Technický uhlík, jeho výroba

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-17 19:06

Uhlíková čerň (GOST 7885-86) je typ priemyselných uhlíkových produktov používaných hlavne pri výrobe gumy ako plniva, ktoré zvyšuje jej úžitkové vlastnosti. Na rozdiel od koksu a smoly pozostáva takmer z jedného uhlíka, vyzerá ako sadze.

Rozsah aplikácie

Približne 70 % vyrobených sadzí sa používa na výrobu pneumatík, 20 % na výrobu gumových produktov. Technický uhlík sa tiež používa pri výrobe farieb a lakov a pri výrobe tlačiarenských farieb, kde pôsobí ako čierny pigment.

Ďalšou oblasťou použitia je výroba plastov a káblových plášťov. Tu sa produkt pridáva ako plnivo a dodáva produktu špeciálne vlastnosti. Sadze sa v malom množstve používajú aj v iných odvetviach.

Charakteristika

Uhlíková čerň je produktom procesu, ktorý zahŕňa najnovšie inžinierske a kontrolné techniky. Vďaka svojej čistote a prísne definovanej zostavefyzikálnymi a chemickými vlastnosťami nemá nič spoločné so sadzami, ktoré vznikajú ako znečistený vedľajší produkt pri spaľovaní uhlia a vykurovacieho oleja alebo pri prevádzke neregulovaných spaľovacích motorov. Podľa všeobecne uznávanej medzinárodnej klasifikácie sú sadze označené Carbon Black (čierny uhlík preložený z angličtiny), sadze v angličtine sú sadze. To znamená, že tieto koncepty nie sú v súčasnosti žiadnym spôsobom zmiešané.

Efekt spevnenia vďaka plneniu gúm sadzami bol pre rozvoj gumárenského priemyslu nemenej dôležitý ako objav fenoménu vulkanizácie kaučuku sírou. V kaučukových zmesiach je uhlík z veľkého počtu hmotnostne použitých prísad na druhom mieste po kaučuku. Vplyv indikátorov kvality sadzí na vlastnosti gumových výrobkov je oveľa väčší ako indikátory kvality hlavnej zložky - gumy.

Vystužujúce vlastnosti

Zlepšenie fyzikálnych vlastností materiálu zavedením plniva sa nazýva výstuž (výstuž) a takéto plnivá sa nazývajú zosilňovače (sadze, vyzrážaný oxid kremičitý). Medzi všetkými zosilňovačmi má technický uhlík skutočne jedinečné vlastnosti. Už pred vulkanizáciou sa viaže na gumu a túto zmes nie je možné rozpúšťadlami úplne rozdeliť na sadze a gumu.

Sila gumy na základe najdôležitejších elastomérov:

Elastomer	Pevnosť v ťahu, MPa
	Neplnený vulkanizát	Vulkanizát plnený sadzami
styrén-butadiénová guma	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Polyakrylátová guma	2, 1	17, 6
Polybutadiénový kaučuk	5, 6	21, 1

V tabuľke sú uvedené vlastnosti vulkanizátov získaných z rôznych druhov kaučuku bez náplne a plnených sadzami. Z vyššie uvedených údajov je vidieť, ako uhlíková výplň výrazne ovplyvňuje pevnosť gumy v ťahu. Mimochodom, iné disperzné prášky používané v kaučukových zmesiach na dodanie požadovanej farby alebo zníženie ceny zmesi - krieda, kaolín, mastenec, oxid železitý a iné nemajú spevňujúce vlastnosti.

Štruktúra

Čisto prírodné uhlíky sú diamanty a grafit. Majú kryštalickú štruktúru, ktorá sa navzájom výrazne líši. Podobnosť v štruktúre prírodného grafitu a umelého materiálu sadzí bola stanovená röntgenovou difrakciou. Atómy uhlíka v grafite tvoria veľké vrstvy kondenzovaných aromatických kruhových systémov s medziatómovou vzdialenosťou 0,142 nm. Tieto grafitové vrstvykondenzované aromatické systémy sa nazývajú bazálne roviny. Vzdialenosť medzi rovinami je presne definovaná a je 0,335 nm. Všetky vrstvy sú navzájom rovnobežné. Hustota grafitu je 2,26 g/cm3.

Na rozdiel od grafitu, ktorý má trojrozmerné usporiadanie, sa technický uhlík vyznačuje iba dvojrozmerným usporiadaním. Pozostáva z dobre vyvinutých grafitových rovín, umiestnených približne navzájom rovnobežne, ale presadených vzhľadom na susedné vrstvy – to znamená, že roviny sú ľubovoľne orientované vzhľadom na normálu.

Grafitová štruktúra je obrazne prirovnaná k úhľadne zloženému balíčku kariet a štruktúra sadzí je prirovnaná k balíčku kariet, v ktorom sú karty posunuté. V ňom je medzirovinná vzdialenosť väčšia ako u grafitu a je 0,350-0,365 nm. Preto je hustota sadzí nižšia ako hustota grafitu a pohybuje sa v rozmedzí 1,76-1,9 g/cm³ v závislosti od značky (najčastejšie 1,8 g/cm ^3).

Farba

Pigmentované (farbiace) druhy sadzí sa používajú pri výrobe tlačiarenských farieb, náterov, plastov, vlákien, papiera a stavebných materiálov. Sú klasifikované ako:

• vysokofarebné sadze (HC);
• stredné (MS);
• normálne sfarbenie (RC);
• nízka farba (LC).

Tretie písmeno označuje spôsob získania - pec (F) alebo kanál (C). Príklad označenia: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

Sila farby produktu súvisí s veľkosťou jeho častíc. Technický uhlík sa podľa veľkosti delí do skupín:

Priemerná veľkosť častíc, nm	Čierna kvalita pece
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Klasifikácia

Technický uhlík pre gumu podľa stupňa spevňujúceho účinku sa delí na:

• Vysoko spevňujúce (behúň, tvrdý). Vyznačuje sa zvýšenou trvanlivosťou a odolnosťou voči opotrebovaniu. Veľkosť častíc je malá (18-30 nm). Používa sa v dopravných pásoch, behúňoch pneumatík.
• Polovýstužné (kostrové, mäkké). Veľkosť častíc je priemerná (40-60 nm). Používajú sa v rôznych gumených výrobkoch, kostrách pneumatík.
• Nízky zisk. Veľkosť častíc je veľká (nad 60 nm). Obmedzené použitie v pneumatikárskom priemysle. Poskytuje potrebnú pevnosť pri zachovaní vysokej elasticity gumových výrobkov.

Úplná klasifikácia sadzí je uvedená v ASTM D1765-03, akceptovaná všetkými svetovými výrobcami a používateľmi produktov. V ňom sa klasifikácia vykonáva najmä podľa rozsahu špecifickej plochy povrchu častíc:

Skupina	Priemerná konkrétna oblasťpovrch adsorpciou dusíka, 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

Výroba sadzí

Existujú tri technológie na výrobu priemyselných sadzí, ktoré využívajú neúplný cyklus spaľovania uhľovodíkov:

• pec;
• kanál;
• tube;
• plazma.

Existuje aj tepelná metóda, ktorá rozkladá acetylén alebo zemný plyn pri vysokých teplotách.

Viaceré druhy vyrábané rôznymi technológiami majú rôzne vlastnosti.

Výrobná technológia

Teoreticky je možné získať sadze všetkými vyššie uvedenými spôsobmi, avšak viac ako 96 % vyrobeného produktu sa získava pecou z tekutých surovín. Metóda umožňuje získať rôzne druhy sadzí s určitým súborom vlastností. Napríklad závod na výrobu sadzí v Omsku pomocou tejto technológie vyrába viac ako 20 druhov sadzí.

Všeobecná technológia je toto. Reaktor, obložený vysoko žiaruvzdornými materiálmi, je napájaný zemným plynom a vzduchom ohriatym na 800 °C. V dôsledku spaľovania zemného plynu sa vytvárajú produkty úplného spaľovania s teplotou 1820-1900 ° C, ktoré obsahujú určité množstvo voľného kyslíka. Kvapalné uhľovodíkové suroviny sa vstrekujú do vysokoteplotných produktov úplného spaľovania, vopred sa dôkladne premiešajú a zahrejú na 200-300 °C. Pyrolýza surovín prebieha pri prísne kontrolovanej teplote, ktorá má v závislosti od značky vyrábaných sadzí rôzne hodnotyod 1400 do 1750° С.

V určitej vzdialenosti od miesta dodávky surovín sa termooxidačná reakcia zastaví vstreknutím vody. Sadze a reakčné plyny vznikajúce ako výsledok pyrolýzy vstupujú do ohrievača vzduchu, kde odovzdávajú časť svojho tepla vzduchu použitému v procese, pričom teplota zmesi uhlík-plyn klesá z 950-1000 °C na 500 – 600 °С.

Po ochladení na 260-280 °C v dôsledku dodatočného vstrekovania vody sa zmes sadzí a plynov posiela do vrecového filtra, kde sa sadze oddelia od plynov a vstupujú do násypky filtra. Oddelené sadze z filtračnej nádoby sa privádzajú cez plynovod ventilátorom (turbo dúchadlom) do granulačnej sekcie.

Výrobcovia sadzí

Globálna produkcia sadzí presahuje 10 miliónov ton. Taký veľký dopyt po produkte sa vysvetľuje predovšetkým jeho jedinečnými výstužnými vlastnosťami. Lokomotívy v tomto odvetví sú:

• Aditya Birla Group (India) – približne 15 % trhu.
• Cabot Corporation (USA) – 14 % trhu.
• Orion Engineered Carbons (Luxembursko) – 9 %.

Najväčší ruskí producenti uhlíka:

• Omsktehuglerod LLC – 40 % ruského trhu. Továrne v Omsku, Volgograde, Mogileve.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32 %.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17 %.