炭黑粒子的生成

        色素碳黑生成分五個階段。

        初期反應    炭黑生成的先兆和開始，包括分子體系向粒子體系的轉化。烴分子在高溫下裂解、脫氫、聚合和環化凝聚生成晶核的物質。

        成核作用     晶核生成和晶核長大。

        粒子聚集     在成核作用下生成直徑1~2nm的細小粒子，細小粒子間的碰撞生成直徑10~50nm的球形顆粒和熔融成葡萄串狀單元（聚集體）。

        聚集體表面增長    聚集體表面聚集或附聚，生成100~1000nm長的鏈狀物。

        氧化作用      炭黑生成和增長后，由于氧化作用，生成表面官能團。

         在氧化生成的五個階段中，初期反應和成核作用階段在化學反應動力學中是最重要的，同時也是了解的最不充分的階段。

          （1）初期反應和晶核生成     炭黑從多環烴生成，作為炭黑生成的物質，是具有質量、尺寸、結構和一定范圍C/H比的一種或多種基團。然而炭黑生成前兆的物質轉化為炭黑將取決于燃燒條件、局部組成和燃燒火焰的溫度。炭黑的生成，是經過在所有的火焰中都存在的芳烴發生的，這些烴分子的結構能導致分子的增長，生成聚合多環芳烴；通過芳烴基加入不飽和脂肪烴來穩定原子團的能力，導致炭黑的生成。烴分子通過火焰界面衰變成乙炔、聚乙炔、多環芳烴自由基的結合，進行分子重排、環化，這可能是炭黑開始生成和成核機理的關鍵。

         在的炭黑生成物質和個炭黑粒子之間的性質區分并不是很清楚的。炭黑生成過程是在高溫、高速下發生（幾十微秒瞬間），研究人員試驗觀察，沒有真實的晶核生產作用，因此多環芳烴和炭黑晶核之間沒有連續性。在多環芳烴脫氫期間，多環芳烴尺寸長大，表示炭黑的性質在逐漸地發展。

       （2）粒子的聚集      炭黑都是由于大量的粒子組成，粒子碰撞生成較大的粒子，進一步熔融成最后的炭黑聚集體。粒子增長涉及兩個過程，即含碳物質在粒子表面的沉積和小顆粒聚結成較大顆粒。

         在粒子黏性碰撞過程中，顆粒數量密度變化率dN/dt可以表示：

                                          dN/dt=Nn+Nc

            式中      Nn--------成核速率

                          Nc--------聚集速率

             聚集速率常數Nc是采用單分散體系實驗測定，可以表示為：

                         Nc=(k/2)n2

            聯立方程可以得到一些方程：

                                     d(1/n)/dt=k/2-Nn/n2

            （3）聚集體表面增長    炭黑粒子成核作用的開始，是炭黑生成的最重要過程。然而在開端過程期間，產生的炭黑質量僅為10%，90%的炭黑質量來源于表面增長過程。聚集體的表面增長起到了聚集體的穩定作用。

          （4）炭黑的氧化     炭黑生成和增長的后期，炭黑粒子數密度和質量通常要有所減少，這是氧化過程的結果。在炭黑生產段，炭黑的生成和炭黑的氧化同時進行，炭黑粒子的氧化是整個表面的無規則氧化。炭黑的氧化作用，導致炭黑的空隙度增加（氧化程度高時會引起聚集體損毀）和炭黑表面官能團的生成。炭黑表面存在著羥基(—OH)、醛基(—CHO)、羧基(—COOH)等表面官能團。

      炭黑的氧化是一種消耗反應，不但降低了炭黑收率，還影響炭黑的補強性能，因此在生產中必須有效地控制反應終止位置。

        3   炭黑生產機理圖

         綜合炭黑生成的初期反應和晶核生成、粒子的聚集、聚集體表面增長和炭黑的氧化過程的研究成果，梳理出炭黑生成機理圖