Технический углерод

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Технический углерод (техуглерод, ТУ, англ. Carbon black) — высокодисперсный аморфный углеродный продукт, производимый в промышленных масштабах.

Иногда для наименования технического углерода применяют термин «сажа», что является неточным, поскольку он (в отличие от термина «техуглерод») описывает углеродные продукты, полученные в неконтролируемых условиях, для которых не характерен фиксированный набор свойств.

Структура[править | править исходный текст]

Частицы технического углерода представляют собой глобулы, состоящие из деградированных графитовых структур. Межплоскостное расстояние между графитоподобными слоями составляет 0,35—0,365 нм (для сравнения, в графите 0,335 нм).

Размер частиц (13—120 нм) определяет «дисперсность» техуглерода. Физико-химическим показателем, характеризующим дисперсность, является удельная поверхность. Поверхность частиц обладает шероховатостью, за счёт наползающих друг на друга слоёв. Мерой шероховатости служит соотношение между показателями удельной поверхности техуглерода и его йодным числом (поскольку йодное число определяет полную поверхность частиц с учётом шероховатостей).

Частицы в процессе получения объединяются в т. н. «агрегаты», характеризуемые «структурностью» — разветвлённостью — мерой которой служит показатель абсорбции масла.

Агрегаты слипаются в менее прочные образования — «хлопья».

Кроме атомов углерода в составе технического углерода присутствуют атомы серы, кислорода, азота.

Техуглерод обладает высокоразвитой поверхностью (5—150 м²/г), со значительной активностью. На поверхности обнаруживаются т. н. концевые группы (-COOH, -CHO, -OH, -C(O)-O-, -C(O)-), а также сорбированные остатки неразложившихся углеводородов. Их количество напрямую зависит от способа получения и последующей обработки углеродных частиц. Для получения пигментов часто частицы техуглерода подвергают окислительной обработке кислотами.

Истинная плотность частиц технического углерода — 1,76—1,9 г/см³. Насыпная плотность хлопьевидного («пылящего») техуглерода составляет 30—70 кг/м³. Для удобства транспортирования и использования технический углерод гранулируют до плотности 300—600 кг/м³.

Применение[править | править исходный текст]

Технический углерод применяется в качестве усиливающего компонента в производстве резин и других пластических масс. Около 70 % всего выпускаемого техуглерода используется в производстве шин, ~20 % в производстве резино-технических изделий. Остальное количество находит применение в качестве чёрного пигмента; замедлителя «старения» пластмасс; компонента, придающего пластмассам специальные свойства: (электропроводные, способность поглощать ультрафиолетовое излучение, излучение радаров).

Усиление резин[править | править исходный текст]

Усиливающее действие техуглерода в составе полимеров во многом обусловлено его поверхностной активностью. Оценить степень изменения свойств резиновых вулканизатов, содержащих 50 % по массе технического углерода разных марок, можно на основе следующих данных (в качестве основы использован БСК — бутадиен-стирольный каучук):

Наименование класса Код Марка по
ASTM D1765
Размер
частиц, нм
Растягивающее
усилие, МПа
Сопротивление
истиранию, усл.ед.
Суперстойкий к истиранию, печной SAF N110 20—25 25,2 1,35
Промежуточный ISAF N220 24—33 23,1 1,25
С высокой стойкостью к истиранию, печной HAF N330 28—36 22,4 1,00
Быстроэкструдирующийся печной FEF N550 39—55 18,2 0,64
Высокомодульный печной HMF N683 49—73 16,1 0,56
Полуусиливающий печной SRF N772 70—96 14,7 0,48
Средний термический MT N990 250—350 9,8 0,18
Каучук бутадиен-стирольный 2,5 ~0

Следует отметить, что кроме прекрасных физических свойств техуглерод придаёт наполненным полимерам чёрную окраску. В связи с чем, для производства пластмасс, для которых важен конечный цвет (например обувной пластикат) в качестве усиливающего наполнителя применяют т. н. «белую сажу» (аэросил) — высокодисперсный оксид кремния.

Справедливости ради следует отметить, что доля «белой сажи» возрастает и в производстве автомобильных шин, поскольку резиновые вулканизаты на её основе обладают значительно меньшими потерями на трение при качении, что приводит к экономии топлива. Однако, усиливающее действие «белой сажи» и сопротивляемость вулканизатов истиранию пока существенно хуже, чем при использовании техуглерода.

Способы получения[править | править исходный текст]

Существует несколько промышленных способов получения технического углерода. В основе всех лежит термическое (пиролиз) или термоокислительное разложение жидких или газообразных углеводородов. В зависимости от применяемого сырья и метода его разложения различают:

  • печной — непрерывный процесс, осуществляемый в закрытых цилиндрических проточных реакторах. Жидкое углеводородное сырьё впрыскивается механическими или пневматическими форсунками в поток газов полного сгорания топлива (природный газ, дизельное топливо), причём расходы всех материальных потоков поддерживаются на заданном уровне. Полученную реакционную смесь для прекращения реакций газификации охлаждают, впрыскивая в поток воду. Техуглерод выделяют из отходящего газа и гранулируют;
  • ламповый — непрерывный процесс, осуществляемый в специальных проточных реакторах. Жидкое углеводородное сырьё испаряется за счёт подвода теплоты к чаше, в которой оно находится. Пары сырья увлекают во внутрь реактора наружный воздух через кольцевой зазор между приёмным зонтом реактора и чашей для сырья. Материальные потоки контролируются лишь частично. Реакционный канал в хвостовой части реактора охлаждается через стенку водой. Техуглерод выделяют из отходящего газа и упаковывают;
  • термический — процесс осуществляется в парных реакторах объёмного типа, работающих попеременно. В один из реакторов подают газ (природный, ацетилен) в смеси с воздухом, который, сгорая, нагревает футеровку реактора. В это время во второй предварительно нагретый реактор подают только газ (без воздуха), в ходе протекания реакции футеровка остывает, подачу газа переводят в подготовленный реактор, а остывший разогревают, как описано выше;
  • канальный — периодический процесс, осуществляемый в специальных камерах периодического действия, в полу которых установлены щелевые (канальные) горелки. Пламя сгорающего сырья (природный газ) на выходе из горелок сталкивается с охлаждаемым водой металлическим жёлобом, процесс окисления прекращается с выделением техуглерода, который собирается внутри камеры. Полученный продукт периодически выгружают вручную.

Классификация[править | править исходный текст]

В РФ применяются две классификации технического углерода по ГОСТ 7885 и стандарту американского общества испытания материалов ASTM D1765.

В соответствии с классификацией по ГОСТ установлены 10 марок технического углерода. В зависимости от способа получения (печной, канальный, термический) маркам присвоены буквенные индексы «П», «К», «Т». Следующий за буквенным цифровой индекс характеризует средний размер частиц техуглерода в целых десятках нанометров. Два последних цифровых индекса выбирались при утверждении марки.
Основные физико-химические характеристики показатели марок техуглерода по ГОСТ приведены ниже:

Марка по
ГОСТ 7885
Удельная поверхность,
10³м²/кг
Йодное число,
г/кг
Абсорбция масла,
10−5м³/кг
Насыпная плотность,
кг/м³
П245 119 121 103 330
П234 109 105 101 340
К354 150
П324 84 84 100 340
П514 43 101 340
П701 36 65 420
П702 37,5 70 400
П705 23 110 320
П803 16 83 320
Т900 14


В основе классификации по стандарту ASTM D1765 лежит способность некоторых марок техуглерода изменять скорость вулканизации резиновых смесей. В зависимости от чего маркам присвоены буквенные индексы «N» (с нормальной скоростью вулканизации) и «S» (с замедленной скоростью вулканизации, от англ. «slow» — медленный). Следующий за буквенным цифровой индекс — номер группы марок по средней удельной поверхности. Два последних цифровых индекса выбирались при утверждении марки.
Стандартом описаны (по состоянию на 2006 год) 43 марки техуглерода, из которых индекс «S» имеют 2.
Основные физико-химические характеристики показатели типичных марок техуглерода по ASTM приведены ниже:

Марка по
ASTM D1765
Удельная поверхность,
10³м²/кг
Йодное число,
г/кг
Абсорбция масла,
10−5м³/кг
Насыпная плотность,
кг/м³
N110 127 145 113 345
N220 114 121 114 355
S315 89 79 425
N330 78 82 102 380
N550 40 43 121 360
N683 36 35 133 355
N772 32 30 65 520
N990 8 43 640

Воздействие на человека[править | править исходный текст]

По текущим оценкам Международного агентства по исследованиям в области рака, технический углерод, возможно, является канцерогенным веществом для человека и по этой причине отнесён к группе 2B по классификации канцерогенных веществ. Кратковременное воздействие высоких концентраций пыли техуглерода может вызывать дискомфорт в верхних дыхательных путях за счёт механического раздражения.

Ведущие производители[править | править исходный текст]

  • Доля лидирующих производителей техуглерода в мировом производстве составляет:
    «Birla» — 14,8 %;
    «Cabot Corporation» — 14,2 %;
    «Orion Engineered Carbons» (бывшая Degussa) — 9,5 %;

Мировое производство технического углерода в 2009 году составило около 10 000 000 тонн.

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]

Литература[править | править исходный текст]

  • В. И. Ивановский. Технический углерод. Процессы и аппараты: Учебное пособие. — Омск: ОАО «Техуглерод», 2004.