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先驱物质。

        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，作为炭黑生成的先驱物质，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先驱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。

         在最大的炭黑生成先驱物质和第一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