纪后,随着高性能/超高性能轮胎、抗水滑轮胎、低滚动阻力轮胎(绿色轮胎)、智能轮胎、跑气保用轮胎的出现,炭黑迎来了第4个发展阶段。在该阶段,为了满足轮胎工业的独特需求,炭黑在保持补强、增韧、耐磨等特色的同时,出现了低滞后炭黑、炭黑—白炭黑双相填充剂、纳米结构炭黑等新品种。这个发展阶段的特点是:炭黑向绿色环保、多功能化的方向发展。

  三、绿色轮胎挑战普通轮胎----吹响炭黑新一轮技术革命的号角

  据介绍,绿色轮胎比普通轮胎降低滚动阻力22%~35%,节油3%~8%,其他性能如耐磨耗、低噪音、干湿路面抓着力等保持良好水平。因为绿色轮胎集中体现了“推行环保节能,促进全球经济持续发展”的历史潮流,所以深受各界人士的赞赏和欢迎。统计数据表明,1997年绿色轮胎在欧洲乘用轮胎市场的占有率已达到60%,2002年进一步上升到90%,见表1。

  表1绿色轮胎在采用轮胎市场的占有率

  百分比  地域1992年  1997年  2002年

      欧洲  5    60    90

      北美  0    5    20

  绿色轮胎的关键技术在于:(1)减少轮胎质量;(2)减少复合材料的能耗(滞后损失)。资料分析表明绿色轮胎采用了特种溶聚丁苯橡胶(SSBR)配合“白炭黑+硅烷偶联剂”填料体系,而且白炭黑的用量超出常规值许多。使得在不损害胎面耐磨耗性能的同时,降低轮胎的滚动阻力,提高轮胎的抗湿滑性能。

  1997年欧洲地区乘用轮胎胎面胶中,炭黑被白炭黑替代的量为8万~10万吨,相当于正常炭黑总用量的65%;2000年炭黑被白炭黑替代的量增长到80%,预计2005年可达到85%以上。

  但是制造绿色轮胎时,白炭黑必须与硅烷偶联剂并用,这不仅增大轮胎的生产成本,而且某些硅烷偶联剂具有低毒性,不符合“绿色工业”准则。此外,相对于炭黑,白炭黑还存在如下缺点:(1)填充胶料时混入困难,增大加工成本;(2)有吸附硫化体系中的配合剂的倾向,往往需要调整配方;(3)橡胶制品的磨耗和强度略低;(4)导电性差,在胎面易产生静电。

  因此研究人员反过来研究:通过让炭黑具有白炭黑的某些性质,既开发与白炭黑性能类似的炭黑品种,或者使炭黑与白炭黑结合生成新的补强填充剂。

  世界主要的炭黑生产商已经在进行此类研究并取得成果。美国卡博特公司采用专利技术生产的第二代炭黑一白炭黑双相填充剂CS—DPF4210由于具有“两高一低”的特点而被喻为新一代补强材料。所谓“两高”即炭黑微区表面活性高、白炭黑表面覆盖率高;“一低”即硅烷偶联剂用量低。胎面胶填充CSDPF4210后,能够在滚动阻力、耐磨耗和抗湿滑之间达到总体令人满意的均衡性能,而且生产成本比使用单纯的白炭黑士硅烷偶联剂要低,所以CSDPF4210现已成为绿色轮胎极佳的备选补强性填料。

  另一方面,最近的研究亦表明,在优化胎面胶性能方面,炭黑还有许多发展余地,其优势还未完全挖掘出来。一些经过改良的炭黑品种(譬如低滞后炭黑、纳米结构炭黑等)在降低轮胎滚动阻力,提高湿路面抓着力方面具有与白炭黑相同的效果就是一个很好的例子。

  绿色轮胎引发了新一轮的炭黑技术革命,炭黑今后的研究方向将是增强填料一聚合物间的相互作用,减少填料一填料间网络的生成,提高表面活性,通过某些先进的技术或方法引进硅元素,使炭黑有选择性地具有白炭黑的某些优点。

  四、炭黑新理论提出---传统生产工艺面临革新

  众所周知,在全球炭黑总产量中,现阶段有99%的炭黑是用已有60年历史的热裂解碳氢化合物技术生产的。原料在反应炉内不完全燃烧,产出物只占原料的35%一65%%,其中超过50%的原料变成C02被浪费掉,而且这种生产工艺对环境有害,排放物除C02外还有Sox和NOx0对炭黑工业而言,是到了需要一种绿色环保的高效生产工艺的时候了。

  最近几年间,法国米卢斯大学(UniversityofMulhouseinFrance)琼巴普蒂斯特?多纳特教授和法国罗马Trellebory车轮公司(TrelleborgWheelSystems)弗兰科?卡泰尔多工程师将最近20年来碳科学领域的新理论应用于炭黑领域,已开发出两种新的炭黑生产工艺”。

  1、等离子工艺

  等离子工艺是通过利用氧或氢等离子体使碳氢化合物转化成炭黑,具有成本低,经济效益显著,产品达到纳米级等优势。据介绍,该项技术对原料的适应性非常好,任何能够放出足够能量的碳氢化合物(如废油、植物油等)均可考虑作为原料使用,显然这将有助于减缓炭黑行业目前所承受的与日俱增的原料短缺压力。

  在被称为法国“硅谷”的索费亚安地波利斯,多纳特教授和助手们己建立起一间中试工厂,虽然目前开机一次只生产若干公斤等离子法炭黑,但该厂在设计时对生产能力适应产业化有充分的考虑。

  利用等离子工艺生产的炭黑含有3种纳米结构:(1)炉法工艺产生的粒子结构;(2)类似于高温工艺(乙炔炭黑)产生的粒子结构;(3)新结构,亦即现有工艺无法产生的粒子结构。

  虽然在中试阶段取得了预期效果,但专家们认为推广等离子工艺的时间表目前还很难确定。首次产业化可能选在欧洲,因为该地区比较重视环境保护。同时,专家亦提醒大家,等离子工艺炭黑的首次工业应用将会是成本很高的,而且不一定是应用于橡胶工业,但随着这一过程的逐渐优化和完善,应用于广大橡胶市场领域的材料终究出现

  2、伽玛射线工艺

  卡泰尔多和助手们在用喇曼光谱对石墨进行研究时发现,经伽玛射线照射的石墨有新的峰值出现,该峰值与富勒烯的相吻合。卡泰尔多认为,是伽玛射线打破了石墨单晶体的完美结构。众所周知,石墨单晶体是由六角碳环构成,呈六方板状。,问题是只要“引进”1个戊环,六方板就会发生弯曲;如果“引进”4个戊环,弯曲就会很大。伽玛射线所起的作用就是“引进缺陷”,从而打破六方板的完美状态,使之向富勒烯结构转变。经伽玛射线照射后的石墨出现相似于富勒烯的峰值,证明石墨已经向富勒烯转变,所以具有富勒烯的特性。

  如果石墨经射线照射可以生成富勒烯,那么我们有理由相信,卡泰尔多的“引进缺陷”理论可以应用于炭黑生产。为说明这一点,卡泰尔多列举了多种存在于炭黑中的类富勒烯结构,譬如炭黑TEM(电子透射显微镜)照片上的洋葱头状结构,采用富勒烯套富勒烯(fullereneswithinfullerenes)的结构模型来解释就比较合理。

  五、第4个发展阶段面临诸多冲击-----乐观期待能再一次迈进

  自从发现对橡胶的补强作用,炭黑就成为了橡胶工业不可缺少的原材料。经过92年的发展,炭黑迎来了第4个发展阶段。在21世纪炭黑会发生怎样的变化呢?我们会用一种全新的工艺方法来生产炭黑吗?答案是“有可能”。随着高性能/超高性能轮胎、跑气保用轮胎、抗水滑轮胎、低滚动阻力轮胎(绿色轮胎)、智能轮胎等新产品的出现,给炭黑带来了冲击,也带来了创新的思路和契机。勿庸置疑,炭黑将在保持补强、增韧、耐磨等传统特色的同时,由高性能、优质化向更高的目标——绿色环保、多功能迈进。

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