Tehnički ugljik, njegova proizvodnja

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-17 18:53

čađa (GOST 7885-86) je vrsta industrijskih ugljičnih proizvoda koji se uglavnom koriste u proizvodnji gume kao punilo koje poboljšava njegova korisna svojstva. Za razliku od koksa i smole, sastoji se od gotovo jednog ugljika, izgleda kao čađa.

Opseg primjene

Približno 70% proizvedene čađe koristi se za proizvodnju guma, 20% - za proizvodnju gumenih proizvoda. Također, tehnički ugljik se koristi u proizvodnji boja i lakova te u proizvodnji tiskarskih boja, gdje djeluje kao crni pigment.

Još jedno područje primjene je proizvodnja plastike i omotača kabela. Ovdje se proizvod dodaje kao punilo i daje proizvodima posebna svojstva. Čađa se također koristi u malim količinama u drugim industrijama.

Karakteristika

Čađa je proizvod procesa koji uključuje najnovije inženjerske i kontrolne tehnike. Zbog svoje čistoće i strogo definiranog skupafizikalnih i kemijskih svojstava, nema nikakve veze s čađom koja nastaje kao nusproizvod izgaranja ugljena i loživog ulja, odnosno rada nereguliranih motora s unutarnjim izgaranjem. Prema općeprihvaćenoj međunarodnoj klasifikaciji, čađa je označena Carbon Black (crni ugljik u prijevodu s engleskog), čađa na engleskom je čađa. Odnosno, ovi koncepti trenutno nisu ni na koji način pomiješani.

Učinak ojačanja uslijed punjenja gume čađom nije bio ništa manje važan za razvoj gumene industrije od otkrića fenomena vulkanizacije gume sumporom. U smjesama gume, ugljik iz velikog broja sastojaka koji se koriste po težini zauzima drugo mjesto nakon gume. Utjecaj pokazatelja kvalitete čađe na svojstva gumenih proizvoda mnogo je veći od pokazatelja kvalitete glavnog sastojka - gume.

Pojačavanje svojstava

Poboljšanje fizikalnih svojstava materijala uvođenjem punila naziva se armiranje (pojačanje), a takva punila se nazivaju pojačala (čađa, istaloženi silicij oksid). Među svim pojačalima, tehnički ugljik ima uistinu jedinstvene karakteristike. I prije vulkanizacije veže se na gumu, a ova smjesa se ne može u potpunosti razdvojiti na čađu i gumu otapalima.

Snaga gume na bazi najvažnijih elastomera:

Elastomer	Vlačna čvrstoća, MPa
	Neispunjeni vulkanizat	Vulkanizat punjen čađom
stiren butadienska guma	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Poliakrilatna guma	2, 1	17, 6
Polibutadienska guma	5, 6	21, 1

Tablica prikazuje svojstva vulkanizata dobivenih od raznih vrsta gume bez punjenja i punjenih čađom. Iz navedenih podataka vidljivo je kako karbonsko punjenje značajno utječe na vlačnu čvrstoću gume. Usput, drugi dispergirani prašci koji se koriste u gumenim smjesama za davanje željene boje ili smanjenje cijene smjese - kreda, kaolin, talk, željezni oksid i drugi nemaju svojstva ojačanja.

Struktura

Čisti prirodni ugljik su dijamanti i grafit. Imaju kristalnu strukturu koja se značajno razlikuje jedna od druge. Rendgenskom difrakcijom utvrđena je sličnost u strukturi prirodnog grafita i umjetne čađe. Atomi ugljika u grafitu tvore velike slojeve kondenziranih aromatskih prstenastih sustava, s međuatomskom udaljenosti od 0,142 nm. Ovi slojevi grafitakondenzirani aromatski sustavi nazivaju se bazalnim ravnima. Udaljenost između ravnina je strogo definirana i iznosi 0,335 nm. Svi slojevi su međusobno paralelni. Gustoća grafita je 2,26g/cm3.

Za razliku od grafita koji ima trodimenzionalni poredak, tehnički ugljik karakterizira samo dvodimenzionalni poredak. Sastoji se od dobro razvijenih grafitnih ravnina, smještenih približno paralelno jedna s drugom, ali pomaknute u odnosu na susjedne slojeve - to jest, ravnine su proizvoljno orijentirane u odnosu na normalu.

Grafitna struktura figurativno se uspoređuje s uredno presavijenim špilom karata, a struktura čađe se uspoređuje sa špilom karata u kojem su karte pomaknute. U njemu je međuplanarna udaljenost veća od one kod grafita i iznosi 0,350-0,365 nm. Stoga je gustoća čađe niža od gustoće grafita i kreće se u rasponu od 1,76-1,9 g/cm³, ovisno o marki (najčešće 1,8 g/cm ^3).

Bojenje

Pigmentirane (bojne) vrste čađe koriste se u proizvodnji tiskarskih boja, premaza, plastike, vlakana, papira i građevinskih materijala. Razvrstani su u:

• čađa visoke boje (HC);
• srednji (MS);
• normalna boja (RC);
• niska boja (LC).

Treće slovo označava način dobivanja - peć (F) ili kanal (C). Primjer oznake: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

Snaga bojenja proizvoda povezana je s njegovom veličinom čestica. Ovisno o njihovoj veličini, tehnički ugljik je podijeljen u skupine:

Prosječna veličina čestica, nm	Crna klasa peći
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Klasifikacija

Tehnički ugljik za gumu prema stupnju učinka pojačanja dijeli se na:

• Jako ojačanje (gazište, tvrdo). Odlikuje se povećanom izdržljivošću i otpornošću na habanje. Veličina čestica je mala (18-30 nm). Koristi se u pokretnim trakama, gazištima guma.
• Polupojačavajuća (okvirna, mekana). Veličina čestica je prosječna (40-60 nm). Koriste se u raznim gumenim proizvodima, trupovima guma.
• Mala dobit. Veličina čestica je velika (preko 60 nm). Ograničena upotreba u industriji guma. Pruža potrebnu čvrstoću uz održavanje visoke elastičnosti gumenih proizvoda.

Potpuna klasifikacija čađe dana je u ASTM D1765-03, prihvaćena od strane svih svjetskih proizvođača i korisnika proizvoda. U njemu se klasifikacija, posebno, provodi prema rasponu specifične površine čestica:

Grupa	Prosječno specifično područjepovršina adsorpcijom dušika, 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

Proizvodnja čađe

Postoje tri tehnologije za proizvodnju industrijske čađe koje koriste nepotpuni ciklus izgaranja ugljikovodika:

• peć;
• kanal;
• cijev;
• plazma.

Postoji i termička metoda koja razgrađuje acetilen ili prirodni plin na visokim temperaturama.

Više vrsta proizvedenih različitim tehnologijama imaju različite karakteristike.

Tehnologija proizvodnje

Teoretski je moguće dobiti čađu svim gore navedenim metodama, međutim, više od 96% proizvedenog proizvoda dobiva se metodom peći iz tekućih sirovina. Metoda omogućuje dobivanje različitih vrsta čađe s određenim skupom svojstava. Na primjer, Omska tvornica čađe proizvodi više od 20 razreda čađe koristeći ovu tehnologiju.

Općenita tehnologija je ova. Reaktor, obložen visoko vatrostalnim materijalima, napaja se prirodnim plinom i zrakom zagrijanim na 800°C. Zbog izgaranja prirodnog plina nastaju produkti potpunog izgaranja s temperaturom od 1820-1900 °C, koji sadrže određenu količinu slobodnog kisika. Tekuće ugljikovodične sirovine ubrizgavaju se u visokotemperaturne produkte potpunog izgaranja, prethodno se dobro promiješaju i zagrijavaju na 200-300 °C. Piroliza sirovina odvija se na strogo kontroliranoj temperaturi, koja ovisno o marki proizvedene čađe ima različite vrijednosti od 1400 do 1750°C.

Na određenoj udaljenosti od mjesta opskrbe sirovinama termooksidativna reakcija se zaustavlja ubrizgavanjem vode. Čađa i reakcijski plinovi koji nastaju kao rezultat pirolize ulaze u grijač zraka, gdje dio svoje topline odaju zraku koji se koristi u procesu, dok se temperatura mješavine ugljika i plina smanjuje sa 950-1000 °S na 500-600 °S.

Nakon hlađenja na 260-280 °C zbog dodatnog ubrizgavanja vode, mješavina čađe i plinova šalje se u vrećasti filter, gdje se čađa odvaja od plinova i ulazi u spremnik filtera. Odvojena čađa iz filtarske posude dovodi se kroz plinovod pomoću ventilatora (turbo puhala) u odjeljak za granulaciju.

Proizvođači čađe

Globalna proizvodnja čađe premašuje 10 milijuna tona. Tako velika potražnja za proizvodom objašnjava se, prije svega, njegovim jedinstvenim svojstvima ojačanja. Lokomotive industrije su:

• Aditya Birla Group (Indija) - oko 15% tržišta.
• Cabot Corporation (SAD) - 14% tržišta.
• Orion Engineered Carbons (Luxembourg) - 9%.

Najveći ruski proizvođači ugljika:

• Omsktehuglerod LLC – 40% ruskog tržišta. Tvornice u Omsku, Volgogradu, Mogilevu.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.