Технически въглерод, неговото производство

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-17 18:41

Въглеродните сажди (GOST 7885-86) са вид промишлени въглеродни продукти, използвани главно при производството на каучук като пълнител, който подобрява полезните му експлоатационни свойства. За разлика от кокса и смола, той се състои от почти един въглерод, прилича на сажди.

Обхват на приложение

Приблизително 70% от произведените сажди се използват за производството на гуми, 20% - за производството на каучукови изделия. Също така техническият въглерод се използва в производството на бои и лакове и в производството на печатарски мастила, където действа като черен пигмент.

Друга област на приложение е производството на пластмаси и кабелни обвивки. Тук продуктът се добавя като пълнител и за придаване на специални свойства на продуктите. Въглеродните сажди също се използват в малки количества в други индустрии.

Характеристика

Въглеродните сажди са продукт на процес, който включва най-новите инженерни и контролни техники. Благодарение на своята чистота и строго определен наборфизични и химични свойства, няма нищо общо със саждите, получени като замърсен страничен продукт от изгарянето на въглища и мазут, или от работата на нерегулирани двигатели с вътрешно горене. Според общоприетата международна класификация, сажди са обозначени Carbon Black (черен въглерод в превод от английски), саждите на английски са сажди. Тоест тези понятия в момента не са смесени по никакъв начин.

Ефектът от подсилване, дължащ се на пълненето на каучуците с сажди, беше не по-малко важен за развитието на каучуковата индустрия от откриването на феномена вулканизация на каучук със сяра. В каучуковите смеси въглеродът от голям брой съставки, използвани по тегло, заема второ място след каучука. Влиянието на качествените показатели на сажди върху свойствата на каучуковите изделия е много по-голямо от показателите за качество на основната съставка - каучук.

Укрепващи свойства

Подобряването на физическите свойства на материала чрез въвеждане на пълнител се нарича подсилване (подсилване), а такива пълнители се наричат усилватели (сажди, утаен силициев оксид). Сред всички усилватели техническият въглерод има наистина уникални характеристики. Дори преди вулканизацията, тя се свързва с каучук и тази смес не може да бъде напълно разделена на сажди и каучук с разтворители.

Якостта на гумите на основата на най-важните еластомери:

Еластомер	Якост на опън, MPa
	Ненапълнен вулканизиран материал	Вулканизация, пълна с сажди
Стирен-бутадиен каучук	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Полиакрилатен каучук	2, 1	17, 6
Полибутадиен каучук	5, 6	21, 1

Таблицата показва свойствата на вулканизаторите, получени от различни видове каучук без пълнеж и пълни с сажди. От горните данни може да се види как въглеродният пълнеж значително влияе върху якостта на опън на гумата. Между другото, други диспергирани прахове, използвани в каучукови смеси, за да придадат желания цвят или да намалят цената на сместа - креда, каолин, талк, железен оксид и други нямат подсилващи свойства.

Структура

Чистите естествени въглероди са диаманти и графит. Те имат кристална структура, която значително се различава една от друга. Приликата в структурата на естествения графит и изкуствения материал сажди е установена чрез рентгенова дифракция. Въглеродните атоми в графита образуват големи слоеве от кондензирани ароматни пръстенни системи с междуатомно разстояние от 0,142 nm. Тези графитни слоевекондензираните ароматни системи се наричат базални равнини. Разстоянието между равнините е строго определено и е 0,335 nm. Всички слоеве са успоредни един на друг. Плътността на графита е 2.26g/cm3.

За разлика от графита, който има триизмерен ред, техническият въглерод се характеризира само с двуизмерен ред. Състои се от добре развити графитни равнини, разположени приблизително успоредно една на друга, но изместени по отношение на съседни слоеве - тоест равнините са произволно ориентирани спрямо нормата.

Графитната структура е образно сравнена с добре сгънато тесте карти, а структурата на сажди се сравнява с тесте карти, в което картите са изместени. При него междуплоскостното разстояние е по-голямо от това на графита и е 0,350-0,365 nm. Следователно, плътността на сажди е по-ниска от плътността на графита и е в диапазона от 1,76-1,9 g/cm³, в зависимост от марката (най-често 1,8 g/cm ^3).

Оцветяване

Пигментираните (оцветяващи) сажди се използват в производството на печатарски мастила, покрития, пластмаси, влакна, хартия и строителни материали. Те са класифицирани в:

• високоцветни сажди (HC);
• средно (MS);
• нормално оцветяване (RC);
• нисък цвят (LC).

Третата буква показва метода на получаване - пещ (F) или канал (C). Пример за обозначение: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

Оцветяващата сила на даден продукт е свързана с размера на частиците му. В зависимост от техния размер техническият въглерод се разделя на групи:

Среден размер на частиците, nm	Черен клас на пещта
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Класификация

Техническият въглерод за каучук според степента на подсилващ ефект се разделя на:

• Силно укрепващ (протектор, твърд). Отличава се с повишена издръжливост и устойчивост на износване. Размерът на частиците е малък (18-30 nm). Използва се в конвейерни ленти, протектори на гуми.
• Полу-усилващи (рамки, меки). Размерът на частиците е среден (40-60 nm). Използват се в различни каучукови изделия, трупове на гуми.
• Ниска печалба. Размерът на частиците е голям (над 60 nm). Ограничена употреба в производството на гуми. Осигурява необходимата здравина, като същевременно поддържа висока еластичност в гумените изделия.

Пълната класификация на сажди е дадена в ASTM D1765-03, приета от всички световни производители и потребители на продукти. В него класификацията по-специално се извършва според обхвата на специфичната повърхност на частиците:

Групова	Средна специфична площповърхност чрез адсорбция на азот, m2/g
0	>150
1	121-150
2	100-120
3	70-99
4	50-69
5	40-49
6	33-39
7	21-32
8	11-20
9	0-10

Производство на сажди

Има три технологии за производство на индустриални сажди, които използват непълен цикъл на горене на въглеводороди:

• пещ;
• канал;
• tube;
• плазма.

Има също термичен метод, който разлага ацетилен или природен газ при високи температури.

Множество класове, произведени по различни технологии, имат различни характеристики.

Производствена технология

Теоретично е възможно да се получат сажди чрез всички горепосочени методи, но повече от 96% от произведения продукт се получава по метода на пещта от течни суровини. Методът дава възможност да се получат различни степени на сажди с определен набор от свойства. Например, заводът за сажди в Омск произвежда повече от 20 класа сажди, използвайки тази технология.

Общата технология е следната. Реакторът, облицован с високо огнеупорни материали, се захранва с природен газ и въздух, загрят до 800°C. Поради изгарянето на природен газ се образуват продукти от пълно горене с температура 1820-1900 ° C, съдържащи определено количество свободен кислород. Течните въглеводородни суровини се впръскват във високотемпературните продукти на пълното горене, като предварително се смесват и загряват до 200-300 °C. Пиролизата на суровините се извършва при строго контролирана температура, която в зависимост от марката на произвежданите сажди има различни стойностиот 1400 до 1750°С.

На определено разстояние от мястото на доставка на суровини, термоокислителната реакция се спира чрез инжектиране на вода. Образуваните в резултат на пиролизата въглеродни сажди и реакционните газове постъпват във въздушния нагревател, където отдават част от топлината си на въздуха, използван в процеса, докато температурата на въглеродно-газовата смес намалява от 950-1000 °С до 500-600 °С.

След охлаждане до 260-280 °C поради допълнително впръскване на вода, сместа от сажди и газове се изпраща към филтъра за ръкав, където сажди се отделят от газовете и влизат във филтърния бункер. Отделената сажда от филтърния кош се подава през газопровода от вентилатор (турбо вентилатор) към секцията за гранулиране.

Производители на сажди

Световното производство на сажди надхвърля 10 милиона тона. Такова голямо търсене на продукта се обяснява преди всичко с неговите уникални подсилващи свойства. Локомотивите на индустрията са:

• Aditya Birla Group (Индия) - около 15% от пазара.
• Cabot Corporation (САЩ) - 14% от пазара.
• Orion Engineered Carbons (Люксембург) - 9%.

Най-големите руски производители на въглерод:

• Omsktehuglerod LLC – 40% от руския пазар. Заводи в Омск, Волгоград, Могилев.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.