黑色顏料雖然也有幾類不同的品種，如炭黑、石墨、氧化鐵黑、鋼黑、鉻黑、蘇木黑、苯胺黑等，但不論其廣泛性還是實(shí)用性，炭黑是這些類中的主角。

       炭黑主要用于橡膠工業(yè)中作為橡膠的補(bǔ)強(qiáng)劑，一般約消耗整個(gè)炭黑產(chǎn)量的95％左右。其次是油墨工業(yè)，約占4％。其它如涂料等工業(yè)則應(yīng)用甚少，其總消耗量僅占1 ％左右。

       這里主要討淪與油墨、涂料工業(yè)有關(guān)的炭黑、苯胺黑及氧化鐵黑。

    一、  炭    黑

        炭黑是個(gè)一般通稱，它是指在一定的控制條件(如空氣不足等)下，經(jīng)部分燃燒或熱裂解碳?xì)湟后w或氣體(包括固體)而得的粉末狀黑色顏料。

炭黑一般可分為燈黑，乙炔黑，爐黑，槽黑(接觸黑)和熱裂解黑。

油墨、涂料用炭黑亦稱色素炭黑或著色炭黑。

        由于原材料、生產(chǎn)設(shè)備，操作條件等的不同，所以，得到的炭黑的性質(zhì)也就各異。主要表現(xiàn)在顆粒尺寸、表面積(與顆粒大小有關(guān)，如炭顆粒的疏松性等)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(形成鏈和葡萄狀群集的傾向)以及表面化學(xué)性質(zhì)(顏料顆粒表面揮發(fā)物的組成及數(shù)量)等等方面。

       （一）、組成特性

炭黑的組成主要是碳。

    炭黑的物理與化學(xué)性質(zhì)上的差別，主要與碳的純度形式(如金剛石型，石墨型)有關(guān)。顆粒小(從100－5000^)是炭黑的一個(gè)重要特性。表面積可以從6～1100米²／克。炭含量可從83—99％。除了炭以外，炭黑中常含有較多的氫和氧(有的氧化炭黑中的氧含量可高達(dá)15％左右。炭黑的結(jié)構(gòu)差別也隨制造條件等的不同而有很大的差異。

五種主要炭黑的特性斂據(jù)見下表：

 1．炭黑的晶態(tài)。炭黑一般顯示出在石墨晶體和無定形炭之間的中間態(tài)晶性。炭黑是次晶體炭(也常稱為微結(jié)晶炭)，所謂次晶體的意義就是，炭黑微粒在小區(qū)域內(nèi)具有晶體結(jié)構(gòu)，但各晶體不按正規(guī)的平面對齊，它們之間各自有偏移。

        電子顯微鏡研究表明，扶黑原始聚集中的層平面定向作用，在性質(zhì)上比之小團(tuán)的單個(gè)雛晶來是屬于仲晶型(Paracrystalline)。由于這些原始的聚集，才使它呈現(xiàn)出扭彎形石墨層的連續(xù)網(wǎng)狀，它也表現(xiàn)出像石墨一樣的內(nèi)層空間，但是沒有任何單個(gè)的晶形單元，層之間也顯示出巨大的彎曲性。

        石墨是碳元素的穩(wěn)定晶型，其它的兩種就是金剛石和炭。金剛石屬間穩(wěn)定型，有一個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)，故質(zhì)地堅(jiān)硬。石墨和炭黑的結(jié)構(gòu)則比較復(fù)雜，它們的晶型均是稠C₆環(huán)的平行(面)層。正常的石墨結(jié)構(gòu)的平面層距為3．3538 A^，其碳原子從不疊在其它鄰近平面的上邊。而炭黑的平面層距則為3．44 A^，且大多彼此錯(cuò)綜相疊。

        石墨一般屬于六方晶系，但有時(shí)在機(jī)械處理(如研磨)后，部分可轉(zhuǎn)變成菱型晶系。

        石墨一般是有規(guī)則的ABA型堆積，而炭黑的平面層是圍繞其垂直線成不規(guī)則定向堆積的，大多是葉輪式層積(Turbostratic)結(jié)構(gòu)的形式。

        根據(jù)對炭黑進(jìn)行X線衍射分析后得到的微型結(jié)構(gòu)，可假設(shè)顆粒中的雛晶彼此是以單平面或組織比較差的碳相連接的，一般認(rèn)為雛晶的層平面是與表面平行的。

        2．炭黑的顆粒尺寸。炭黑的顆粒(原生微粒)大小不都是一樣的，但它們的形狀基本上是球狀體。除了熱裂解炭黑可看到是單個(gè)球形組成外，大多是以聚集或熔融的基本顆粒狀態(tài)存在的。

        一般說炭黑的顆粒直徑為200 A^時(shí)，約含l000個(gè)結(jié)晶。

        電子顯微鏡，氮吸收法，碘吸收法等均可用來測定炭黑的顆粒尺寸。

        炭黑的平均顆粒為100 A^(例如高價(jià)的槽法色素炭黑)至5000 A^(例如低價(jià)的熱裂解炭黑)之間。

        炭黑的顆粒大小與著色力指數(shù)和黑度指數(shù)的關(guān)系是：炭黑的顆粒越小則黑度越好，著色力也越高。

        在同一類中，細(xì)顆粒的炭黑色相偏向棕色，大顆粒的炭黑色相偏向藍(lán)色。

        顆粒尺寸低于200 A^時(shí)，著色力慢慢變小而黑度指數(shù)卻很快上升。在200 A^處的著色力可以認(rèn)為是在白顏料和小顆粒炭黑之間增加了顆粒尺寸差別的緣故。小顆粒的炭黑被大顆粒的白顏料遮住了。

這說明黑度指數(shù)雖與著色力有關(guān)，但在一定的顆粒情況下卻又不對應(yīng)。試驗(yàn)表明兩種顆粒大小不同的炭黑拼混在一起時(shí)，小顆粒炭黑達(dá)到40％的情況下，黑度才見上升。而低于此數(shù)時(shí)，黑度并不見效。

一般說，顆粒尺寸減小，則表面積增加。此表面積與黑度的關(guān)系是以大顆粒炭黑配制的分散體，其觸變傾向較小。

      3．炭黑的結(jié)構(gòu)。所謂結(jié)構(gòu)這個(gè)術(shù)語，是用以敘述炭黑形成不同的鏈和葡萄狀聚集的傾向的。這種結(jié)構(gòu)力來自顆粒間的弱物理吸引以至化學(xué)鍵合。

        炭黑的結(jié)構(gòu)水平是通過它的吸油量測定來得到的。也可以從比容的可壓縮性能或電子顯微鏡的比率來得到。

        由于根據(jù)電子顯微鏡觀察，知道了一些特性，有些炭黑就可被定為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，  并確定其結(jié)構(gòu)指數(shù)為100。炭黑的結(jié)構(gòu)指數(shù)值與吸油量值，就可根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出來了。

        大部分吸油量的測定還是采用古得瑞奇(Goodrich)法，近年來巳應(yīng)用DBP(苯二甲酸二丁酯)自動(dòng)吸收儀了。

        從高結(jié)構(gòu)炭黑和低結(jié)構(gòu)炭黑的電子顯微圖，可見高結(jié)構(gòu)炭黑具有比較多而大的鏈狀聚集體，低結(jié)構(gòu)炭黑則不然，比較分散。

        雖然與黑度關(guān)系最大的因素是炭黑的顆粒尺寸，但次要因素卻是它的結(jié)構(gòu)指數(shù)。當(dāng)顆粒尺寸不變時(shí)，由于隨著結(jié)構(gòu)的增大而使炭黑的表面積減少，黑度的降

低就與此點(diǎn)有關(guān)。

        炭黑的結(jié)構(gòu)增大(高)，則粘度增加。在炭黑的顆粒尺寸和揮發(fā)物相等的情況下，其結(jié)構(gòu)增大，則粘度隨之上升。

        結(jié)構(gòu)增大則印品的蹭臟性能亦增強(qiáng)，這就是說顆粒大的炭黑蹭臟性能比較小。 

        下表指出了低結(jié)構(gòu)炭黑與高結(jié)構(gòu)炭黑的一些應(yīng)用性能方面的差別。

        4．炭黑的表面化學(xué)。油墨工業(yè)一般采用(1)含氧量低，pH值呈中性的爐黑以及(2)揮發(fā)水平高，pH值呈酸性的槽黑。后者歷來是在高溫的空氣中氧化的，這不僅能使表面增加化學(xué)結(jié)合氧，也可使表面增加坑凹。氧化炭黑也叫活性炭黑。

        炭黑的每平方米表面積上有10×10^－5克以上的氧時(shí)(以氮吸收－BET法測定)，一般稱為高氧化炭黑。

        經(jīng)過氧化而無多孔性表面的爐黑，是在比較低的溫度下用化學(xué)法氧化而成的。除了沒有多孔性以外，它的揮發(fā)物也不同(具有較多的羧基團(tuán)，比熱氧化的酸性大)。

        炭黑的表面除了氧以外，尚有氫、醌、氫醌、羧酸、硫、氮等基團(tuán)。炭黑的這些表面揮發(fā)物影響著它在各種聚合物中的流變性、潤濕性以及粘附性能等等。

        從化學(xué)氧化法生產(chǎn)的炭黑的流動(dòng)性和揮發(fā)分的百分含量之間的關(guān)系，可以看出，流動(dòng)隨三種情況而發(fā)生：表面揮發(fā)分在3．5％或3 ×10^－4克／平方米時(shí)，不會(huì)有任何流動(dòng)性發(fā)生。當(dāng)每克炭黑的120平方米的表面上揮發(fā)物達(dá)到4％(這代表總表面的約70)時(shí)，就開始流動(dòng)。隨著揮發(fā)分增加到6％(即代表100％表面)，流動(dòng)性就迅速升高。

        表面惰性的炭黑對聚合物相的粘附力是比較差的。這種類型的炭黑在連結(jié)料體系中并不能使流動(dòng)增加，顏色表現(xiàn)力差，油墨具有觸變性，不穩(wěn)定。而具有表面活性的炭黑對聚合物相的粘附力就增大了。這種炭黑在油墨體系中具有良好的潤濕性和牢固的結(jié)合力，從而具有著色力強(qiáng)、流動(dòng)性好的特點(diǎn)。

        炭黑的這些不同的特性均會(huì)影響到它的最后的應(yīng)用性能。

        炭黑的品種甚多，規(guī)格亦各異，為了簡化，在油墨工業(yè)中一般把它們分成四類：

        (1)溶劑油墨(柔性凸版和凹版油墨)用炭黑。

        (2)色素(長流動(dòng))炭黑。

        (3)專用炭黑。

        (4)在油墨中作為填料用的炭黑。

        在第(1)類中，由于溶劑型油墨是液體混合物，所以粘度要低、顏料含量不能高。印刷的墨膜比較厚，結(jié)構(gòu)很像磁漆。對吸油量及連結(jié)料的要求，并不像在鉛印墨和膠印墨中那樣嚴(yán)格。也并不強(qiáng)調(diào)炭黑的流動(dòng)性能。故選擇范圍比較廣。  用于膠印和鉛印油墨中的色素炭黑則要求有比較高的著色力和黑度、吸油量低而流動(dòng)度好。用于這類油墨中的炭黑還有一個(gè)吸附干燥劑的問題，而采用低結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，它的吸附能力就比較小，這是由于炭黑的疏松度降低和表面積低的結(jié)果。這就是說，使用低結(jié)構(gòu)炭黑配制的油墨，相對說它只需要比較少的干燥劑和藍(lán)色附加劑就可以了。   

        所謂專用炭黑，主要是指印報(bào)用的新聞?dòng)湍锰亢?。因?yàn)樗烧既坑湍锰亢诘?/SPAN>70％，故消耗量是高的，但質(zhì)量要求并不高，一般是分散性好的低色素類普通爐炭黑。用這類炭黑配制的油墨具有比較高的相對粘度，這樣，對大多數(shù)疏松的新聞紙來說，滲透性就比較小，印刷效果就較好。其它特種用途的炭黑包

括中等結(jié)構(gòu)的電阻油墨用炭黑，以及電導(dǎo)油墨用的高結(jié)構(gòu)，中色素爐炭黑。

        填料炭黑中包括顆粒比較粗、顏色比較差的爐炭黑。它們價(jià)賤、吸油量低，顆粒大小一般在500—700 A^之間。因?yàn)榕浞街械囊恍┲饕匦远际怯筛哔|(zhì)量的炭黑所決定的，這種低旋量的炭黑在配方中儀起填料的作用，故名。