По способу получения газовый технический углерод делится на 3 вида:
Из отходов нефтяного и каменноугольного производства получают ламповый и форсуночный технический углерод. В зависимости от способа получения меняется дисперсность частиц, которая определяет малярно-технические свойства технического углерода и прежде всего глубину цвета. Технический углерод всех марок, кроме ТГ-10, выпускается в гранулированном виде.
Свойства технического углерода
Маслоемкость технического углерода зависит от удельной поверхности и с уменьшением диаметра частиц увеличивается; она составляет для термического технического углерода 50—80, лампового 100—120, канального 200 г/100 г.
Форма частиц технического углерода, как правило, сферическая или близкая к ней; удельная поверхность наиболее дисперсных сортов 90—100 м2/г.
Технический углерод химически инертен, светостоек, обладает высокой красящей способностью и укрывистостью. Благодаря этому он широко используется в разных отраслях промышленности. Наибольшее применение технический углерод находит в резиновой промышленности (особо востребованы №220, №330, №339, №550). 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).
Пигментами называются продукты, придающие изделию цвет, при этом находящиеся в системе в твердой фазе (в виде частиц) и не вступающие в химические реакции с носителем.
При использовании пигментов в производстве изделий из цементно-песчанных композиций (тротуарная и фасадная плитка, строительные смеси), для окрашивания силикатного кирпича, наливных полов, штукатурки, и других строительных материалов.Наименование класса Код Марка по ASTM D1765 Размер
частиц, нм Растягивающее усилие, МПа Сопротивление истиранию, усл.ед.
Усиление резин при помощи технического углеводорода
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
Классификация технического углеводорода
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
—
—
—
Производство технического углерода
Пигменты вводят в сухом виде в самом начале смешения цемента и песка (или иного вяжущего и наполнителя) и тщательно перемешивают. При производстве изделий «под натуральный камень» и получения на них разводов желательно вводить пигменты дополнительного (не фонового) цвета не в сухом виде, а в виде высококонцентрированной, влажной смеси идентичной основному составу.
Статьи по теме
Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки это новый углеродный материал, представляющий собой цилиндрические структуры с диаметром порядка нескольких нанометров, состоящие из свернутых в трубку графитовых плоскостей.
Защита трубопроводов от коррозии
Сегодня без разных видов трубопроводов невозможно представить себе жизнью Они находятся практически в каждом населенном пункте и обеспечивают коммуникации. Производств труб для прокладки под землей осуществляется из металлов самых разных типов.
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.
Содержание
Структура
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.
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
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
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
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
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:
Классификация
В РФ применяются две классификакации 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 −5 м³/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 −5 м³/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
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
Мировое производство технического углерода в 2009 году составило около 10 000 000 тонн.
Технический углерод (ГОСТ 7885-86) – вид промышленных углеродных продуктов, используемый в основном при производстве резины как наполнитель, усиливающий ее полезные эксплуатационные свойства. В отличие от кокса и пека, состоит почти из одного углерода, по виду напоминает сажу.
Область применения технического углерода
Примерно 70 % выпускаемого техуглерода используют для изготовления шин, 20 % – для производства резино-технических изделий. Также углерод технический находит применение в лакокрасочном производстве и получении печатных красок, где он выполняет роль черного пигмента.
Еще одна область применения – производство пластмасс и оболочек кабелей. Здесь продукт добавляют в качестве наполнителя и придания изделиям специальных свойств. В небольших объемах применяется техуглерод и в других отраслях промышленности.
Характеристика технического углерода
Технический углерод – продукт процесса, включающего новейшие инженерные технологии и методы контроля. Благодаря своей чистоте и строго определенному набору физических и химических свойств, он не имеет ничего общего с сажей, образующейся как загрязненный побочный продукт в результате сжигания угля и мазута, или при работе неотрегулированных двигателей внутреннего сгорания. По общепринятой международной классификации техуглерод обозначается Carbon Black (черный углерод в переводе с английского языка), сажа по-английски – soot. То есть эти понятия в настоящее время, никоим образом не смешиваются. Эффект усиления за счет наполнения каучуков техуглеродом имел для развития резиновой промышленности не меньшее значение, чем открытие явления вулканизации каучука серой. В резиновых смесях углерод из большого количества применяемых ингредиентов по массе занимает второе место после каучука. Влияние же качественных показателей техуглерода на свойства резиновых изделий значительно больше, нежели качественных показателей основного ингредиента – каучука.
Усиливающие свойства технического углерода
Улучшение физических свойств материала за счет введения наполнителя называется усилением (армированием), а такие наполнители называются усилителями (техуглерод, осажденная окись кремния). Среди всех усилителей поистине уникальными характеристиками обладает углерод технический. Даже до вулканизации он связывается с каучуком, и эту смесь невозможно полностью разделить на carbon black и каучук при помощи растворителей.
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
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.
Структура технического углерода
Чистые природные углероды – это алмазы и графит. Они имеют кристаллическую структуру, значительно отличающуюся одна от другой. Методом дифракции рентгеновских лучей установлено сходство в структуре натурального графита и искусственного материала carbon black. Атомы углерода в графите образуют большие слои сконденсированных ароматических кольцеобразных систем, с межатомным расстоянием 0,142 нм. Эти графитовые слои сконденсированных ароматических систем принято называть базисными плоскостями. Расстояние между плоскостями строго определенное и составляет 0,335 нм. Все слои расположены параллельно относительно друг другу. Плотность графита составляет 2,26 г/см3.
В отличие от графита, обладающего трехмерной упорядоченностью, углерод технический характеризуется только двухмерной упорядоченностью. Состоит он из хорошо развитых графитовых плоскостей, расположенных приблизительно параллельно друг другу, но смещенным по отношению к смежным слоям – то есть, плоскости произвольно ориентированы в отношении нормали.
Образно структуру графита сравнивают с аккуратно сложенной колодой карт, а структуру техуглерода с колодой карт в которой карты сдвинуты. В нем межплоскостное расстояние больше, чем у графита и составляет 0,350-0,365 нм. Поэтому плотность техуглерода ниже плотности графита и находится в пределах 1,76-1,9 г/см3, в зависимости от марки (чаще всего 1,8 г/см3).
Окрашивание технического углерода
Пигментные (окрашивающие) марки технического углерода используются в производстве типографских красок, покрытий, пластмасс, волокон, бумаги и строительных материалов. Их классифицируют на:
Третья буква обозначает способ получения – печной (F) или канальный (С). Пример обозначения: HCF – высокоокрашивающий печной техуглерод (Hiqh Colour Furnace).
Классификация технического углерода
Технический углерод для резин по степени усиливающего эффекта подразделяют на:
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
Производство технического углерода
Различают три технологии получения промышленного техуглерода, в которых используется цикл неполного сжигания углеводородов: печной; канальный; ламповый; плазменный. Также существует термический метод, при котором при высоких температурах происходит разложение ацетилена или природного газа.
Многочисленные марки, получаемые за счет различных технологий, обладают разнообразными характеристиками.
Способы получения технического углерода
Существует несколько промышленных способов получения технического углерода. В основе всех лежит термическое (пиролиз) или термоокислительное разложение жидких или газообразных углеводородов. Взависимости от применяемого сырья и метода его разложения различают:
Технология изготовления технического углерода
Теоретически возможно получение технического углерода всеми перечисленными способами, однако более 96 % производимого продукта получают печным способом из жидкого сырья. Метод позволяет получать разнообразные марки техуглерода с определенным набором свойств. Например, на Омском заводе технического углерода по данной технологии производится более 20 марок техуглерода.
Общая технология такова. В реактор, футерованный высокоогнеупорными материалами, подается природный газ и нагретый до 800 °С воздух. За счет сжигания природного газа образуются продукты полного сгорания с температурой 1820-1900 °С, содержащие определенное количество свободного кислорода. В высокотемпературные продукты полного сгорания впрыскивается жидкое углеводородное сырье, предварительно тщательно перемешанное и нагретое до 200-300 °С. Пиролиз сырья происходит при строго контролируемой температуре, которая в зависимости от марки выпускаемого техуглерода имеет различные значения от 1400 до 1750 °С.
На определенном расстоянии от места подачи сырья термоокислительная реакция прекращается посредством впрыска воды. Образовавшиеся в результате пиролиза технический углерод и газы реакции поступают в воздухоподогреватель, в котором они отдают часть своего тепла воздуху, используемому в процессе, при этом температура углеродогазовой смеси понижается от 950-1000 °С до 500-600 °С.
После охлаждения до 260-280 °С за счет дополнительного впрыска воды смесь технического углерода и газов направляется в рукавный фильтр, где технический углерод отделяется от газов и поступает в бункер фильтра. Выделенный технический углерод из бункера фильтра по трубопроводу газотранспорта подается вентилятором (турбовоздуходувкой) в отделение гранулирования.
Ведущие производители технического углерода
Мировое производство технического углерода в 2009 году составило около 10 000 000 тонн.
Воздействие технического углерода на человека
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.
