炭黑粒子的生成

        色素碳黑生成分五个阶段。

        初期反应    炭黑生成的先兆和开始，包括分子体系向粒子体系的转化。烃分子在高温下裂解、脱氢、聚合和环化凝聚生成晶核的物质。

        成核作用     晶核生成和晶核长大。

        粒子聚集     在成核作用下生成直径1~2nm的细小粒子，细小粒子间的碰撞生成直径10~50nm的球形颗粒和熔融成葡萄串状单元（聚集体）。

        聚集体表面增长    聚集体表面聚集或附聚，生成100~1000nm长的链状物。

        氧化作用      炭黑生成和增长后，由于氧化作用，生成表面官能团。

         在氧化生成的五个阶段中，初期反应和成核作用阶段在化学反应动力学中是最重要的，同时也是了解的最不充分的阶段。

          （1）初期反应和晶核生成     炭黑从多环烃生成，作为炭黑生成的物质，是具有质量、尺寸、结构和一定范围C/H比的一种或多种基团。然而炭黑生成前兆的物质转化为炭黑将取决于燃烧条件、局部组成和燃烧火焰的温度。炭黑的生成，是经过在所有的火焰中都存在的芳烃发生的，这些烃分子的结构能导致分子的增长，生成聚合多环芳烃；通过芳烃基加入不饱和脂肪烃来稳定原子团的能力，导致炭黑的生成。烃分子通过火焰界面衰变成乙炔、聚乙炔、多环芳烃自由基的结合，进行分子重排、环化，这可能是炭黑开始生成和成核机理的关键。

         在的炭黑生成物质和个炭黑粒子之间的性质区分并不是很清楚的。炭黑生成过程是在高温、高速下发生（几十微秒瞬间），研究人员试验观察，没有真实的晶核生产作用，因此多环芳烃和炭黑晶核之间没有连续性。在多环芳烃脱氢期间，多环芳烃尺寸长大，表示炭黑的性质在逐渐地发展。

       （2）粒子的聚集      炭黑都是由于大量的粒子组成，粒子碰撞生成较大的粒子，进一步熔融成最后的炭黑聚集体。粒子增长涉及两个过程，即含碳物质在粒子表面的沉积和小颗粒聚结成较大颗粒。

         在粒子黏性碰撞过程中，颗粒数量密度变化率dN/dt可以表示：

                                          dN/dt=Nn+Nc

            式中      Nn--------成核速率

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

             聚集速率常数Nc是采用单分散体系实验测定，可以表示为：

                         Nc=(k/2)n2

            联立方程可以得到一些方程：

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

            （3）聚集体表面增长    炭黑粒子成核作用的开始，是炭黑生成的最重要过程。然而在开端过程期间，产生的炭黑质量仅为10%，90%的炭黑质量来源于表面增长过程。聚集体的表面增长起到了聚集体的稳定作用。

          （4）炭黑的氧化     炭黑生成和增长的后期，炭黑粒子数密度和质量通常要有所减少，这是氧化过程的结果。在炭黑生产段，炭黑的生成和炭黑的氧化同时进行，炭黑粒子的氧化是整个表面的无规则氧化。炭黑的氧化作用，导致炭黑的空隙度增加（氧化程度高时会引起聚集体损毁）和炭黑表面官能团的生成。炭黑表面存在着羟基(—OH)、醛基(—CHO)、羧基(—COOH)等表面官能团。

      炭黑的氧化是一种消耗反应，不但降低了炭黑收率，还影响炭黑的补强性能，因此在生产中必须有效地控制反应终止位置。

        3   炭黑生产机理图

         综合炭黑生成的初期反应和晶核生成、粒子的聚集、聚集体表面增长和炭黑的氧化过程的研究成果，梳理出炭黑生成机理图