一、前 言

    這里要講的就是炭黑和白炭黑的誕生、發展和使用與能源和環境的關系。20世紀初人們發現了炭黑對橡膠有補強作用，遂在橡膠制品的配方中大量使用，才使橡膠有了應有的使用價值，橡膠工業才獲得了發展，才有了今天的橡膠制品工業、膠鞋工業和輪胎工業等橡膠類產業。它對人類文明作出了不可磨滅的貢獻。至今炭黑仍然是橡膠類產品的主要用戶，其總量的94%用于橡膠作填充補強劑。

    炭黑是怎樣生產出來的呢？簡單地說，就是烴類在嚴格控制的工藝條件下，經氣相不完全燃燒或熱裂解而制成的疏松、質輕而極細的黑色粉未狀物質。主要成分為碳元素(C)。烴類又是什么？是天然氣、煤氣、乙炔及油類(包括重油、燃料油和煤焦油等)，一眼就看出，這些原料是不可再生能源產品。由于多年開采和大量消耗已處于短缺和供應緊張狀態，由于生產炭黑的產出率只占原料的35~65%，超過50%的原料變成二氧化碳浪費掉。在這里可看出它是一個高能耗高物耗的產品。

    白炭黑又是怎么得來的呢？它與炭黑又有什么關系呢？

    還得從第一次大戰說起，當時德國由于經濟快速發展和第一次大戰爆發，使得德國的能源消耗和戰爭物資如飛機、坦克、軍艦、大炮等的橡膠類產品輪胎、橡膠配件大量消耗，使得能源和炭黑供應緊張，德國人開始用占地球27.6%的硅砂為主要原料開發研究生產沉淀白炭黑，并投入小規模的工業化生產，且進入實際應用階段，在一定程度上緩解了能源緊張的局面，并在使用過程中獲得與炭黑補強媲美的性能，遂得名叫白炭黑，其學名應該稱水合二氧化硅(mSiO2•nH2o)。它的主要原料是石英砂，占地殼的27.6%，可以說是取之不盡用之不完。我國是石英礦最豐富的國家，石英砂目前處于供過于求的局面。

    二、炭黑和白炭黑與能源危機的關系

    以上我們看到了炭黑和白炭黑，在第一次世界大戰期間，開始成了橡膠補強劑兩兄弟，它們的誕生、使用和發展既與能源消耗密切相關，又與橡膠，特別是合成橡膠的發展密切相關。

    由于經濟發展和戰爭的需要，德國人開發研制成功了合成橡膠——甲基橡膠，后來于30年代又發明了用乳膠聚合法生產出丁苯膠和丁腈膠。這樣一來，對橡膠補強劑的需求就更大了。二次大戰爆發，德國基于戰爭的需要能源消耗橡膠類制品的消耗比第一次大戰更大，炭黑供應嚴重短缺，因此，為減少能源的過多消耗迫切需要用白炭黑來代替炭黑作橡膠補強劑已成為當務之急。于是在1939年德國人用現代化的方法，大規模生產沉淀白炭黑，產量很快達到萬噸級水平。不僅如此，他們還在1940年開發成功氣相白炭黑，并進入產業化階段。

    當時的蘇聯，同樣由于經濟建設和戰爭的需要，為打破資本主義國家對天然橡膠的封鎖，斯大林下令研制生產合成橡膠，于1932年生產出丁鈉橡膠，并于1936年開始工業化生產沉淀白炭黑；基于同樣的理由，英、法、美等國為打破德國和日本對天然橡膠的封鎖先后開發生產出丁苯膠和沉淀白炭黑。

    1973年石油危機，油價高漲，使得炭黑生產成本大幅上升，相比之下，沉淀白炭黑生產耗能很低(見表1)促使許多西方國家開始大量生產沉淀白炭黑，并在產品品種規格，應用技術等方面加緊研究，有力地促進了沉淀白炭黑的發展。從表1中看出，炭黑的能耗是白炭黑的2.8-4.33倍，相比之下，炭黑是一種高能耗產品。
    表1 、炭黑與白炭黑生產能耗對比
    序號 產品名稱 能耗(英熱單位/磅) 能耗(Kca1/kg) 相對百分比
    1 軟質炭黑 37800 21000 281.1
    2 硬質炭黑 50000 27780 371.9
    3 中熱裂解炭黑 53800 32900 433.6
    4 沉淀白炭黑 13450 7470 10010

    近年以來，世界石油價格暴漲，突破55美元/桶，專家評測這個價位不會在短期內有明顯下降，甚至可能上升到75美元/桶。雖然不能排除其中有投機的因素，但也不能不看到我國和許多亞洲國家經濟快速發展，加速了石油的消費，也是重要原因之一。隨著油價的上升，國內外炭黑售價也隨著上升，現在已經超過沉淀白炭黑售價。

    石油是帶有全局性的戰略物資，它關系到經濟建設、人民生活和國家安全。我國是一個石油消費大國，2004年進口1.27億噸，使得我們對外石油的依賴已達到20%的比例，這個比例可能還要擴大，2010年可達到40%，必須考慮采取節油措施，就像歐盟那樣逐步壓縮炭黑的生產，減少其在橡膠領域的應用。事實上，據《歐洲橡膠雜志》和《炭黑世界》報道的統計數據顯示，1997年歐洲地區使用輪胎胎面膠料中炭黑被白炭黑替代量為8-10萬噸，相當于正常炭黑用量的65%；2000年替代量增加到80%，預計2005年達到85%以上，這個替代趨勢將繼續下去，直至最后取消炭黑在橡膠領域的應用。歐盟的這個決定，不僅是為節約能源，而且也是為保護環境采取的一項有力措施。

    在這里我們看到了炭黑和白炭黑的誕生、發展和使用都與能源供應密切相關，都是用開發生產、使用沉淀白炭黑替代炭黑來緩解能源緊缺的問題。而在我國，至目前為止還沒有看到國家采取鼓勵用白炭黑替代炭黑的有力措施，相反，還在大力加強炭黑的生產。這與目前和今后能源供應和環境保護形勢背道而馳的。

    從2004年北京國際橡膠會議上傳出信息，我國是世界上橡膠消費第一大國，炭黑消費第一大國，炭黑生產第二大國。在能源如此緊缺、油價如此攀升的形勢下，應該調整產業政策，壓縮炭黑的生產，以減少能源的過多消費，大力支持沉淀白炭黑的生產發展，替代炭黑在橡膠領域的應用，已成為當務之急。

    三、炭黑和白炭黑與環境保護

    炭黑生產企業在生產過程中產生大量的廢氣和廢水，而廢氣中除含大量二氧化碳外還含有大量對環境有嚴重影響的SOx和NOx，廢水實質上是污水，包括含油污水、含炭黑污水以及含油和含炭黑的混合污水，其色、臭、味令人十分討厭。由于其化學成分的復雜性和不確定性（見表1），其處理起來很困難，以常規的方法處理后的水，水質很差，不能回收利用于炭黑生產，更不能用于其他方面，只能排入水體，從而對水自然環境產生污染，目前幾乎所有的炭黑生產企業都是這樣做的。所排出的大量廢氣和污水嚴重污染環境，已成為炭黑企業環保的一大難題。歷年來，由于不斷擴大炭黑的生產規模，興建炭黑生產企業，其附近空氣質量很差，使水源污染越來越嚴重，使得可利用淡水資源越來越少，國家和人民不得不面臨這個嚴峻的挑戰！

    表1.炭黑生產污水的典型水質（mg/l）
    成分 炭黑 油 酚 COD 色度 P H2SO3
    含量 50-80 40-60 0.2-0.3 200 20-30 1-3 <0.1
    測試方法 GB11901 GB/T1648 GB7490 GB11914 GB11903 GB8978 GB/T16489

    那么白炭黑在生產過程中是否也有類似于炭黑生產那樣產生大量污水呢？答案是否定的。實際情況是，在白炭黑生產過程中產生廢水是壓濾工序，出來的廢水清澈透明，無色無味，其中含有一定量的硫酸鈉（Na2SO4）。我曾面對環保局的技術人員做了一個試驗：取3只相同的燒杯，分別加入自來水、蒸餾水和壓濾廢水，叫他們辨認其中哪一杯是蒸餾水，結果他們一致認定那杯實際上是壓濾廢水為蒸餾水。這說明壓濾廢水是一種無需處理的廢水，其PH值為6.5~7.5；BOD=0；COD=0；色度<1，其中硫酸鈉的含量一般情況下<250mg/l。而硫酸鈉環保部門沒有監測要求，經過將其中的硫酸鈉回收利用廢水中硫酸鈉 的含量小于50mg/l,排入水體，對環境不構成不利影響。

    通過上述炭黑和白炭黑生產過程中兩者對環境影響的對比中，可看出炭黑對環境特別是對水環境的影響是嚴重的，而白炭黑生產過程中產生的廢水，對環境沒有什么影響。經過對比誰好誰壞應該是清楚的，提倡什么反對什么應該是明確的。

    下面我們再來看看炭黑和白炭黑兩者在使用過程中以及加入橡膠后的產品，對能源的消耗和對環境的影響，將產生什么結果。

    前面已講過炭黑是一種疏松、質輕且極細的黑色粉末，在橡膠混煉時，不管采用開煉機，還是密煉機，在加入炭黑時必然有炭黑粉塵的外揚溢散，至少要造成工作環境的黑色粉塵的污染。而白炭黑是無毒無味無臭、不燃不爆、耐腐蝕、耐高溫的白色粉末或白色顆粒，在煉膠時，不會造成工作環境的污染，也絲毫不影響人體健康，這已為工業衛生研究所證實。

    炭黑在橡膠類制品中有許多地方不能使用，如硅橡膠、乳膠、醫藥、食品行業用橡膠制品，還有那些要求無毒無污染和彩色化制品的地方，以及綠色輪胎等方面都不能使用。而高分散白炭黑（HDS）開發成功，使炭黑能用的地方白炭黑都能應用。

    關于綠色輪胎的補強劑，到目前為止是高分散白炭黑的獨霸天下，歐洲綠色輪胎的普及率達到90%；北美60%，其他地方如日本、韓國也正在研究生產綠色輪胎，我國具有自主知識產權的綠色輪胎生產線正在興建，輪胎跨國公司米其林在江蘇海門市正在建設一家年產1.9億條輪胎的生產企業，也將生產綠色輪胎，未來3-5年這家企業的白炭黑用量，將由5萬噸/年增加到20萬噸/年。

    關于綠色輪胎的優點，已有很多報道，有兩點在這里要重提一下，就是綠色輪胎的滾動阻力比炭黑輪胎降低35%，節油7%，大幅度減少排污量，即節能又環保，被稱為“生態學輪胎”。另一個特點是它的結構強度比炭黑輪胎高得多，因而行駛里程是炭黑輪胎幾倍。這就是延長了輪胎的使用壽命，也為節能降耗作出了很大貢獻。就能耗而言，我國汽車的油耗比歐洲高出25%，比日本高出20%，比北美高出10%；除汽車發動機和車形設計的因素以外，其節油的效果不能不歸功于“綠色輪胎”的廣泛應用。如我國的乘用輪胎也像歐洲那樣90%采用“綠色輪胎”，那每年節油量將是一個非常驚人的數字。

    有人認為“白炭黑動搖炭黑傳統的主要地位尚為時過早”，這話有道理，因為目前和今后相當長的時間，白炭黑的產量特別是高分散白炭黑的產量短期之內還不能滿足市場需求，又說：“兩者并用，優勢互補是必然趨勢”就不一定正確。就拿歐洲來說，白炭黑在橡膠應用領域里已經取代了炭黑的傳統主導地位，特別是用量最大，質量要求最高的輪胎工業中，已經取代了80%的比例，還不能算主導地位了嗎？在我國只是時間問題，特別高分散白炭黑生產才剛開始，再過幾年這個情況將會發生根本性的變化。

    由于石油、煤炭的消費日益擴大，供應日益緊張，對環境的影響也越來越大，勢必要求像歐盟那樣調整產業政策，壓縮減少炭黑的生產，轉而加大力扶持白炭黑，特別是高分散白炭黑的生產，白炭黑取代炭黑的傳統主導地位為時不會很遠。可喜的是，具有自主知識產權的無凝膠高分散白炭黑已經在上海久琛精細化工有限公司投產，經用戶實際應用，其質量全面達到和超過了國外進口的高分散白炭黑（HDS），為簡便起見，我們稱它為NHDS。它的分散性更高，達到100%（見表3）。使它在不使用偶聯劑的情況下，其補強性達到炭黑的水平，打破了那種：白炭黑補強膠料必須有硅烷偶聯劑并用；填充膠料困難，有吸附硫化體系配合劑的趨向，橡膠制品的磨耗和強度略低而導致其綜合性能不如炭黑好的傳統觀念和思維方式。

    表3.四種白炭黑分散系數對比
    產品名稱 傳統白炭黑 FDS HDS NHDS
    分散系數，% 73 88 97 100

    四、大力開展無凝膠高分散白炭黑生產，節約能源保護環境

    所謂無凝膠高分散白炭黑，就是指其產品中不含硅酸凝膠（簡稱凝膠），正是由于去除了其中的凝膠，才徹底消除了在膠料中阻礙其分散困難的根本因素。目前世界上所有白炭黑企業的產品都含有凝膠，凝膠是在白炭黑化學合成過程中產生的頑固性雜質，它是三維網絡結構，本身堅如石英砂，不與橡膠相容，又具有強大的表面聚集能，即使白炭黑被煉膠機的強大剪切力所分散，可是當這種外力去除后，凝膠顆粒又能將原先被分散了的白炭黑微粒重新聚集到自己的周圍，形成無數大大小小的結團（白點)。這是某著名白炭黑生產企業牌號為955#產品補強膠料的照片。其結果就是大大降低白炭黑與膠料的接觸面和相容性，大幅減少結合膠的含量，從而導致膠料綜合補強性能明顯下降。經過硅烷偶聯劑Si-69預處理后，分散性和補強性有所改善，但仍有白點現象。這也是某白炭黑生產企業牌號為955的白炭黑產品補強膠料的電鏡照片。

    而無凝膠高分散白炭黑就是完全避免圖3中a、b所示的傳統白炭黑（LDS）在膠料中分散困難，產生（白點）結團、綜合補強性能差的情況，達到完全分散的狀態（如圖4-a所示）。在膠料中找不到不分散的粒子，那怕上很小的不分散粒子也找不到。與國外進口的高分散白炭黑（HDS）相比，有本質的區別，HDS是在含有凝膠的白炭黑表面用化學制劑處理后，克服了凝膠的強烈聚集性后的產品，加入膠料后，分散性有明顯的改善，但仍可找到很少量很小的不分散粒子。就應用范圍而言，凡是LDS、EDS、HDS能使用的地方，無凝膠高分散白炭黑（NHDS）都能使用，而且加入膠料混煉時，吃粉快，輥溫低，生熱低，能耗低，門尼粘度低，焦燒安全性好，硫化速度快，其硫化膠的綜合性能超過了所有其他白炭黑的水平。表3分別是傳統白炭黑和無凝膠高分散白炭黑補強膠料的實測數據，該傳統白炭黑是國內某中外合資企業的名牌產品255，表中數據由臺資企業金寶利企業集團橡膠有限公司提供。

    表3兩種白炭黑膠料物性對比
    項目 1R BR ZACT STA DEG 255、170 Si-69 BHT SLI SDN H GF-58 DM NS TS 不S
    南昌 24 17 13 0.5 0.8 18 0.8 0.8 2 0.6 0.5 0.3 7 3 0.5 1.2
    上海 24 17 13 0.5 0.8 18 0.8 0.8 2 0.6 0.5 0.3 7 3 0.5 1.2
    項  目 南  昌 上  海 備  注
    硫化時間 X Y X Y 
    5′20″ 10′30″ 5′20″ 10′30″ 
    SG 1.099 1.098 
    A 
    TENSILE，kg/cm2 53.5 59.2 55.4 63.0 
    ELONGATION,% 162.6 170.3 175.5 173.9 
    TEAR, kg/cm2 621 629 635 657 
    ML 21.4 22.6 
    MH 46.9 48.1 
    TS2 2-37 2-56 
    TC90 5-10 5-26 
    C.C 0.254 0.227 
    從這些數據中可看出，無凝膠高分散白炭黑補強膠料的綜合性能明顯優于傳統白炭黑。前面已經講過，國內將要生產綠色輪胎，所用補強白炭黑必須是高分散性白炭黑，上海久琛牌產品JCsil-150和JCsil-170完全可以滿足其要求，與國外高分散白炭黑（HDS）相比，其性能有過之而無不及，可以看看其質量指標（見表4）

    表4無凝膠高分散白炭黑的技術指標

    序號 項  目 國家標準 JCsil 150 JCsil 170 測試標準
    1 外觀（白度）,% 與認可的樣品相符 ≥98 ≥98 數字式白度儀
    2 SiO2含量，% ≥90 94-95 94-95 HG/T3062-1999
    3 比表面積，M2/g - 150±10 170±10 HG/T3071-1999
    4 PH值（5%懸浮液） 5-8 6.9-7.5 6.9-7.5 HG/T3067-1999
    5 加熱減量（2h,105℃），% 4-8 4-8 4-8 HG/T3065-1999
    6 灼燒減量（1h,1000℃），% ≤7 4-5 4-5 HG/T3066-1999
    7 45μm篩余物，% ≤0.5 ≤0.05 ≤0.05  HG/T3064-1999
    8 DBP吸收值 ，cm³/g 2.0-3.5 2.0-3.5 2.0-3.5 HG/3072-1999
    9 總鐵(Fe)含量， mg/kg ≤1000 ≤250 ≤250 HG/T3070-1999
    10 總銅(Cu)含量 ，mg/kg ≤50 ≤10 ≤10 HG/T3068-1999
    11 總錳(Mn)含量 ，mg/kg ≤30 ≤10 ≤10 HG/T3069-1999
    12 Na2SO4含量，% - ≤0.2 ≤0.2 ISO787-8
    13 拉伸強度，Mpa ≥17.0 ≥22.0 ≥22.0 HG/T2404,GB528
    14 定伸應力，Mpa ≥6.3 ≥8.0 ≥8.0 HG/T2404,GB528
    15 扯斷伸長率，% 675 ≥725 ≥725 HG/T2404,GB528
    16 凝膠含量，粒/10克 無要求 0 0 水浸法
    17 分散系數，% 無要求 100 100 光學顯微鏡法
    目前，我公司的產品主要滿足硅橡膠、涂料、牙膏、醫藥等方面的用戶的需要，實際產量只有3萬噸/年，還不能開辟輪胎市場；第二期工程擬建12-15萬噸生產總量，最遲明年初啟動，年底投產，那時我們將大力開拓輪胎用市場和其他橡膠制品市場。

    五、結束語

    落實科學發展觀，大力支持發展無凝膠高分散白炭黑的生產。

    科學發展觀就是堅持以人為本，全面協調，可持續的發展觀。從國際上來看，二次世界大戰后，許多國家，特別是一些發達國家，由于沒有把握好正確的發展觀，偏重于物質財富的增長，帶來了資源短缺，環境惡化，生態危機的負面影響，在我國也有類似的經驗教訓，經濟快速增長了，但加劇了資源枯竭和生態環境的惡化，造成資源（能源）過度消耗后，再來節約；，環境惡化了，再來治理，這樣就付出了沉重的代價，這是擺在我們面前的嚴峻現實。中央提出科學發展觀，正是扭轉這種局面的唯一正確選擇。

    那么怎樣落實科學發展觀呢？首先要落實“綠色”的科學決策，推廣“綠色”科學的生產方式，推行循環經濟——使所有物質和能源都得到合理的循環利用，拋棄浪費和污染，促進經濟環境和社會的協調發展。為此，我建議在我們這個行業中，國家應大力支持無凝膠高分散白炭黑這個萬能、神奇、綠色化工助劑的生產。

    1、 由于炭黑是高能耗產品，其能耗是沉淀白炭黑的2.8~4.33倍，且其原料是石油及煤產品，是不可再生能源，在我國和世界范圍內其用量呈快速上升趨勢，供應處于緊張狀態，價格不斷攀升。為此，建議國家盡快調整產業政策和產品結構，壓縮炭黑生產，增加沉淀白炭黑生產。

    2、 為彌補炭黑減少帶來的空缺，集中科研力量，大力開發增加易分散白炭黑（EDS）高分散白炭黑（HDS），特別是無凝膠高分散白炭黑（NHDS）的產量，目前該產品已有一定的規模，國家應重點扶持，使之快速發展。

    3、 我國的各類汽車持有量越來越大，尾氣排放量也越來越大，對環保壓力也越來越大，除減少炭黑的生產和應用外，應加速綠色輪胎的開發和生產，以減少汽油、柴油的消耗，節約能源和減少對環境的污染。

    4、 國外跨國公司已在中國大量生產炭黑，消耗的是我國的不可再生能源，留下的是高污染，帶走的是高額利潤，這種局面應該改變，給子孫后代留點可持續發展的資源環境。

    能源和環保的壓力越來越大，國家應像歐盟那樣，迅速做出決策，大力支持用白炭黑代替炭黑用于橡膠類產品，特別是綠色輪胎的生產，促進經濟可持續發展。

   
    參考文獻：

    1.《炭黑生產污水處理技術及設備開發和應用》 中橡集團炭黑工業研究設計院  周曉東
    2.《白炭黑在輪胎配方中的應用》  杭州中策橡膠有限公司新安江輪胎廠  徐世傳等