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Kohlenstoffschwarz ist ein amorphes Schwarz Pulver bestehend aus Kohlenstoff. Es wird hauptsächlich durch unvollständige Verbrennung oder thermisches Cracken organischer Stoffe (wie Erdgas, Schweröl, Teer, etc.) unter unzureichenden Luftbedingungen hergestellt. Seine Partikel sind äußerst fein, und die Partikelgröße liegt üblicherweise zwischen 5 Nanometern und 500 Nanometern. Es hat eine große spezifische Oberfläche (10-3000 m²/g) und eine einzigartige Ketten- oder Traubenartige Aggregatstruktur. Kohlenstoffschwarz wird aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts (über 95%) und eines kleinen Anteils an Sauerstoff, Wasserstoff, Schwefel und anderen Elementen in Gummi, Kunststoffen, Tinten, Beschichtungen und anderen Industriebereichen weit verbreitet verwendet.

Grundlegende Eigenschaften von Kohlenstoffschwarz

Die wichtigsten Eigenschaften von Kohlenstoffschwarz sind Partikelgröße, Struktur und Oberflächenmerkmale. Sie haben einen bedeutenden Einfluss auf die Verarbeitungseigenschaften und die Verstärkungseffekte von Gummi.

Partikelgröße

Die Partikelgröße von Kohlenstoffschwarz bezieht sich auf die Größe der Primärpartikel. Die durchschnittliche Partikelgröße von Kohlenstoffschwarz für Gummi liegt üblicherweise zwischen 11 und 500 Nanometern. Je kleiner die Partikelgröße, desto größer die spezifische Oberfläche, desto größer die Kontaktfläche zwischen Kohlenstoffschwarz und Gummi und desto aktiver die Punkte. Dadurch wird die chemische Bindung und die physikalische Adsorptionskapazität verbessert und der Verstärkungseffekt gesteigert. Die Partikelgröße wird durch den Herstellungsprozess beeinflusst. Zum Beispiel führt im Ölofenverfahren eine höhere Zerstäubungsgrad, eine höhere Ofentemperatur, ein höheres Luft-Öl-Verhältnis und eine schnellere Luftströmungsgeschwindigkeit zu kleineren Kohlenstoffschwarzpartikeln.

Struktureigenschaften

Die Struktureigenschaft von Kohlenstoffschwarz bezieht sich auf die Komplexität der Primärstruktur, also die räumliche Aggregation, die durch chemische Bindungen zwischen Primärpartikeln gebildet wird. Die Primärstruktur ist stabil und stellt die kleinste dispergierte Einheit im Gummi dar. Mehrere Primärstrukturen werden durch Van-der-Waals-Kräfte weiter aggregiert, bilden jedoch während der Verarbeitung leicht zerstörbare Sekundärstrukturen. Je komplexer die Struktur, desto mehr Verzweigungen und größere innere Hohlräume, desto stärker ist die Absorptions- und Speicherfähigkeit auf Gummi und desto besser die Verstärkungseigenschaften.

Oberflächenmerkmale

Die Oberflächenmerkmale von Kohlenstoffschwarz umfassen Oberflächenrauheit und chemische Eigenschaften. Nanokleine Poren auf der Oberfläche der Partikel verringern die effektive Kontaktfläche und beeinflussen den Verstärkungseffekt. Im Allgemeinen ist die Oberfläche von Kanal-Kohlenstoffschwarz am rauesten, während die Oberfläche von Ofen- und thermisch gespaltenem Kohlenstoffschwarz glatter ist. Die Rauheit kann mittels Elektronenmikroskopie oder Stickstoffadsorption gemessen werden.

Die chemischen Oberflächenmerkmale von Kohlenstoffschwarz stammen hauptsächlich von seinen sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen (wie Carboxyl, Hydroxyl, Phenol, Quinon, Lacton) und freien Radikalen. Diese Strukturen verleihen ihm eine gewisse chemische Aktivität und verbessern seine Bindungsfähigkeit mit Gummi. Je stärker die chemische Aktivität, desto deutlicher der Verstärkungseffekt von Kohlenstoffschwarz. Die elementare Zusammensetzung von Kohlenstoffschwarz besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff (90-99%), enthält eine kleine Menge an Sauerstoff, Wasserstoff, Schwefel und Asche und weist aromatische Struktureigenschaften auf.

Fünf Eigenschaften von Kohlenstoffschwarz

Verstärkungseffekt: Es kann die Zugfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Alterungsbeständigkeit von Gummi verbessern. Kohlenstoffschwarz macht 20-70% in Reifen aus;

Farbgebungseigenschaften: Es hat eine hohe Schwarzheit und eine starke Witterungsbeständigkeit. Es ist das Kernschwarzpigment von Tinten und Beschichtungen;

UV-Schutz: Es absorbiert ultraviolette Strahlung und wird in Kunststoffen und Beschichtungen verwendet, um die Lebensdauer der Produkte zu verlängern;

Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit: Die Leitfähigkeit von Acetylen-Kohlenstoffschwarz ist der von Graphit ähnlich. Die Wärmeleitfähigkeit von Gummi mit Kohlenstoffschwarz ist deutlich verbessert;

Umweltabsorption: Die hohe spezifische Oberfläche ermöglicht es, eine Adsorptionsrolle bei der Abgasreinigung und Wasserbehandlung zu spielen

Vielfältige Anwendungsbereiche von Kohlenstoffschwarz

1. Gummiindustrie (Kernanwendung)
   Reifenherstellung: Verbesserung der Verschleißfestigkeit, Reduzierung des Rollwiderstands, Hochleistungsreifen enthalten einen höheren Anteil an Kohlenstoffschwarz.
   Dichtungsmaterialien: Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften und Anti-Aging-Leistung, Verwendung in Luft- und Raumfahrt sowie im Maschinenbau.
2. Kunststoffe und Beschichtungen
   Kunststoffmodifikation: Färbung, Antistatik, UV-Schutz, häufig in Form von Masterbatch zugesetzt.

Beschichtungsverbesserung: Verbesserung der Schwarzheit, chemischer Korrosionsbeständigkeit und Haftung.

3. Tinten und Elektronik
   Druckertinte: Pigment-Kohlenstoffschwarz bestimmt die Schwarzdichte und Druckqualität.

Elektronikprodukte: Verwendung für Anti-Reflex-Schichten auf Bildschirmen und leitfähige Batteriematerialien.

4. Umweltschutz und Energie
   Adsorbens: Behandlung organischer Abgas- und Schwermetall-Wasserabfälle.

Batterietechnologie: Als leitfähiges Material für Elektroden zur Verbesserung der Zykluslebensdauer.

5. Spezialgebiete
   Silikonprodukte: Verbesserung der Zugfestigkeit von Fasern und Haltbarkeit von Dichtungsmaterialien.

Militär und Luft- und Raumfahrt: Dichtungs- und leitfähige Komponenten, die extremen Umgebungen widerstehen

Fazit

Kohlenstoffschwarz spielt aufgrund seiner hervorragenden Verstärkungs-, Farb- und Leitfähigkeitseigenschaften eine wichtige Rolle in verschiedenen Branchen. Seine Partikelgröße, Struktur und Oberflächenmerkmale beeinflussen direkt die Produktleistung und machen es zu einem wesentlichen Zusatzstoff in Gummi, Kunststoffen, Beschichtungen und darüber hinaus.

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