1. 基础定义
炭黑（CAS：1333-86-4）是烃类在控温缺氧条件下不完全燃烧 / 高温裂解得到的纳米级无定形碳微粉，碳纯度 95%–99.7%，含微量氧、氢、硫；原生粒子 10–500 nm，球状颗粒熔结成链状、葡萄状聚集体，是工业用量最大的碳素功能填料。
2. 发展历史
- 古代天然制取（公元前 1500 年起） 中国、古埃及最早利用植物油、树脂熏烧收集灯烟炭黑，制成墨锭、书画颜料，沿用两千余年，属于灯黑工艺。
- 近代工业化起步（19 世纪末） 1892 年槽法炭黑问世，以天然气为原料，产出超细色素炭黑，用于印刷油墨；但产率极低、污染严重。
- 橡胶补强革命（1904 年关键突破） 科学家发现炭黑可大幅提升橡胶耐磨、抗撕裂强度，伴随汽车轮胎产业爆发，炭黑成为轮胎核心原料。
- 现代主流工艺（1947 年油炉法量产） 重油 / 煤焦油炉法炭黑投产，产能、成本、性能全面优化，占据全球 90% 以上产能；后续衍生热解法、乙炔炭黑等特种工艺。
- 当代高端拓展（21 世纪至今） 导电炭黑、高色素炭黑、电池专用炭黑快速发展，应用从传统橡胶延伸至新能源、电子、电磁屏蔽、催化载体领域。
3. 核心材料特性
（1）微观结构特性
- 纳米原生颗粒，超高比表面积（10–1500 m²/g）；
- 链状聚集体形成三维网络结构，决定补强、导电能力；
- 表面携带羧基、酚羟基等含氧官能团，提升与橡胶、树脂的相容性。
（2）光学特性
- 近乎完全吸光，黑度、着色力、遮盖力全球最优工业黑色颜料；
- 强紫外吸收能力，可将紫外线转化为热能，抵御高分子老化。
（3）力学补强特性（橡胶核心价值）
填充橡胶后显著提升：拉伸强度、撕裂强度、耐磨耗、抗屈挠、抗压缩永久变形；普通轮胎约 25% 重量为炭黑。
（4）电学特性
可控导电性能：低添加量即可形成连续导电通路，分抗静电、导电、高导电等级，适配防静电、电极、储能材料。
（5）化学与热稳定
常温化学惰性，耐酸碱、耐候；3000℃长时间加热可转化为石墨；不溶于水、普通有机溶剂。
4. 应用场景
（1）橡胶工业（全球 70%–85% 消费量）
- 轮胎：胎面高耐磨炭黑、胎侧半补强炭黑，延长行驶里程、抗老化；
- 橡胶制品：胶管、输送带、密封件、鞋底、减震垫，提升耐磨与耐候。
（2）着色领域（色素炭黑）
- 油墨：印刷油墨、数码打印、中性笔墨水，高黑度、高分散；
- 涂料 / 油漆：工业面漆、汽车漆、防腐涂料、建筑外墙；
- 塑料色母粒、黑色塑料制品、农膜（同时防紫外线老化）。
（3）导电 / 新能源功能材料
- 锂电池、超级电容器导电剂，构建电子传输网络，提升快充与循环寿命；
- 防静电塑料、导电电缆屏蔽层、电子元器件电阻、电磁吸波材料；
- 干电池、燃料电池电极载体。
（4）其他细分场景
催化剂载体、抛光膏、特种密封、食品级植物炭黑（食用着色 E153）、化妆品、军工吸波材料。
Carbon Black
1. Basic Definition
Carbon Black (CAS: 1333-86-4) is nano-sized amorphous carbon powder produced by controlled incomplete combustion or thermal pyrolysis of hydrocarbons under oxygen-deficient high-temperature conditions. Its carbon purity ranges from 95% to 99.7%, with trace oxygen, hydrogen and sulfur. Primary particles are spherical (10–500 nm), fused into chain-like or grape-shaped aggregates. It is the most widely used carbon functional filler in modern industry.
2. Development History
- Ancient manual production (1500 BC onwards) Ancient China and Egypt collected lamp black from incomplete combustion of plant oils and resins for ink and painting pigments, a technique lasting over 2,000 years.
- Early industrialization (late 19th century) Channel black was invented in 1892 using natural gas feedstock, yielding ultra-fine pigment carbon black for printing inks, yet with extremely low yield and heavy pollution.
- Rubber reinforcement breakthrough (1904) Researchers discovered carbon black drastically improves rubber’s abrasion and tear resistance. The booming automotive tire industry turned carbon black into an indispensable raw material for tires.
- Dominant modern furnace process (mass production in 1947) Oil furnace carbon black using heavy oil/coal tar was commercialized, optimizing output, cost and performance, accounting for over 90% of global capacity. Special grades like thermal black and acetylene black were later developed.
- High-end new applications (21st century) Conductive black, high-pigment black and battery-grade carbon black matured rapidly, expanding usage from traditional rubber to new energy, electronics, electromagnetic shielding and catalyst carriers.
3. Key Material Properties
(1) Microstructural traits
- Nano primary particles with ultra-high specific surface area (10–1500 m²/g);
- Chain aggregates form 3D networks that control reinforcement and conductivity;
- Surface oxygen-containing groups (carboxyl, hydroxyl) enhance compatibility with rubber and resins.
(2) Optical performance
Nearly full light absorption, delivering the highest blackness, tinting strength and hiding power among industrial black pigments; powerful UV absorption converts UV radiation into heat to prevent polymer degradation.
(3) Mechanical reinforcement (core value for rubber)
When blended with elastomers, carbon black greatly boosts tensile strength, tear resistance, abrasion resistance, flex resistance and anti-compression deformation. Standard tires contain ~25 wt% carbon black.
(4) Electrical conductivity
Tunable conductive grades form continuous conductive networks at low dosage, ranging from antistatic to highly conductive, for static elimination, electrodes and energy storage.
(5) Chemical & thermal stability
Chemically inert at room temperature, acid/alkali and weather resistant; graphitizes after long heating at 3000°C; insoluble in water and common organic solvents.
4. Application Fields
(1) Rubber industry (70%–85% global consumption)
- Tires: High-abrasion black for treads, semi-reinforcing black for sidewalls, extending service life and anti-aging performance;
- Rubber goods: Hoses, conveyor belts, gaskets, shoe soles, vibration dampers.
(2) Pigment industry (pigment carbon black)
- Inks: Printing ink, digital printing, gel pen ink with superior blackness and dispersion;
- Coatings: Automotive paint, anti-corrosion coating, exterior architectural paint;
- Plastic masterbatch, black plastic products, agricultural UV-resistant films.
(3) Conductive & new energy materials
- Conductive additive for lithium-ion batteries and supercapacitors, accelerating electron transport and improving fast-charging & cycle stability;
- Antistatic plastics, conductive cable shielding, electronic resistors, electromagnetic wave absorbers;
- Electrode carriers for dry batteries and fuel cells.
(4) Other niche uses
Catalyst supports, polishing pastes, food-grade vegetable carbon black (colorant E153), cosmetics, military radar absorbing materials.
Le noir de carbone
1. Définition de base
Le noir de carbone (CAS : 1333-86-4) est une poudre microcristalline de carbone amorphe nanométrique, obtenue par combustion incomplète contrôlée ou pyrolyse thermique des hydrocarbures à haute température en milieu pauvre en oxygène. Sa pureté en carbone varie de 95 % à 99,7 %, avec des traces d’oxygène, d’hydrogène et de soufre. Ses particules primaires sphériques mesurent 10 à 500 nm, fusionnées en agrégats en forme de chaînes ou de grappes. C’est la charge fonctionnelle carbonée la plus consommée dans l’industrie moderne.
2. Historique du développement
- Fabrication artisanale antique (à partir de 1500 av. J.-C.) La Chine et l’Égypte antiques collectaient du noir de lampe issu de la combustion incomplète d’huiles végétales et de résines pour fabriquer de l’encre et des pigments picturaux, procédé utilisé pendant plus de 2000 ans.
- Début de l’industrialisation (fin du XIXᵉ siècle) Le noir au tunnel a été inventé en 1892 à partir de gaz naturel ; il fournissait un noir de carbone pigmentaire ultrafin pour les encres d’imprimerie, mais avec un rendement très faible et une forte pollution.
- Révolution du renforcement caoutchouteux (percée de 1904) Les scientifiques ont découvert que le noir de carbone améliore drastiquement la résistance à l’abrasion et à la déchirure du caoutchouc. L’essor de l’industrie des pneumatiques automobiles a fait du noir de carbone une matière première indispensable pour les pneus.
- Procédé au four dominant (production massive depuis 1947) Le noir de four à huile, élaboré à partir de fuel lourd ou de goudron de houille, a été industrialisé, optimisant rendement, coût et performances ; il représente aujourd’hui plus de 90 % de la production mondiale. Des qualités spécialisées (noir thermique, noir d’acétylène) ont été développées par la suite.
- Applications haut de gamme (XXIᵉ siècle) Le noir conducteur, le noir à haut pouvoir pigmentaire et le noir spécial pour batteries se sont rapidement perfectionnés. Le champ d’usage s’étend du caoutchouc traditionnel aux énergies nouvelles, l’électronique, le blindage électromagnétique et les supports de catalyseurs.
3. Principales propriétés matérielles
(1) Caractéristiques microstructurales
- Particules primaires nanométriques avec une surface spécifique extrêmement élevée (10–1500 m²/g) ;
- Les agrégats en chaîne forment des réseaux tridimensionnels qui régulent le renforcement mécanique et la conductivité électrique ;
- Des groupements oxygénés (carboxyle, hydroxyle phénolique) en surface améliorent la compatibilité avec le caoutchouc et les résines.
(2) Propriétés optiques
Absorption quasi totale de la lumière, offrant le plus haut degré de noirceur, pouvoir colorant et pouvoir couvrant parmi les pigments noirs industriels ; forte absorption UV qui transforme le rayonnement ultraviolet en chaleur pour protéger les polymères du vieillissement.
(3) Renforcement mécanique (atout majeur pour le caoutchouc)
Mélangé aux élastomères, le noir de carbone augmente fortement la résistance à la traction, à la déchirure, à l’abrasion, au fléchissement et à la déformation permanente par compression. Un pneu classique contient environ 25 % en masse de noir de carbone.
(4) Conductivité électrique modulable
Des qualités à conductivité ajustable forment des réseaux conducteurs continus à faible dosage, allant de l’antistatique au hautement conducteur, adaptés à l’élimination des charges statiques, aux électrodes et au stockage énergétique.
(5) Stabilité chimique et thermique
Inerte chimiquement à température ambiante, résistant aux acides, aux bases et aux intempéries ; se graphitise après chauffage prolongé à 3000 °C ; insoluble dans l’eau et les solvants organiques courants.
4. Domaines d’application
(1) Industrie du caoutchouc (70–85 % de la consommation mondiale)
- Pneumatiques : noir à haute résistance à l’abrasion pour la bande de roulement, noir semi-renforçant pour les flancs, allongeant la durée de vie et la résistance au vieillissement ;
- Articles en caoutchouc : tuyaux, bandes transporteuses, joints, semelles de chaussures, amortisseurs vibratoires.
(2) Secteur pigmentaire (noir de carbone pigmentaire)
- Encres : encres d’imprimerie, impression numérique, encres pour stylos gel, excellente noirceur et dispersibilité ;
- Revêtements : peinture automobile, revêtements anticorrosion, peinture de façade pour bâtiment ;
- Mélanges maîtres plastiques, produits plastiques noirs, films agricoles anti-UV.
(3) Matériaux conducteurs et énergies nouvelles
- Additif conducteur pour batteries lithium-ion et supercondensateurs, accélérant le transport électronique et améliorant la charge rapide et la stabilité cyclique ;
- Plastiques antistatiques, blindage de câbles conducteurs, résistances électroniques, absorbeurs d’ondes électromagnétiques ;
- Supports d’électrodes pour piles sèches et piles à combustible.
(4) Autres usages spécialisés
Supports de catalyseurs, pâtes à polir, noir de carbone végétal alimentaire (colorant E153), cosmétiques, matériaux absorbants radar pour l’armement.
核心专业术语三语对照表
| 中文 | English | Français |
|---|---|---|
| 炭黑 | Carbon Black | Noir de carbone |
| 炉法炭黑 | Furnace Black | Noir de four |
| 槽法炭黑 | Channel Black | Noir au tunnel |
| 乙炔炭黑 | Acetylene Black | Noir d’acétylène |
| 补强剂 | Reinforcing Filler | Charge renforçante |
| 色素炭黑 | Pigment Carbon Black | Noir de carbone pigmentaire |
| 导电炭黑 | Conductive Carbon Black | Noir de carbone conducteur |
| 比表面积 | Specific Surface Area | Surface spécifique |
| 聚集体 | Aggregate | Agrégat |
| 紫外屏蔽 | UV Shielding | Blindage UV |
| 锂离子电池 | Lithium-ion Battery | Batterie lithium-ion |
| 轮胎胎面 | Tire Tread | Bande de roulement du pneu |
