کربن فنی، تولید آن

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-17 18:49

کربن سیاه (GOST 7885-86) نوعی از محصولات کربنی صنعتی است که عمدتاً در تولید لاستیک به عنوان پرکننده استفاده می شود که خواص عملکرد مفید آن را افزایش می دهد. برخلاف کک و زمین، تقریباً از یک کربن تشکیل شده است که شبیه دوده است.

دامنه کاربرد

تقریباً 70 درصد کربن سیاه تولید شده برای ساخت لاستیک و 20 درصد برای تولید محصولات لاستیکی استفاده می شود. همچنین کربن فنی در تولید رنگ و ورنی و در تولید جوهرهای چاپی استفاده می شود که به عنوان رنگدانه سیاه عمل می کند.

یکی دیگر از زمینه های کاربردی تولید پلاستیک و روکش کابل است. در اینجا محصول به عنوان پرکننده اضافه می شود و به محصولات خاصیت خاصی می بخشد. کربن سیاه در حجم های کوچک در سایر صنایع نیز استفاده می شود.

ویژگی

کربن سیاه محصول فرآیندی است که جدیدترین تکنیک های مهندسی و کنترل را در خود جای داده است. به دلیل خلوص و مجموعه کاملاً تعریف شده آنخواص فیزیکی و شیمیایی آن هیچ ربطی به دوده تولید شده به عنوان یک محصول جانبی آلوده از سوزاندن زغال سنگ و نفت کوره یا عملکرد موتورهای احتراق داخلی غیرقابل تنظیم ندارد. طبق طبقه بندی بین المللی پذیرفته شده کلی، کربن سیاه به نام کربن سیاه (کربن سیاه از انگلیسی ترجمه شده است)، دوده در انگلیسی دوده است. یعنی در حال حاضر این مفاهیم به هیچ وجه با هم مخلوط نشده اند.

تأثیر تقویت به دلیل پر شدن لاستیک ها با کربن سیاه کمتر از کشف پدیده ولکانیزاسیون لاستیک با گوگرد برای توسعه صنعت لاستیک اهمیت نداشت. در ترکیبات لاستیک، کربن حاصل از تعداد زیادی از مواد مورد استفاده بر حسب وزن پس از لاستیک در جایگاه دوم قرار می گیرد. تأثیر شاخص های کیفیت کربن سیاه بر خواص محصولات لاستیکی بسیار بیشتر از شاخص های کیفی ماده اصلی - لاستیک است.

خواص تقویت کننده

بهبود خواص فیزیکی یک ماده با معرفی یک پرکننده، تقویت کننده (تقویت کننده) و به این پرکننده ها تقویت کننده (کربن سیاه، اکسید سیلیکون رسوبی) گفته می شود. در بین تمام تقویت کننده ها، کربن فنی واقعاً ویژگی های منحصر به فردی دارد. حتی قبل از ولکانیزاسیون، به لاستیک متصل می شود و این مخلوط را نمی توان به طور کامل به کربن سیاه و لاستیک با حلال ها جدا کرد.

استحکام لاستیک ها بر اساس مهمترین الاستومرها:

الاستومر	استحکام کششی، MPa
	ولکانیزاسیون پر نشده	ولکانیزاسیون پر شده با کربن سیاه
لاستیک استایرن بوتادین	3، 5	24, 6
NBR	4، 9	28، 1
EPDM	3، 5	21، 1
لاستیک پلی آکریلات	2، 1	17, 6
لاستیک پلی بوتادین	5, 6	21، 1

جدول خواص ولکانیزه های بدست آمده از انواع لاستیک بدون پر کردن و پر شده با کربن سیاه را نشان می دهد. از داده های بالا می توان دریافت که چگونه پر شدن کربن به طور قابل توجهی بر استحکام کششی لاستیک تأثیر می گذارد. به هر حال، سایر پودرهای پراکنده مورد استفاده در ترکیبات لاستیک برای دادن رنگ دلخواه یا کاهش هزینه مخلوط - گچ، کائولن، تالک، اکسید آهن و غیره خاصیت تقویت کنندگی ندارند.

ساختار

کربنهای طبیعی خالص الماس و گرافیت هستند. آنها ساختار کریستالی دارند که به طور قابل توجهی با یکدیگر متفاوت است. شباهت در ساختار گرافیت طبیعی و مواد مصنوعی کربن سیاه با پراش اشعه ایکس مشخص شد. اتم های کربن در گرافیت لایه های بزرگی از سیستم های حلقه آروماتیک متراکم را با فاصله بین اتمی 0.142 نانومتر تشکیل می دهند. این لایه های گرافیتیسیستم های آروماتیک متراکم صفحات پایه نامیده می شوند. فاصله بین هواپیماها کاملاً مشخص است و 0.335 نانومتر است. همه لایه ها موازی یکدیگر هستند. چگالی گرافیت 2.26 گرم در سانتی متر است3.

بر خلاف گرافیت که دارای نظم سه بعدی است، کربن فنی فقط با نظم دو بعدی مشخص می شود. از صفحات گرافیت به خوبی توسعه یافته تشکیل شده است که تقریباً به موازات یکدیگر قرار دارند، اما نسبت به لایه های مجاور جابجا می شوند - یعنی صفحات به طور دلخواه نسبت به حالت عادی جهت گیری می کنند.

ساختار گرافیت به طور مجازی با عرشه کارت‌هایی که به‌خوبی تا شده است مقایسه می‌شود، و ساختار کربن سیاه با دسته‌ای از کارت‌ها که در آن کارت‌ها جابه‌جا شده‌اند مقایسه می‌شود. در آن، فاصله بین سطحی بیشتر از گرافیت است و 0.350-0.365 نانومتر است. بنابراین، چگالی کربن سیاه کمتر از چگالی گرافیت است و در محدوده 1.76-1.9 g/cm³، بسته به نام تجاری (اغلب 1.8 g/cm است. ^3).

رنگ‌آمیزی

گریدهای رنگی (رنگی) کربن سیاه در تولید جوهر چاپ، پوشش، پلاستیک، الیاف، کاغذ و مصالح ساختمانی استفاده می شود. آنها به این دسته طبقه بندی می شوند:

• سیاه کربنی رنگ بالا (HC);
• متوسط (MS);
• رنگ‌آمیزی معمولی (RC);
• رنگ کم (LC).

حرف سوم روش به دست آوردن - کوره (F) یا کانال (C) را نشان می دهد. مثال تعیین: HCF - کوره با رنگ مشکی (کوره رنگی Hiqh).

قدرت رنگ دهی یک محصول به اندازه ذرات آن مربوط می شود. کربن فنی بسته به اندازه آنها به گروه هایی تقسیم می شود:

اندازه متوسط ذرات، نانومتر	درجه سیاه کوره
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

طبقه بندی

کربن فنی برای لاستیک با توجه به درجه اثر تقویت کننده به: تقسیم می شود

• بسیار تقویت کننده (آج، سخت). با افزایش دوام و انعطاف پذیری در برابر ساییدگی اختصاص یافته است. اندازه ذرات کوچک است (18-30 نانومتر). مورد استفاده در تسمه نقاله، آج لاستیک.
• نیمه تقویت کننده (چارچوب، نرم). اندازه ذرات متوسط (40-60 نانومتر) است. آنها در محصولات لاستیکی متنوع، لاشه تایر استفاده می شوند.
• سود کم. اندازه ذرات بزرگ است (بیش از 60 نانومتر). استفاده محدود در صنعت تایر استحکام لازم را با حفظ خاصیت ارتجاعی بالا در محصولات لاستیکی فراهم می کند.

طبقه بندی کامل کربن سیاه در ASTM D1765-03 ارائه شده است که توسط تمام تولید کنندگان و کاربران جهانی محصول پذیرفته شده است. در آن، طبقه بندی، به ویژه، با توجه به محدوده سطح ویژه ذرات انجام می شود:

گروه	منطقه خاص متوسطسطح توسط جذب نیتروژن، 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

تولید کربن سیاه

سه فناوری برای تولید کربن سیاه صنعتی وجود دارد که از چرخه احتراق ناقص هیدروکربن ها استفاده می کند:

• کوره;
• کانال;
• لوله;
• پلاسما.

روش حرارتی نیز وجود دارد که استیلن یا گاز طبیعی را در دماهای بالا تجزیه می کند.

گریدهای چندگانه تولید شده توسط فناوری های مختلف ویژگی های متفاوتی دارند.

فناوری تولید

از نظر تئوری بدست آوردن کربن بلک با تمامی روشهای فوق امکان پذیر است، البته بیش از ۹۶ درصد محصول تولیدی به روش کوره از مواد اولیه مایع به دست می آید. این روش به دست آوردن درجات مختلف کربن سیاه با مجموعه خاصی از خواص را امکان پذیر می کند.به عنوان مثال، کارخانه کربن سیاه Omsk با استفاده از این فناوری بیش از 20 درجه کربن سیاه تولید می کند.

تکنولوژی کلی این است. این راکتور که با مواد بسیار نسوز پوشانده شده است، با گاز طبیعی و هوای گرم شده تا دمای 800 درجه سانتیگراد تغذیه می شود. در اثر احتراق گاز طبیعی، محصولات احتراق کامل با دمای 1820-1900 درجه سانتیگراد، حاوی مقدار مشخصی اکسیژن آزاد تشکیل می شوند. مواد خام هیدروکربن مایع به محصولات با دمای بالا از احتراق کامل تزریق می شود، از قبل کاملاً مخلوط شده و تا دمای 200-300 درجه سانتیگراد گرم می شود. پیرولیز مواد خام در دمای کاملاً کنترل شده ای انجام می شود که بسته به برند کربن بلک تولیدی، مقادیر متفاوتی از 1400 تا 1750 درجه سانتی گراد دارد.

در فاصله معینی از محل تامین مواد اولیه، واکنش حرارتی اکسیداتیو با تزریق آب متوقف می شود. کربن سیاه و گازهای واکنش تشکیل شده در نتیجه تجزیه در اثر حرارت وارد بخاری هوا می شوند، جایی که بخشی از گرمای خود را به هوای مورد استفاده در این فرآیند می دهند، در حالی که دمای مخلوط کربن و گاز از 950 تا 1000 درجه سانتیگراد کاهش می یابد. 500-600 درجه سانتیگراد.

پس از خنک شدن در دمای 260-280 درجه سانتی گراد به دلیل تزریق آب اضافی، مخلوط کربن سیاه و گازها به فیلتر کیسه ای فرستاده می شود و کربن سیاه از گازها جدا شده و وارد قیف فیلتر می شود. کربن سیاه جدا شده از سطل فیلتر از طریق خط لوله گاز توسط یک فن (توربو دمنده) به بخش دانه بندی وارد می شود.

تولیدکنندگان کربن سیاه

تولید جهانی کربن سیاه از 10 میلیون تن فراتر رفت. چنین تقاضای زیادی برای محصول، اول از همه، با خواص تقویت کننده منحصر به فرد آن توضیح داده می شود. لوکوموتیوهای این صنعت عبارتند از:

• Aditya Birla Group (هند) - حدود 15٪ از بازار.
• Cabot Corporation (ایالات متحده آمریکا) - 14٪ از بازار.
• کربنهای مهندسی شده Orion (لوکزامبورگ) - 9%.

بزرگترین تولیدکنندگان کربن روسیه:

• Omsktehuglerod LLC - 40٪ از بازار روسیه. کارخانه ها در اومسک، ولگوگراد، موگیلف.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.