تقنية الكربون وإنتاجه

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-17 18:39

أسود الكربون (GOST 7885-86) هو نوع من منتجات الكربون الصناعية المستخدمة بشكل أساسي في إنتاج المطاط كمواد مالئة تعزز خصائص الأداء المفيدة. على عكس فحم الكوك والقار ، فهو يتكون من كربون واحد تقريبًا ، ويبدو مثل السخام.

نطاق التطبيق

يستخدم ما يقرب من 70٪ من الكربون الأسود المنتج في صناعة الإطارات ، و 20٪ - لإنتاج منتجات المطاط. كما يستخدم الكربون التقني في إنتاج الطلاء والورنيش وفي إنتاج أحبار الطباعة حيث يعمل كصبغة سوداء.

مجال آخر للتطبيق هو إنتاج البلاستيك وأغلفة الكابلات. هنا يتم إضافة المنتج كمادة مالئة ولإعطاء المنتجات خصائص خاصة. يستخدم أسود الكربون أيضًا في أحجام صغيرة في صناعات أخرى.

مميزة

أسود الكربون هو نتاج عملية تتضمن أحدث تقنيات الهندسة والتحكم. بسبب نقائها ومجموعة محددة بدقةالخصائص الفيزيائية والكيميائية ، لا علاقة لها بالسخام الناتج كمنتج ثانوي ملوث من احتراق الفحم وزيت الوقود ، أو من تشغيل محركات الاحتراق الداخلي غير المنظمة. وفقًا للتصنيف الدولي المقبول عمومًا ، تم تعيين أسود الكربون كربون أسود (الكربون الأسود مترجم من الإنجليزية) ، والسخام في اللغة الإنجليزية هو السخام. أي أن هذه المفاهيم حاليًا ليست مختلطة بأي شكل من الأشكال.

تأثير التسليح نتيجة حشو المطاط بأسود الكربون لم يكن أقل أهمية لتطوير صناعة المطاط من اكتشاف ظاهرة تقسية المطاط بالكبريت. في مركبات المطاط ، يحتل الكربون من عدد كبير من المكونات التي يستخدمها الوزن المرتبة الثانية بعد المطاط. إن تأثير مؤشرات جودة أسود الكربون على خصائص منتجات المطاط أكبر بكثير من مؤشرات الجودة للمكون الرئيسي - المطاط.

تعزيز الخصائص

تحسين الخصائص الفيزيائية للمادة عن طريق إدخال حشو يسمى التعزيز (التعزيز) ، وتسمى هذه الحشوات مكبرات الصوت (أسود الكربون ، أكسيد السيليكون المترسب). من بين جميع مكبرات الصوت ، يتميز الكربون التقني بخصائص فريدة حقًا. حتى قبل الفلكنة ، فإنه يرتبط بالمطاط ، ولا يمكن فصل هذا الخليط بالكامل إلى أسود الكربون ومطاط بالمذيبات.

قوة المطاط بناءً على أهم اللدائن:

المطاط الصناعي	قوة الشد ، MPa
	مبركن غير معبأ	مبركن مليء بالأسود الكربوني
مطاط ستايرين بوتادين	3، 5	24، 6
NBR	4، 9	28، 1
EPDM	3، 5	21، 1
بولي أكريليت المطاط	2، 1	17، 6
مطاط بولي بوتادين	5، 6	21، 1

يوضح الجدول خصائص الفلكنة التي تم الحصول عليها من أنواع مختلفة من المطاط بدون حشو ومليئة بأسود الكربون. من البيانات المذكورة أعلاه ، يمكن ملاحظة كيف يؤثر ملء الكربون بشكل كبير على قوة شد المطاط. بالمناسبة ، مساحيق مشتتة أخرى تستخدم في مركبات المطاط لإعطاء اللون المطلوب أو تقليل تكلفة الخليط - الطباشير والكاولين والتلك وأكسيد الحديد وغيرها ليس لها خصائص تقوية.

هيكل

الكربون الطبيعي النقي هو الماس والجرافيت. لديهم بنية بلورية تختلف اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض. تم إنشاء التشابه في بنية الجرافيت الطبيعي والمواد الاصطناعية أسود الكربون عن طريق حيود الأشعة السينية. تشكل ذرات الكربون في الجرافيت طبقات كبيرة من أنظمة الحلقة العطرية المكثفة ، بمسافة بين الذرات تبلغ 0.142 نانومتر. طبقات الجرافيت هذهتسمى الأنظمة العطرية المكثفة بالطائرات القاعدية. المسافة بين الطائرات محددة بدقة وهي 0.335 نانومتر. جميع الطبقات متوازية مع بعضها البعض. كثافة الجرافيت 2.26 جم / سم3.

على عكس الجرافيت ، الذي له ترتيب ثلاثي الأبعاد ، فإن الكربون التقني يتميز فقط بترتيب ثنائي الأبعاد. وهو يتألف من مستويات غرافيت مطورة جيدًا ، تقع بشكل متوازي تقريبًا مع بعضها البعض ، ولكنها متوازنة فيما يتعلق بالطبقات المجاورة - أي أن المستويات موجهة بشكل تعسفي فيما يتعلق بالطبيعي.

تتم مقارنة بنية الجرافيت مجازيًا بمجموعة بطاقات مطوية بدقة ، ويتم مقارنة هيكل أسود الكربون بمجموعة من البطاقات التي يتم فيها إزاحة البطاقات. في ذلك ، تكون المسافة بين الكواكب أكبر من تلك الخاصة بالجرافيت وهي 0.350-0.365 نانومتر. لذلك ، فإن كثافة أسود الكربون أقل من كثافة الجرافيت وتتراوح بين 1.76-1.9 جم / سم³، اعتمادًا على العلامة التجارية (غالبًا 1.8 جم / سم^3).

تلوين

تُستخدم درجات أسود الكربون المصبوغة (التلوين) في إنتاج أحبار الطباعة والطلاء والبلاستيك والألياف والورق ومواد البناء. يتم تصنيفها إلى:

• أسود الكربون عالي اللون (HC) ؛
• متوسط (MS) ؛
• تلوين عادي (RC) ؛
• لون منخفض (LC).

يشير الحرف الثالث إلى طريقة الحصول - الفرن (F) أو القناة (C). مثال على التعيين: HCF - فرن عالي اللون أسود (فرن اللون Hiqh).

ترتبط قوة التلوين للمنتج بحجم جزيئاته. اعتمادًا على حجمها ، يتم تقسيم الكربون التقني إلى مجموعات:

متوسط حجم الجسيمات ، نانومتر	فرن أسود درجة
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

التصنيف

الكربون التقني للمطاط حسب درجة تأثير التعزيز ينقسم إلى:

• عالية التسليح (فقي ، قاسي). يتم تخصيصه مع زيادة المتانة والمرونة للاستنزاف. حجم الجسيمات صغير (18-30 نانومتر). تستخدم في سيور ناقلة ، مداس الإطارات.
• شبه تقوية (إطار ، ناعم). حجم الجسيمات متوسط (40-60 نانومتر). يتم استخدامها في منتجات المطاط المتنوعة وجثث الإطارات.
• مكاسب منخفضة. حجم الجسيمات كبير (أكثر من 60 نانومتر). استخدام محدود في صناعة الإطارات. يوفر القوة اللازمة مع الحفاظ على مرونة عالية في المنتجات المطاطية.

التصنيف الكامل لأسود الكربون ورد في ASTM D1765-03 ، وهو مقبول من قبل جميع مصنعي ومستخدمي المنتجات العالميين. في ذلك ، يتم التصنيف ، على وجه الخصوص ، وفقًا لنطاق مساحة السطح المحددة للجسيمات:

مجموعة	متوسط مساحة محددةالسطح عن طريق امتصاص النيتروجين ، م2/ ز
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

إنتاج أسود الكربون

هناك ثلاث تقنيات لإنتاج أسود الكربون الصناعي تستخدم دورة احتراق غير كاملة للهيدروكربونات:

• فرن ؛
• قناة ؛
• أنبوب ؛
• بلازما.

هناك أيضًا طريقة حرارية تتحلل فيها الأسيتيلين أو الغاز الطبيعي عند درجات حرارة عالية.

الدرجات المتعددة التي تنتجها تقنيات مختلفة لها خصائص مختلفة.

تكنولوجيا الإنتاج

نظريًا ، من الممكن الحصول على أسود الكربون بكل الطرق المذكورة أعلاه ، ومع ذلك ، يتم الحصول على أكثر من 96 ٪ من المنتج الناتج عن طريق طريقة الفرن من المواد الخام السائلة. تتيح هذه الطريقة الحصول على درجات مختلفة من أسود الكربون مع مجموعة معينة من الخصائص.على سبيل المثال ، ينتج مصنع Omsk Carbon Black أكثر من 20 درجة من أسود الكربون باستخدام هذه التقنية.

التكنولوجيا العامة هي هذه. المفاعل ، المبطن بمواد شديدة المقاومة للحرارة ، يتم تغذيته بالغاز الطبيعي والهواء المسخن إلى 800 درجة مئوية. بسبب احتراق الغاز الطبيعي ، تتشكل منتجات الاحتراق الكامل بدرجة حرارة 1820-1900 درجة مئوية ، وتحتوي على كمية معينة من الأكسجين الحر. يتم حقن المواد الخام الهيدروكربونية السائلة في المنتجات ذات درجة الحرارة العالية للاحتراق الكامل ، ويتم خلطها جيدًا مسبقًا وتسخينها إلى 200-300 درجة مئوية. يحدث الانحلال الحراري للمواد الخام عند درجة حرارة مضبوطة بدقة ، والتي ، اعتمادًا على العلامة التجارية لأسود الكربون المنتج ، لها قيم مختلفة من 1400 إلى 1750 درجة مئوية.

على مسافة معينة من مكان توريد المواد الخام ، يتم إيقاف تفاعل الأكسدة الحرارية بحقن الماء. يدخل أسود الكربون وغازات التفاعل المتكونة نتيجة الانحلال الحراري إلى سخان الهواء ، حيث تطلق جزءًا من حرارتها إلى الهواء المستخدم في العملية ، بينما تنخفض درجة حرارة خليط غاز الكربون من 950-1000 درجة مئوية إلى 500-600 درجة مئوية

بعد التبريد إلى 260-280 درجة مئوية بسبب الحقن الإضافي للمياه ، يتم إرسال خليط أسود الكربون والغازات إلى مرشح الكيس ، حيث يتم فصل أسود الكربون عن الغازات ويدخل في وعاء الفلتر. يتم تغذية أسود الكربون المفصول من حاوية المرشح عبر خط أنابيب الغاز بواسطة مروحة (منفاخ تربيني) إلى قسم التحبيب.

منتجو أسود الكربون

الإنتاج العالمي من الكربون الأسود يتجاوز 10 ملايين طن. يتم تفسير هذا الطلب الكبير على المنتج ، أولاً وقبل كل شيء ، من خلال خصائص التعزيز الفريدة. قاطرات الصناعة هي:

• Aditya Birla Group (الهند) - حوالي 15٪ من السوق.
• Cabot Corporation (الولايات المتحدة الأمريكية) - 14٪ من السوق.
• Orion Engineered Carbons (لوكسمبورغ) - 9٪.

أكبر منتجي الكربون في روسيا:

• Omsktehuglerod LLC - 40٪ من السوق الروسية. المصانع في أومسك ، فولغوغراد ، موغيليف.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon - 32٪.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod - 17٪.