カーボンブラックとは何か？この記事ではカーボンブラックに関するすべての知識を紹介します

When it comes to carbon black, most people may think it is just a pigment. Carbon black is an essential industrial raw material. It is commonly found in daily life. So how is carbon black closely related to our lives? What role does carbon black play in industry? What is the role of carbon black and what is its main use?

次に、編集者はカーボンブラックに関する 10 の重要なポイントについて説明します。

カーボンブラックとは何か。
その歴史的発展。
カーボンブラック産業の成長。
カーボンブラックの使用方法。
カーボンブラックの種類。
その構造と機能。
製造工程。
業界における機会と課題。
産業の発展。
カーボンブラックの選び方と主な用途分野。

重要な工業原料であるカーボンブラックを理解するのに役立ちます。

カーボンブラックとは何ですか?

カーボンブラックは非晶質炭素の一種です。軽くて、ゆるく、非常に細かい黒色の粉末です。鍋底の灰に似たものと考えてください。これは、炭素を多く含む物質の不完全燃焼または分解によって発生します。これには、石炭、天然ガス、重油、燃料油が含まれます。これは、空気が十分でない場合に発生します。

Carbon black is mainly composed of carbon. It is the earliest developed, applied and currently produced nanomaterial by humans. Its basic particle size is between 10-100nm. It has excellent rubber reinforcement, coloring, conductivity or antistatic and ultraviolet absorption functions. It is listed as one of the 25 basic chemical products and fine chemical products in the international chemical field. The carbon black industry plays a key role in the tire and dyeing industries. It also enhances the quality of everyday products.

カーボンブラックの歴史的発展

カーボンブラックは、現代の人々に知られている最初の主要な石油化学製品の1つです。古代では、カーボンブラックは「タイ」、「煤」、「松煙」と呼ばれていました。「タイ」という名前は19世紀末まで使用されていました。1872年にカーボンブラック産業が出現して以来、徐々に「カーボンブラック」という用語に置き換えられました。

カーボンブラックの歴史は非常に長いです。記録によると、中国は世界で最初にカーボンブラックを生産した国の一つです。古代、人々は松の枝とともに動物や植物の油を燃やし、煙から出る黒い灰を集めました。この灰はその後、インクと黒の顔料を作るために使用されました。商王朝の甲骨文字は3000年前に遡ります。彼らは「煙の煤」をインクとして使用しました。私の国の古代の竹簡もインクで書かれていました。

中国の歴史におけるカーボンブラックの足跡

三国時代、曹植は「墨は青松の煙から出る」と記録しています。晋の時代になると、松煙と炭黒の手工芸品の生産がかなり一般的になりました。南唐の時代になると、我が国では桐油やその他の動植物油が使用され始めました。空気が足りないと油が完全に燃えず、炭黒が形成されて陶器の煙鉢の下に集まり、高品質の炭黒が作られました。宋代の趙延為の『雲路満潮』には、墨工が最近水桶を使用していたと書かれています。

「墨を作るために桐油を燃やす」とは、桐油を燃やしてその上に椀を置き、特別な人がマッチを掃き、牛膠と混ぜてこねるという方法です。この方法は非常に速くて便利なので、「油煙」と呼ばれています。これは、桐油を燃やして墨を作る工程についてです。当時は煙を燃やして墨を作ることを専門とする手工芸工房があったことがわかります。当時は生産性が低かったため、墨の生産は効率的ではなく、非常に高価でした。蘇東坡はこれを詩に表現しました。「書窓から軽炭を拾い、仏殿の残り香を掃く」「千夜一心不乱に働き、この一寸の玉を手に入れた」

カーボンブラック産業の台頭

1821年、北米で初めて天然ガスを原料としてカーボンブラックが生産されました。それ以来、カーボンブラックは単なる「すす」ではなくなってきました。

1872年、カーボンブラックの工業的生産が世界で実現し、「カーボンブラック」という用語も登場しました。油田やガス田が次々と採掘され、原材料の安定供給により、カーボンブラックの生産は手作業から大規模産業へと変化しました。

1904 年、イギリスのモートは、ゴムの強化剤としてカーボンブラックが酸化亜鉛よりも効果的であることを発見しました。

1912年、アメリカのグッドイヤー社が初めてタイヤの補強材としてカーボンブラックを使用しました。

1900 年代初頭、タイヤは主に白か赤で、寿命は 3,000 km 程度でした。その後、カーボンブラックが登場し、すべてが変わりました。今では、タイヤの走行距離は 60,000 km を超えます。カーボンブラックはタイヤを強化するため、大量生産が大幅に増加しました。

具体的なプロセスを簡単に説明すると、次のようになります。

1. カーボンブラック産業の初期には、天然ガスが原料として使用され、主な生産方法はチャネルプロセスであり、設備は大きく、生産量は少なかった。

2. 1940年代のファーネスカーボンブラックには、オイルファーネス法とガスファーネス法があります。この製造方法は、使用する設備が少なく、生産量が増加します。ただし、品質はチャネルカーボンブラックほど高くありません。

3. 我が国は1950年代に撫順と四川でチャンネルカーボンブラックの生産を開始しました。その後、1960年代に炉カーボンブラックの生産を開始しました。1985年、天津カーボンブラック工場は米国から15,000トンのコンチネンタルカーボンブラックのハードラインを導入しました。これは1980年代と1990年代に起こりました。その後、天津カーボンブラック工場、撫順化学工場、カーボンブラック研究所が新しい生産ラインを導入し、改善しました。

カーボンブラックの用途

ゴム産業における応用

生産されるカーボンブラックの 90% 以上がゴム産業に使用されています。カーボンブラックは主にさまざまな種類のタイヤに使用されています。これには、自動車、トラクター、航空機、自転車のタイヤが含まれます。一般的な自動車タイヤには約 10 キログラムのカーボンブラックが必要です。ゴムに使用されるカーボンブラックのほとんどはタイヤ製造に使用され、75% 以上を占めています。残りは、テープ、ホース、靴などの他のゴム製品に使用されます。ゴム産業では、カーボンブラックの消費量はゴムの総使用量の約 40～50% です。

ゴムにはなぜカーボンブラックが最も多く使われているのでしょうか?

カーボンブラックがゴムに大量に使用されている理由は、いわゆる「補強」能力に優れているためです。カーボンブラックの「補強」能力は、1914年に天然ゴムで初めて発見されました。現在、カーボンブラックは合成ゴムの補強にさらに重要であることが確認されています。タイヤにおけるカーボンブラックの主な利点は、トレッドの摩耗性能が向上することです。30%カーボンブラックを使用したタイヤは、48,000〜64,000キロメートル使用できます。対照的に、同じ量の非補強フィラーを使用したタイヤは、わずか4,800キロメートルしか持ちません。強化カーボンブラックは、ゴム製品の物理的および機械的特性も向上させます。これには、引張強度と引き裂き強度の向上が含まれます。

天然ゴムやクロロプレンなどの結晶性ゴムにカーボンブラックを加えると、加硫ゴムの引張強度が 1 ～ 1.7 倍に向上します。スチレンブタジエンゴムやニトリルゴムなどの非結晶性ゴムでは、強度が 4 ～ 12 倍に向上します。

ゴム業界では、製品の用途や使用条件に応じてカーボンブラックの種類と量を選択します。タイヤのトレッドでは、耐摩耗性が最優先事項です。高補強カーボンブラックが必要です。オプションには、超耐摩耗性、中超耐摩耗性、または高耐摩耗性のファーネスブラックがあります。また、トレッドとカーカスゴムには、ヒステリシス損失が低く、発熱が少ないカーボンブラックを使用する必要があります。

インク業界への応用

カーボンブラックは黒色印刷インクの主原料です。現代のインクのほとんどは高品質の顔料カーボンブラックを使用しています。高品質のカーボンブラックで作られた印刷インクは、筆跡がはっきりしていて色が鮮やかで、新聞や雑誌の印刷品質に大きな影響を与えます。これは、人々の文化生活につながります。現代のインクには多くの種類があり、用途も多岐にわたります。その中で、新聞インク用カーボンブラックは、インク用カーボンブラック全体の約70%を占めています。新聞インクには11〜13%のカーボンブラックが含まれています。新聞1トンの印刷ごとに約16キログラムの新聞インクが消費されます。

粒子サイズや表面積などのカーボンブラックの基本的な特性は、インクの性能や処理に大きな影響を与えます。

インク業界では、いくつかの重要な要件を満たすカーボンブラックが必要です。

黒さ
色相
流動性
粘度
乾燥
チキソトロピー

使用目的が異なるため、インクごとにカーボンブラックに対する要件が異なります。

コーティング業界での応用

Coating is what we usually call paint. Carbon black stands out for its stability against chemicals, light, and heat. This makes it better than other black inorganic pigments and organic black dyes. Carbon black is used in coatings. It has low reactivity, high blackness, good weather resistance, and strong tinting power. High-grade pigment carbon black is great for synthetic resin paint. It serves as a topcoat for cars. You can also use it as decorative paint for bicycles, sewing machines, and instruments. Conductive carbon black can serve as the primer for water-soluble electrophoretic coating.

プラスチック産業における応用

カーボンブラックは主にプラスチックの着色剤として使用されます。カーボンブラックを含むプラスチックは熱による変質に強く、サイズの変化も少なくなります。また、剛性、硬度、電気伝導性、熱伝導性、耐腐食性も向上します。さらに重要なのは、放射線防護、紫外線防護、抗酸化作用があることです。プラスチック中のカーボンブラックの量は、通常1〜2.75%です。

その他のアプリケーション

カーボンブラックには多くの用途があります。主な用途のほかに、乾電池や電気カーボン製品にも使用されています。また、電気・電子部品にも使用されています。硬質合金、高純度グラファイト、印刷・染色にも使用されています。さらに、カーボンブラックは静電写真、写真フィルム、火薬にも使用されています。セメント、皮革、グリース、鋳造、農業などにも使用されています。これらの分野では、カーボンブラックの使用量が少ないにもかかわらず、大きな役割を果たすことがよくあります。

カーボンブラックの分類

生産による分類

主にランプブラック、ガスブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラックに分けられます。

用途による分類

カーボンブラックは、用途に応じて分類されることが多いです。

顔料カーボンブラック
ゴムカーボンブラック
導電性カーボンブラック
特殊カーボンブラック

顔料用カーボンブラックは、着色力に基づいて世界的に分類されています。高顔料カーボンブラック、中顔料カーボンブラック、低顔料カーボンブラックの3種類があります。この分類は3つの英語の文字で表されます。最初の2文字はカーボンブラックの着色力を示し、最後の文字はカーボンブラックの製造方法を示します。

機能による分類

主に強化用カーボンブラック、着色用カーボンブラック、導電性カーボンブラックなどに分けられます。

モデルによる分類

主にN220、N330、N550、N660、N990、N110、N115、N234、N326、N339、N375、N539、N550、N880などに分かれています。

シリアルナンバー	平均粒子サイズ（nm）	バラエティ	略語
1	1-10
2	11-19	優れた耐摩耗性	安全
3	20-25	中程度の超耐摩耗性	国際安全保障協力機構
4	26-30	耐摩耗性に優れている	ハフ
5	31-39	微粒子	FF
6	40-48	クイック押し出し	FFFF 1.5L
7	49-60	汎用	GPF の
8	61-100	半強化	SRF
9	101-200	微粒子熱分解	FT
10	201-500	中粒子熱分解	MT

カーボンブラックの国際命名基準:

ゴム用カーボンブラックは、かつては粒子の大きさで分類されていましたが、現在は窒素表面積で分類されています。また、命名時には加硫速度とカーボンブラック顔料の構造が重要になります。4つのシステムがあります。英語の最初の文字はゴム化合物の加硫速度を示します。Nは通常速度、Sは低速を意味します。次の3つはアラビア数字です。最初の数字はカーボンブラック窒素表面積の範囲を示します。0から9のレベルになります。アメリカ材料試験協会のD24.41委員会は、2番目と3番目の数字を示しています。これらの数字はカーボンブラックの構造度を示しています。ある程度の選択に基づいて、おおよその高低構造を反映しています。相対的に言えば、数字が大きいほど構造は高くなります。

例:

カーボンブラックN330は、高耐摩耗性のファーネスブラックです。N330は最も広く使用されている高耐摩耗性のファーネスブラックです。この製品の耐摩耗性は、超耐摩耗シリーズのカーボンブラックよりも少し低いですが、チャネルカーボンブラックよりも優れています。この製品は、タイヤのトレッド、コードゴム、サイドウォール、およびさまざまなゴム工業製品に使用されます。この製品はゴムを強化するカーボンブラックです。引張強度、耐引裂性、耐摩耗性、弾性を向上させます。この製品を使用した乗用車用タイヤの転がり損失は、N300シリーズのN351よりも大きいですが、他のタイプよりも小さくなります。ゴム化合物中の分散性と押し出し性に優れています。合成ゴムと天然ゴムの両方に適しています。

カーボンブラックの構造と機能

カーボンブラックの構造は、カーボンブラック粒子が鎖状またはブドウ状に凝集する程度によって表されます。高構造カーボンブラックは凝集体で構成されています。これらの凝集体は、サイズ、形状、および含まれる粒子の数が異なります。構造を示すために、多くの場合、油吸収値が使用されます。油吸収値が高いほど、カーボンブラックの構造が大きくなります。この構造は、空間ネットワークチャネルを形成しやすく、より安定しています。

カーボンブラックの形成

カーボンブラックは、一般的に炭素粒子を指します。これは通常、有機物の不完全燃焼によって発生します。この過程で、水素と酸素が水に変わります。ただし、炭素は完全に燃焼しません。代わりに、分子から分離してカーボンブラックを形成します。

さまざまな形式

カーボンブラックは炭素で構成されていますが、通常は無機顔料として分類されます。カーボンブラックは、ガス状の炭化水素の不完全燃焼または熱分解によって生成される黒色の粉末です。さまざまな製造プロセスにより、使用される条件に基づいて独自の特性を持つさまざまな製品が生成されます。

カーボンブラックの微細構造

カーボンブラック粒子は微結晶構造を持っています。カーボンブラックでは、炭素原子の配列はグラファイトと似ており、六角形の面を形成しています。通常、3〜5 個のこのような面が微結晶を形成します。カーボンブラック微結晶の各グラファイト層内の炭素原子は整然と並んでいます。しかし、層間の配列は無秩序です。そのため、これらの微結晶は準グラファイト結晶とも呼ばれます。

カーボンブラック粒子サイズ

顔料カーボンブラックの粒子サイズは 5nm まで小さくなります。カーボンブラック粒子は通常、単独では存在しません。代わりに、多くの粒子が炭素結晶層を介して接続されます。これにより、鎖のような形状が形成されます。異なる製造プロセスにより、さまざまな粒子サイズのカーボンブラック粒子が生成されます。ランプブラックの製造では、粗い製品が生成されます。対照的に、ガスブラックの製造では、より細かい製品が生成されます。

注: ファーネスブラック製造工程では、ほぼすべての粒子サイズ範囲のカーボンブラックを製造できます。同じ種類のカーボンブラックでも粒子サイズはさまざまです。粒子サイズ分布の範囲を示します。一般的に、粒子が細かいタイプほど、粒子サイズ分布が狭くなります。

カーボンブラック製造工程

カーボンブラックの生成原理は、一般的に炭素元素粒子を指します。有機物が不完全燃焼すると、水素と酸素が水に変わります。しかし、炭素は完全に燃焼せず、分子から分離してカーボンブラックが生成されます。カーボンブラックは黒色の粉末です。炭化水素が不完全燃焼したり、熱分解したりしたときに生成されます。

さまざまな製造方法により、独自の特性を持つさまざまな製品が生まれます。これは、使用される特定のプロセス条件に基づいて発生します。

カーボンブラック製造原料

カーボンブラックを製造するための主な原材料は次のとおりです。

コールタール
エチレンタール
アントラセン油
天然ガス
高炉ガス

使用される他の材料には、石油製品、アスファルト・コールタール、Nオイルなどがあります。これらはすべて炭素含有量が非常に高いです。

一般的な製造プロセスは次のとおりです。

炉法
スプレー方式
ランプスモーク法
スロット方式
ローラー方式
混合ガス法
熱分解法
アセチレン法
プラズマ法

不完全燃焼の方法は次のとおりです。

炉法
スプレー方式
ランプスモーク法
スロット方式
ローラー方式
混合ガス法

熱分解法には以下のものがあります。

熱分解法
アセチレン法
プラズマ法

ランプブラック製造工程

カーボンブラックを製造する最も古い方法は、ランプブラック法です。このプロセスでは、原料は最大 1.5 メートル幅の平らな鉄板上で燃焼します。排気フードはカーボンブラックを含む燃焼ガスを集めます。その後、1/4 ベンドと火管を通って堆積装置に到達します。カーボンブラックの特性を制御するには、原料がほとんど不完全燃焼になるようにします。これは、燃焼プレートと排気フードの隙間の近くで起こる必要があります。

次の段階では、熱分解による燃焼が起こります。これは酸素が不足しているときに起こります。これにより、より大きなカーボンブラック粒子が形成されます。これらの理由により、主に粗い粒子を特徴とする幅広い粒度分布が形成されます。燃焼プレートと排気フードの間に作られた粒子のほんの一部だけが、空気中の酸素と相互作用できます。そのため、これらのカーボンブラックには表面酸化物がほとんどありません。pH 値は中性で、揮発性物質はほとんど含まれていません。

ガスブラックの製造工程

ガスブラックは、その製造方法からその名前が付けられています。まず、原料の炭化水素が加熱され、気化されます。次に、自己発火性ガスが蒸気をバーナーに運び、エネルギーを供給します。カーボンブラックは、これらのコウモリ型のバーナーによって生成される多数の扇形の炎の中に形成されます。

それぞれの炎は小さく、空気中で燃えます。そのため、カーボンブラックの形成方法は、ランプブラックの製造方法とは異なります。ランプブラックは不完全燃焼から生じます。カーボンブラックの粒子は非常に細かく、その平均サイズは種類に応じて10〜30 nmの範囲です。ガスブラックの場合、平均粒子サイズは13 nmです。燃える炎の上には、ゆっくりと回転する水を満たしたドラムがあり、その上にカーボンブラックが堆積し、削り取られます。まだ熱いうちに、新しいカーボンブラックは空気中の酸素に触れます。これにより部分酸化が起こり、多くの酸性基が生成されます。対応するガスブラックのpH値は酸性範囲にあります。そして、その表面酸化物含有量を表す約6%の揮発性物質が得られます。

チャンネルブラックの製造工程

この生産プロセスでは、天然ガスを原料として使用します。カーボンブラックのプロセスは、ガスブラック生産プロセスのガス燃焼プロセスに似ています。天然ガスは扇形の炎で燃えます。結果はガスブラックによく似ています。違いは、カーボンブラックの堆積トラフとして、平らな水冷U字型のトラフが使用されていることです。生態学的および経済的理由により、この方法は何年も前に中止されました。ガスブラックの生産は環境に害を及ぼしません。このガスベースのカーボンブラックプロセスは現在も使用されています。

炉黒製造工程

ガスブラックは屋外で生成されます。対照的に、ファーネスブラックは酸素が限られた密閉された炉で製造されます。大きな炎が多くの小さな炎に取って代わります。燃料としてオイルを使用し、可燃性ガスを追加して炉を適切な温度に加熱します。ファーネスブラックの製造プロセスを調整することで、目的の顔料ブラックを得ることができます。たとえば、カーボンブラックの平均粒子サイズはさまざまです。80nmから15nmまでの範囲で、ガスブラック粒子のようにさらに小さくなります。ただし、同じ粒子サイズでも、ガスブラックとファーネスブラックは、主に表面化学が異なるために異なります。ファーネスブラック製品はより粗く、平均粒子サイズは40nmです。

ファーネスブラック製造プロセスを使用する際に、少量のアルカリ化合物やその他の添加剤を加えることができます。これにより、凝集体の種類と凝集が変化します。その結果、高構造または低構造のカーボンブラックが得られます。

ファーネスブラックは、ほぼ大気圧以下の圧力と不十分な空気で生成されるため、ほとんどが酸性表面酸化物を欠いていますが、上記のアルカリ反応性ピロン構造が見られます。ファーネスブラックのアルカリ性pHは、冷水にアルカリ土類元素を添加するためです。これは、カーボンブラック製造時のスプレークエンチ中に発生します。構造を減らすために、アルカリ塩も添加されます。さらに、ファーネスブラックが後酸化処理を受けていない場合は、揮発性含有量が低くなります。

カーボンブラックの選び方

カーボンブラックは慎重に選択してください。選択する前に、目標について考えてください。カーボンブラックで何を達成したいですか? 着色、着色、UV 耐性、または導電性。重要なステップは、プロのカーボンブラックエンジニアに相談することです。一緒に材料システムを評価します。次に、最適なカーボンブラックの種類を選択します。着色には、非常に黒く、粒子が小さいカーボンブラックを選択します。また、よく分散されていることを確認してください。そうでない場合は、元の要件を満たしません。色合わせには、黒さが低いカーボンブラックを選択します。粒子サイズが大きく、分散しやすい必要があります。プラスチックとゴムの UV 耐性には、カーボンブラックを使用します。粒子サイズが中程度で、構造がわずかに高いものを選択します。優れた UV 保護を提供します。

カーボンブラックの基本特性

カーボンブラックの特性により、さまざまな産業分野での具体的な用途が決まります。主な性能パラメータは次のとおりです。

① 粒子径（一次粒子径）
- 粒子サイズはカーボンブラックの重要な特性であり、その性能に直接影響します。
- 粒子が小さいほど黒くなり、表面積が大きくなります。ただし、分散性が悪くなる可能性があります。
- 粒子サイズが大きいほど黒さは低くなりますが、分散しやすくなります。
②構造（DBP吸収値）カーボンブラックの構造は粒子間の凝集方法に依存します。構造値が高いほど、通常、粒子形状が複雑になります。
- 高構造カーボンブラック: 分散性と導電性が向上しますが、黒さが低下する可能性があります。
- 低構造カーボンブラック：黒度は高いが、分散性は弱い。
③表面積（総比表面積と外部比表面積）表面積は通常、窒素吸着比表面積（NSA）と外部比表面積（STSA）によって特徴付けられます。
- NSA（総比表面積）：カーボンブラックの総表面積を反映します。
- STSA（外部比表面積）：粒子の外側の表面積のみを測定します。
- 多孔性が増加すると、NSA と STSA 間のギャップが広がります。これにより、キャリアの需要と粘度も増加します。
④表面化学カーボンブラックの表面には様々な官能基（酸化物や硫化物など）があり、
- カーボンブラックの吸湿率を高めます。
- カーボンブラックと樹脂、コーティング剤等との相溶性を高めます。

推奨カーボンブラック粉砕装置

粉砕およびグレーディング装置は、カーボンブラックの製造において重要な役割を果たします。これにより、超微細で均一な機能的なカーボンブラック粒子を作成できます。以下に、推奨される装置をいくつか示します。

機械式超微粉砕・分級機（ACMシリーズ）

Features: EPIC Powder Machinery’s MJW 空気分級ミルシリーズは、カーボンブラックをD100 < 45μmに粉砕できます。325メッシュふるい残渣は< 0.001%です。また、600メッシュから2000メッシュまでのカスタマイズされた細かさもサポートしています。カーボンブラックとポリマーの親和性を高めるための活性化改質プロセスをサポートしています。

用途: クラックされたカーボンブラックを深く処理して、高価値の充填剤や導電性材料を作成します。

気流分類装置（HTSシリーズ)

特徴: EPIC Powder Machinery は、完全に密閉された負圧操作を使用します。この方法により、低温粉砕が可能になり、材料の汚染を防ぐことができます。黒色粉末の収率は最大 80% に達します。多段分類機が直列で動作します。この設定により、集中した粒度分布を作成できます。高純度カーボンブラックの製造に最適です。

用途: プリンターのトナー、バッテリーの電極材料など、厳格な細かさが求められる分野。