Technický uhlík, jeho výroba

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-17 18:44

Uhlíková čerň (GOST 7885-86) je druh průmyslových uhlíkových produktů používaných hlavně při výrobě pryže jako plniva, které zvyšuje jeho užitečné vlastnosti. Na rozdíl od koksu a smoly se skládá téměř z jednoho uhlíku, vypadá jako saze.

Rozsah použití

Přibližně 70 % vyrobených sazí se používá na výrobu pneumatik, 20 % na výrobu pryžových výrobků. Technický uhlík se také používá při výrobě barev a laků a při výrobě tiskařských barev, kde působí jako černý pigment.

Další oblastí použití je výroba plastů a kabelových plášťů. Zde se produkt přidává jako plnivo a dodává produktu speciální vlastnosti. Saze se v malých objemech používají také v jiných průmyslových odvětvích.

Charakteristika

Saze jsou produktem procesu, který zahrnuje nejnovější inženýrské a kontrolní techniky. Vzhledem k jeho čistotě a striktně definovanému setufyzikálními a chemickými vlastnostmi nemá nic společného se sazemi, které vznikají jako znečištěný vedlejší produkt při spalování uhlí a topného oleje nebo při provozu neregulovaných spalovacích motorů. Podle obecně uznávané mezinárodní klasifikace se saze označují jako Carbon Black (černý uhlík přeložený z angličtiny), saze v angličtině jsou saze. To znamená, že tyto koncepty nejsou v současné době žádným způsobem smíchány.

Efekt zpevnění díky plnění pryží sazemi byl pro rozvoj gumárenského průmyslu neméně důležitý než objev fenoménu vulkanizace pryže sírou. V kaučukových směsích zaujímá uhlík z velkého množství použitých hmotnostně druhé místo po kaučuku. Vliv ukazatelů kvality sazí na vlastnosti pryžových výrobků je mnohem větší než kvalitativní ukazatele hlavní složky - pryže.

Posilující vlastnosti

Zlepšení fyzikálních vlastností materiálu zavedením plniva se nazývá výztuž (výztuž) a taková plniva se nazývají zesilovače (saze, vysrážený oxid křemíku). Mezi všemi zesilovači má technický uhlík skutečně jedinečné vlastnosti. Již před vulkanizací se váže na kaučuk a tuto směs nelze pomocí rozpouštědel zcela rozdělit na saze a kaučuk.

Síla pryží založená na nejdůležitějších elastomerech:

Elastomer	Pevnost v tahu, MPa
	Neplněný vulkanizát	Vulkanizát plněný sazemi
styren-butadienový kaučuk	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Polyakrylátová pryž	2, 1	17, 6
Polybutadienový kaučuk	5, 6	21, 1

Tabulka ukazuje vlastnosti vulkanizátů získaných z různých typů pryže bez náplně a plněných sazemi. Z výše uvedených údajů je vidět, jak karbonová výplň výrazně ovlivňuje pevnost pryže v tahu. Mimochodem, další disperzní prášky používané v kaučukových směsích pro dosažení požadované barvy nebo snížení ceny směsi - křída, kaolin, mastek, oxid železa a další nemají zpevňující vlastnosti.

Struktura

Čistě přírodní uhlíky jsou diamanty a grafit. Mají krystalickou strukturu, která se od sebe výrazně liší. Podobnost ve struktuře přírodního grafitu a umělého materiálu sazí byla prokázána pomocí rentgenové difrakce. Atomy uhlíku v grafitu tvoří velké vrstvy kondenzovaných aromatických kruhových systémů s meziatomovou vzdáleností 0,142 nm. Tyto grafitové vrstvykondenzované aromatické systémy se nazývají bazální roviny. Vzdálenost mezi rovinami je přesně definována a je 0,335 nm. Všechny vrstvy jsou vzájemně rovnoběžné. Hustota grafitu je 2,26 g/cm3.

Na rozdíl od grafitu, který má trojrozměrné uspořádání, se technický uhlík vyznačuje pouze dvourozměrným uspořádáním. Skládá se z dobře vyvinutých grafitových rovin, umístěných přibližně vzájemně rovnoběžně, ale přesazených vzhledem k sousedním vrstvám - to znamená, že roviny jsou libovolně orientovány vzhledem k normále.

Grafitová struktura je obrazně přirovnána k úhledně složenému balíčku karet a struktura sazí je přirovnána k balíčku karet, ve kterém jsou karty posunuty. V něm je mezirovinná vzdálenost větší než u grafitu a je 0,350-0,365 nm. Hustota sazí je proto nižší než hustota grafitu a pohybuje se v rozmezí 1,76-1,9 g/cm³ v závislosti na značce (nejčastěji 1,8 g/cm ^3).

Coloring

Pigmentované (barvící) druhy sazí se používají při výrobě tiskařských barev, nátěrů, plastů, vláken, papíru a stavebních materiálů. Jsou klasifikovány do:

• vysokobarevné saze (HC);
• střední (MS);
• normální zbarvení (RC);
• nízká barva (LC).

Třetí písmeno označuje způsob získání - pec (F) nebo kanál (C). Příklad označení: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

Barevná síla produktu souvisí s velikostí jeho částic. Podle velikosti se technický uhlík dělí do skupin:

Průměrná velikost částic, nm	Pec černá jakost
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Klasifikace

Technický uhlík pro gumu podle stupně vyztužujícího účinku se dělí na:

• Vysoce zpevňující (běhoun, tvrdý). Je přiřazena se zvýšenou trvanlivostí a odolností proti opotřebení. Velikost částic je malá (18-30 nm). Používá se v dopravních pásech, běhounech pneumatik.
• Polovýztužné (rámové, měkké). Velikost částic je průměrná (40-60 nm). Používají se v různých pryžových výrobcích, kostrách pneumatik.
• Nízký zisk. Velikost částic je velká (přes 60 nm). Omezené použití v průmyslu pneumatik. Poskytuje potřebnou pevnost při zachování vysoké elasticity pryžových výrobků.

Úplná klasifikace sazí je uvedena v ASTM D1765-03, akceptována všemi světovými výrobci a uživateli produktů. V něm se klasifikace provádí zejména podle rozsahu měrného povrchu částic:

Skupina	Průměrná konkrétní oblastpovrch adsorpcí dusíku, 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 sazí

Existují tři technologie pro výrobu průmyslových sazí, které využívají neúplný spalovací cyklus uhlovodíků:

• pec;
• kanál;
• tube;
• plazma.

Existuje také tepelná metoda, která rozkládá acetylen nebo zemní plyn při vysokých teplotách.

Více druhů vyráběných různými technologiemi má různé vlastnosti.

Výrobní technologie

Teoreticky je možné saze získat všemi výše uvedenými metodami, avšak více než 96 % vyrobeného produktu se získává pecní metodou z kapalných surovin. Metoda umožňuje získat různé druhy sazí s určitým souborem vlastností. Například továrna na výrobu sazí v Omsku pomocí této technologie vyrábí více než 20 druhů sazí.

Obecná technologie je tato. Reaktor, vyložený vysoce žáruvzdornými materiály, je napájen zemním plynem a vzduchem ohřátým na 800 °C. Spalováním zemního plynu vznikají produkty úplného spalování o teplotě 1820-1900 °C, obsahující určité množství volného kyslíku. Kapalné uhlovodíkové suroviny se vstřikují do vysokoteplotních produktů úplného spalování, předem se důkladně promíchají a zahřejí na 200-300 °C. Pyrolýza surovin probíhá za přísně kontrolované teploty, která má v závislosti na značce vyráběných sazí různé hodnotyod 1400 do 1750° С.

V určité vzdálenosti od místa dodávky surovin je termooxidační reakce zastavena vstřikováním vody. Saze a reakční plyny vzniklé v důsledku pyrolýzy vstupují do ohřívače vzduchu, kde odevzdávají část svého tepla vzduchu použitému v procesu, přičemž teplota směsi uhlíku a plynu klesá z 950-1000 °C na 500–600 °С.

Po ochlazení na 260-280 °C díky dodatečnému vstřikování vody se směs sazí a plynů posílá do tkaninového filtru, kde se saze oddělují od plynů a vstupují do násypky filtru. Oddělené saze z filtrační nádoby jsou přiváděny plynovým potrubím ventilátorem (turbodmychadlem) do granulační sekce.

Výrobci sazí

Celosvětová produkce sazí přesahuje 10 milionů tun. Tak velká poptávka po produktu je vysvětlena především jeho jedinečnými vyztužujícími vlastnostmi. Lokomotivy v tomto odvětví jsou:

• Aditya Birla Group (Indie) – asi 15 % trhu.
• Cabot Corporation (USA) – 14 % trhu.
• Orion Engineered Carbons (Lucembursko) – 9 %.

Největší ruští producenti uhlíku:

• Omsktehuglerod LLC – 40 % ruského trhu. Továrny v Omsku, Volgogradu, Mogilevu.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32 %.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17 %.