Carboni tècnic, la seva producció

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2024-01-17 18:43

El negre de carboni (GOST 7885-86) és un tipus de productes de carboni industrials utilitzats principalment en la producció de cautxú com a farciment que millora les seves propietats de rendiment útils. A diferència de la coca i la breu, consta de gairebé un carboni, sembla sutge.

Àmbit d'aplicació

Aproximadament el 70% del negre de carboni produït s'utilitza per a la fabricació de pneumàtics, el 20% per a la producció de productes de cautxú. A més, el carboni tècnic s'utilitza en la producció de pintures i vernissos i en la producció de tintes d'impressió, on actua com a pigment negre.

Una altra àrea d'aplicació és la producció de plàstics i fundes de cables. Aquí el producte s'afegeix com a farciment i per donar als productes propietats especials. El negre de carboni també s'utilitza en petits volums en altres indústries.

Característica

El negre de carboni és el producte d'un procés que incorpora les últimes tècniques d'enginyeria i control. Per la seva puresa i conjunt estrictament definitpropietats físiques i químiques, no té res a veure amb el sutge produït com a subproducte contaminat de la combustió de carbó i fuel, o del funcionament de motors de combustió interna no regulats. Segons la classificació internacional generalment acceptada, el negre de carboni s'anomena Carbon Black (black carbon traduït de l'anglès), el sutge en anglès és el sutge. És a dir, aquests conceptes actualment no es barregen de cap manera.

L'efecte del reforç a causa de l'ompliment de cautxú amb negre de carboni no va ser menys important per al desenvolupament de la indústria del cautxú que el descobriment del fenomen de vulcanització del cautxú amb sofre. En els compostos de cautxú, el carboni d'un gran nombre d'ingredients utilitzats en pes ocupa el segon lloc després del cautxú. La influència dels indicadors de qualitat del negre de carboni en les propietats dels productes de cautxú és molt més gran que els indicadors de qualitat de l'ingredient principal: cautxú.

Reforç de propietats

La millora de les propietats físiques d'un material mitjançant la introducció d'un farciment s'anomena reforç (reforç), i aquests farciments s'anomenen amplificadors (negre de carboni, òxid de silici precipitat). Entre tots els amplificadors, el carboni tècnic té característiques realment úniques. Fins i tot abans de la vulcanització, s'uneix al cautxú i aquesta barreja no es pot separar completament en negre de carboni i cautxú amb dissolvents.

La resistència de les gomes basada en els elastòmers més importants:

Elastòmer	Resistència a la tracció, MPa
	Vulcanitzat sense farcir	Vulcanitzat farcit de negre de carboni
Goma estirè-butadiè	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Goma de poliacrilat	2, 1	17, 6
Goma de polibutadiè	5, 6	21, 1

La taula mostra les propietats dels vulcanitzats obtinguts a partir de diversos tipus de cautxú sense farciment i farcits de negre de carboni. A partir de les dades anteriors, es pot veure com el farciment de carboni afecta significativament la resistència a la tracció del cautxú. Per cert, altres pols dispersos que s'utilitzen en compostos de cautxú per donar el color desitjat o reduir el cost de la barreja: guix, caolí, talc, òxid de ferro i altres no tenen propietats de reforç.

Estructura

Els carbonis naturals purs són els diamants i el grafit. Tenen una estructura cristal·lina que difereix significativament entre si. La similitud en l'estructura del grafit natural i el negre de carboni del material artificial es va establir per difracció de raigs X. Els àtoms de carboni del grafit formen grans capes de sistemes d'anells aromàtics condensats, amb una distància interatòmica de 0,142 nm. Aquestes capes de grafitEls sistemes aromàtics condensats s'anomenen plans basals. La distància entre els plans està estrictament definida i és de 0,335 nm. Totes les capes són paral·leles entre si. La densitat del grafit és de 2,26 g/cm3.

A diferència del grafit, que té un ordre tridimensional, el carboni tècnic només es caracteritza per un ordre bidimensional. Consisteix en plans de grafit ben desenvolupats, situats aproximadament paral·lels entre si, però desplaçats respecte a les capes adjacents, és a dir, els plans estan orientats arbitràriament respecte a la normal.

L'estructura de grafit es compara en sentit figurat amb una baralla de cartes ben plegada, i l'estructura de negre de carboni es compara amb una baralla de cartes en què es mouen les cartes. En ell, la distància interplanar és més gran que la del grafit i és de 0,350-0,365 nm. Per tant, la densitat del negre de carboni és inferior a la del grafit i està entre 1,76 i 1,9 g/cm³, depenent de la marca (la majoria de vegades 1,8 g/cm ^3).

Acolorir

Els graus pigmentats (colorants) de negre de carboni s'utilitzen en la producció de tintes d'impressió, recobriments, plàstics, fibres, paper i materials de construcció. Es classifiquen en:

• negre carbó de color alt (HC);
• mitjana (MS);
• coloració normal (RC);
• color baix (LC).

La tercera lletra indica el mètode d'obtenció - forn (F) o canal (C). Exemple de designació: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

El poder colorant d'un producte està relacionat amb la seva mida de partícula. Segons la seva mida, el carboni tècnic es divideix en grups:

Mida mitjana de les partícules, nm	Grau negre del forn
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Classificació

El carboni tècnic per a cautxú segons el grau d'efecte de reforç es divideix en:

• Molt reforçat (banda de rodament, dur). S'assigna amb l'augment de la durabilitat i la resistència al desgast. La mida de la partícula és petita (18-30 nm). S'utilitza en cintes transportadores, banda de rodament de pneumàtics.
• Semireforç (estructura, suau). La mida de les partícules és mitjana (40-60 nm). S'utilitzen en diversos productes de cautxú, carcasses de pneumàtics.
• Guany baix. La mida de les partícules és gran (més de 60 nm). Ús limitat a la indústria del pneumàtic. Proporciona la resistència necessària alhora que manté una alta elasticitat en els productes de cautxú.

La classificació completa del negre de carboni es dóna a ASTM D1765-03, acceptada per tots els fabricants i usuaris de productes globals. En ell, la classificació, en particular, es realitza segons el rang de la superfície específica de les partícules:

Grup	Àrea específica mitjanasuperfície per adsorció de nitrogen, 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

Producció de negre de carboni

Hi ha tres tecnologies per produir negre de carboni industrial que utilitzen un cicle de combustió incomplet d'hidrocarburs:

• forn;
• canal;
• tub;
• plasma.

També hi ha un mètode tèrmic que descompon l'acetilè o el gas natural a altes temperatures.

Múltiples graus produïts per diferents tecnologies tenen característiques diferents.

Tecnologia de producció

Teòricament, és possible obtenir negre de carboni amb tots els mètodes anteriors, però més del 96% del producte produït s'obté pel mètode del forn a partir de matèries primeres líquides. El mètode permet obtenir diversos graus de negre de carboni amb un determinat conjunt de propietats. Per exemple, la planta de negre de carboni d'Omsk produeix més de 20 graus de negre de carboni mitjançant aquesta tecnologia.

La tecnologia general és aquesta. El reactor, revestit amb materials altament refractaris, s'alimenta amb gas natural i aire escalfat a 800 °C. A causa de la combustió del gas natural, es formen productes de combustió completa amb una temperatura de 1820-1900 ° C, que contenen una certa quantitat d'oxigen lliure. Les matèries primeres d'hidrocarburs líquids s'injecten als productes d' alta temperatura de combustió completa, es barregen a fons i s'escalfen a 200-300 °C. La piròlisi de les matèries primeres té lloc a una temperatura estrictament controlada, que, depenent de la marca de negre de carboni produït, té diferents valors entre 1400 i 1750 ° С.

A certa distància del lloc de subministrament de matèries primeres, la reacció termo-oxidativa s'atura mitjançant la injecció d'aigua. El negre de carboni i els gasos de reacció formats com a resultat de la piròlisi entren a l'escalfador d'aire, on desprenen part de la seva calor a l'aire utilitzat en el procés, mentre que la temperatura de la barreja de carboni-gas disminueix de 950-1000 °С a 500-600 °С.

Després de refredar-se a 260-280 °C a causa de la injecció d'aigua addicional, la barreja de negre de carboni i gasos s'envia al filtre de bossa, on el negre de carboni es separa dels gasos i entra a la tremuja del filtre. El negre de carboni separat del contenidor del filtre s'alimenta a través de la canonada de gas mitjançant un ventilador (soffiador turbo) a la secció de granulació.

Productors de negre de carboni

La producció mundial de negre de carboni supera els 10 milions de tones. Una demanda tan gran del producte s'explica, en primer lloc, per les seves propietats de reforç úniques. Les locomotores de la indústria són:

• Aditya Birla Group (Índia): al voltant del 15% del mercat.
• Cabot Corporation (EUA) - 14% del mercat.
• Orion Engineered Carbons (Luxemburg) - 9%.

Productors de carboni russos més grans:

• Omsktehuglerod LLC: el 40% del mercat rus. Fàbriques a Omsk, Volgograd, Mogilev.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.