Углерод технический (сажа, техуглерод) – это продукт сгорания углеводородов либо растительных масел с образованием мелкодисперсных частиц черного цвета. Производство осуществляется в контролируемых условиях на специализированных предприятиях, что позволяет получать вещество с заданными свойствами и однородной консистенцией.
Историческая справка
Позже сажу использовали в Древнем Египте для написания писем на папирусе, а в Китае – на бамбуковых табличках. После того как был изобретен метод изготовления бумаги, получение углерода стало широко распространенным типом кустарного производства. В 1892 году была разработана технология синтеза технического углерода в промышленных масштабах, названная канальным процессом. С 1947 года наибольшее распространение получил метод нефтяной печи.
Описание
Сажа представляет собой конгломерат мелких частиц, состоящих в основном из атомов углерода. Наблюдение под электронным микроскопом показывает, что они имеют сложную структуру, причем некоторые из них слиты вместе.
Линейные размеры отдельных сферических элементов определяются понятием «размер частиц», а размер цепочки частиц называется «структурой». На поверхности техуглерода образуются различные функциональные группы, такие как гидроксильная или карбоксильная: их количество, состав и активность называют «химией поверхности».
Свойства
Размер, структура и химия поверхности оказывают большое влияние на поведение технического углерода. Диаметр сферических частиц является основным свойством, которое в значительной степени влияет на черноту и диспергируемость, когда сажу смешивают со смолами, красками, чернилами или другими веществами. Чем меньше размер частиц, тем сажа кажется более черной (увеличивается поглощение световых волн). Однако дисперсия в этом случае становится затруднительной из-за увеличения силы коагуляции.
Как и размер частиц, структура также влияет на черноту и диспергируемость техуглерода. Увеличение размера структуры повышает диспергируемость, но снижает черноту. Сажа с большей структурой, в частности, обладает отличными проводящими свойствами.
На поверхности техуглерода существуют различные функциональные группы химических соединений. Этот материал по свойствам и структуре похож на краски и пигментные вещества. Степень «похожести» (сочетаемость, взаимодействие) изменяется в зависимости от типа и количества функциональных групп. Например, сажа с большим процентным соотношением гидроксильной группы идеально сочетается с полиграфическими (печатными) красками, демонстрируя отличную диспергируемость.
Назначение
Углерод – материал с тысячелетней историей, он использовался в качестве красителя еще до Рождества Христова. Сегодня большее количество этого вещества (до 70% от всего мирового объема производства) применяется при изготовлении шин в качестве связующего и укрепляющего материала. Еще 20% используют при синтезе резины. Последние годы в шинной промышленности все чаще добавляют «белую» сажу, однако получаемые изделия хоть и выигрывают в эстетическом плане, но пока уступают в степени сцепления колеса с поверхностью.
Поскольку сажа имеет наночастицы с различными функциями, такими как поглощение ультрафиолетового излучения и токопроводимость, она применяется в различных областях науки и производства.
Примеры использования
Безусловно, применение углерода не ограничивается изготовлением шин и резины. Другие направления использования:
Производство технического углерода
Техуглерод получают методом термического разложения либо методом частичного сжигания с использованием в качестве сырья таких углеводородов, как нефть или природный газ. Реже могут применяться растительные масла. Характеристики сажи варьируются в зависимости от производственного процесса.
Крупнейшими производителями являются Россия, Украина, Германия, США, Япония, Индия, Китай. Среди отечественных компаний выделяются Омский, Ярославский и Нижнекамский заводы технического углерода.
Технологии
Существуют четыре основных способа получения техуглерода:
ОАО «Ярославский технический углерод»
Компания образована в 1962 году и является одним из мировых лидеров по производству сажи. Мощности позволяют генерировать более 200 000 тонн продукта 15 марок, 11 из которых соответствуют международным стандартам ASTM. 80% техуглерода экспортируются в Европу, США, Азию. Основными партнерами выступают химические гиганты Semperit, Goodyear, Trelleborg, Michelin, Nokian, Continental. ЯТУ входит в ТОП-5 производителей углерода, занимая 2,5% мирового рынка.
ООО «Омский технический углерод»
Крупнейшее в России производство по выпуску сажи. Оборудование позволяет ежегодно получать до 205 000 тонн продукции. Завод начал работу 07.04.1944 года, а проектная мощность составляла всего 10 000 тонн.
С 1992 года завод технического углерода начал осваивать зарубежные рынки. Большую часть техуглерода потребляют такие российские и европейские предприятия, как Сибур, Michelin, Pirelli, Goodyear, Continental AG. Компания производит 20 марок углерода, соответствующих ГОСТам и стандарту ASTM.
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.
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.
По процессу получения газовый технический углерод разделяется на такие виды: — канальный технический углерод получают при сгорании газа или газа смешанного с маслом в камере оборудованной щелевыми горелками, путем осаждения на охлаждающих лотках. — печной технический углерод добывают при сгорании смеси природного газа и алифатических углеводородов, в факеле. На выходе имеет вид аэрозоля, который охлаждается водой. — термический (термическая сажа) получают в генераторе при разложении углеводородов под термообработкой без доступа воздуха. — ацетиленовый получают взрывном расщеплением ацетилена.
Маслоемкость технического углерода имеет прямую зависимость от удельной поверхности и с уменьшением диаметра частиц только увеличивается, то есть для термического технического углерода 45—80, лампового 90—110. Вид частиц технического углерода, как правило имеет шарообразную или похожую на нее форму, а удельная поверхность самых больших дисперсных сортов составляет 80—90 м2 / г. Технический углерод имеет большую красящую способность и укрывистость. Он широко используется в разнообразных отраслях промышленности. Больше всего технический углерод применяется в резиновой промышленности (примерно 85—95 % производства во всем мире).
Значительный объем потребления технического углерода используется для окрашивания пластмасс.
Использование технического углерода для получения электропроводящих покрытий.
При таких условиях, используют большое количество полимера для получения значительно большей площади контакта частиц технического углерода. Для покраски электроизоляционных материалов применяют газовый канальный углерод, у которого сравнительно высокое содержание летучих веществ, что содействует низкой электрической проводимости. Вместе с этим для получения наибольшего разделения частиц пигмента в полимере вводят малое количество углерода. Технический углерод, как правило, добавляют практически ко всем полимерам для повышения их устойчивости к атмосферному влиянию, поскольку данное вещество имеет способность защищать полимеры от действия на него ультрафиолетового излучения. Воздействие технического углерода на стабильность системы имеет прямую зависимость на величину его частиц и концентрации. Одной из лучших защит, считается та, которую гарантирует канальный технический углерод с диаметром частиц 17—19 нм и с концентрацией около 3 %. В некоторых случаях технический углерод является антиоксидантом, сдерживая термическую деструкцию полимеров. Это связано с возможностью технического углерода присоединять кислород и свободные радикалы. Например, при покраске полиэфиров, технический углеродтормозит отверждение, однако, при пигментировании полиуретанов, возможно, возникнет необходимость корректировки.
В разных производственных процессах, применяющих технический углерод, требуется применять комплексные меры предосторожности. Противопожарная защита является основной действенной мерой предосторожности в местах проведения разнообразных работ. Нынешние системы автоматической противопожарной безопасности, являются универсальным сочетанием всех элементов системы, настроенных на выявление очагов возгорания. Положительными сторонами таких комплексных мер является управление эвакуацией людей и практически полным отсуствием ложных срабатываний.
