Tehnični ogljik, njegova proizvodnja

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-17 19:07

Saje (GOST 7885-86) so vrsta industrijskih ogljikovih izdelkov, ki se uporabljajo predvsem pri proizvodnji gume kot polnilo, ki izboljša njegove uporabne lastnosti. Za razliko od koksa in smole je sestavljen iz skoraj enega ogljika, izgleda kot saje.

Obseg uporabe

Približno 70% proizvedenih saj se porabi za proizvodnjo pnevmatik, 20% - za proizvodnjo gumenih izdelkov. Prav tako se tehnični ogljik uporablja v proizvodnji barv in lakov ter pri proizvodnji tiskarskih barv, kjer deluje kot črni pigment.

Drugo področje uporabe je proizvodnja plastike in kabelskih ovojov. Tu je izdelek dodan kot polnilo in za dajanje izdelkom posebne lastnosti. Saje se v majhnih količinah uporabljajo tudi v drugih panogah.

značilnost

Saje so produkt procesa, ki vključuje najnovejše inženirske in nadzorne tehnike. Zaradi svoje čistosti in strogo določenega naborafizikalnih in kemijskih lastnosti, nima nobene zveze s sajami, ki nastanejo kot onesnažen stranski produkt pri zgorevanju premoga in kurilnega olja ali pri delovanju nereguliranih motorjev z notranjim zgorevanjem. Po splošno sprejeti mednarodni klasifikaciji so saje označene kot Carbon Black (črni ogljik v prevodu iz angleščine), saje v angleščini so saje. To pomeni, da ti koncepti trenutno na noben način niso mešani.

Učinek ojačitve zaradi polnjenja gum s sajami ni bil nič manj pomemben za razvoj gumarske industrije kot odkritje fenomena vulkanizacije gume z žveplom. V gumijastih zmeseh je ogljik iz velikega števila uporabljenih sestavin po masi na drugem mestu za gumo. Vpliv kazalnikov kakovosti saj na lastnosti izdelkov iz gume je veliko večji od kazalnikov kakovosti glavne sestavine - gume.

Ojačitvene lastnosti

Izboljšanje fizikalnih lastnosti materiala z vnosom polnila se imenuje ojačitev (armatura), takšna polnila pa ojačevalniki (saje, oboreni silicijev oksid). Med vsemi ojačevalniki ima tehnični ogljik resnično edinstvene lastnosti. Še pred vulkanizacijo se veže na gumo in te mešanice s topili ni mogoče popolnoma ločiti na saj in gumo.

Moč gum na osnovi najpomembnejših elastomerov:

elastomer	Natezna trdnost, MPa
	Neizpolnjeni vulkanizer	Vulkaniziran napolnjen s sajami
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

Tabela prikazuje lastnosti vulkanizatov, pridobljenih iz različnih vrst gume brez polnila in polnjenih s sajami. Iz zgornjih podatkov je razvidno, kako karbonsko polnjenje pomembno vpliva na natezno trdnost gume. Mimogrede, drugi dispergirani praški, ki se uporabljajo v gumijastih zmeseh za dajanje želene barve ali znižanje stroškov mešanice - kreda, kaolin, smukec, železov oksid in drugi nimajo ojačitvenih lastnosti.

Struktura

Čisti naravni ogljik so diamanti in grafit. Imajo kristalno strukturo, ki se med seboj bistveno razlikuje. Podobnost v strukturi naravnega grafita in umetnega materiala saj smo ugotovili z rentgensko difrakcijo. Ogljikovi atomi v grafitu tvorijo velike plasti kondenziranih aromatskih obročnih sistemov z medatomsko razdaljo 0,142 nm. Te grafitne plastikondenzirani aromatski sistemi se imenujejo bazalne ravnine. Razdalja med ravninama je strogo določena in je 0,335 nm. Vse plasti so vzporedne med seboj. Gostota grafita je 2,26 g/cm3.

Za razliko od grafita, ki ima tridimenzionalni red, je za tehnični ogljik značilen le dvodimenzionalni red. Sestavljen je iz dobro razvitih grafitnih ravnin, ki se nahajajo približno vzporedno druga z drugo, vendar so zamaknjene glede na sosednje plasti - to pomeni, da so ravnine poljubno usmerjene glede na normalno.

Grafitna struktura se figurativno primerja z lepo zloženim kompletom kart, struktura saj se primerja s kompletom kart, v katerem so karte zamaknjene. V njem je medplanarna razdalja večja od grafita in znaša 0,350-0,365 nm. Zato je gostota saj nižja od gostote grafita in je v območju 1,76-1,9 g/cm³, odvisno od znamke (najpogosteje 1,8 g/cm ^3).

barvanje

Pigmentirane (barvne) vrste saj se uporabljajo pri proizvodnji tiskarskih barv, premazov, plastike, vlaken, papirja in gradbenih materialov. Razvrščeni so v:

• saje visoke barve (HC);
• srednje (MS);
• normalno barvanje (RC);
• nizka barva (LC).

Tretja črka označuje način pridobivanja - peč (F) ali kanal (C). Primer označevanja: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

Moč obarvanja izdelka je povezana z velikostjo delcev. Glede na njihovo velikost je tehnični ogljik razdeljen v skupine:

Povprečna velikost delcev, nm	razred črne peči
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Razvrstitev

Tehnični ogljik za gumo glede na stopnjo ojačitvenega učinka je razdeljen na:

• Zelo ojačitvena (tekalna plast, trda). Odlikuje ga povečana vzdržljivost in odpornost na obrabo. Velikost delcev je majhna (18-30 nm). Uporablja se v tekočih trakovih, tekalnih površinah pnevmatik.
• Pol-ojačitvena (ogrodje, mehko). Velikost delcev je povprečna (40-60 nm). Uporabljajo se v različnih gumijastih izdelkih, karkasi pnevmatik.
• Nizka pridobitev. Velikost delcev je velika (več kot 60 nm). Omejena uporaba v industriji pnevmatik. Zagotavlja potrebno trdnost, hkrati pa ohranja visoko elastičnost gumijastih izdelkov.

Popolna klasifikacija saj je podana v ASTM D1765-03, ki so jo sprejeli vsi svetovni proizvajalci in uporabniki izdelkov. V njem se razvrstitev izvaja zlasti glede na obseg specifične površine delcev:

skupina	Povprečno specifično območjepovršina z adsorpcijo 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 saj

Obstajajo tri tehnologije za proizvodnjo industrijskih saj, ki uporabljajo nepopoln cikel zgorevanja ogljikovodikov:

• peč;
• kanal;
• cev;
• plazma.

Obstaja tudi termična metoda, ki razgradi acetilen ali zemeljski plin pri visokih temperaturah.

Več razredov, proizvedenih z različnimi tehnologijami, ima različne značilnosti.

Proizvodna tehnologija

Teoretično je možno pridobiti saj z vsemi zgoraj navedenimi metodami, vendar je več kot 96 % proizvedenega izdelka pridobljenega po metodi peči iz tekočih surovin. Metoda omogoča pridobivanje različnih vrst saj z določenim naborom lastnosti. Na primer, tovarna saj v Omsku proizvaja več kot 20 vrst saj s to tehnologijo.

Splošna tehnologija je to. Reaktor, obložen z visoko ognjevzdržnimi materiali, se napaja z zemeljskim plinom in zrakom, segretim na 800°C. Zaradi zgorevanja zemeljskega plina nastanejo produkti popolnega zgorevanja s temperaturo 1820-1900 ° C, ki vsebujejo določeno količino prostega kisika. Tekoče ogljikovodične surovine vbrizgamo v visokotemperaturne produkte popolnega zgorevanja, ki jih predhodno temeljito premešamo in segrejemo na 200-300 °C. Piroliza surovin poteka pri strogo nadzorovani temperaturi, ki ima glede na znamko proizvedenih saj različne vrednosti od 1400 do 1750 °C.

Na določeni razdalji od mesta dobave surovin se termooksidativna reakcija ustavi z vbrizgavanjem vode. Saje in reakcijski plini, ki nastanejo kot posledica pirolize, vstopijo v grelnik zraka, kjer oddajo del svoje toplote zraku, uporabljenemu v procesu, medtem ko se temperatura mešanice ogljika in plina zniža z 950-1000 °C na 500-600 °С.

Po ohlajanju na 260-280 °C zaradi dodatnega vbrizgavanja vode se mešanica saj in plinov pošlje v vrečasti filter, kjer se saj ločijo od plinov in vstopijo v filtrski lijak. Ločene saje iz filtrskega zaboja se po plinovodu z ventilatorjem (turbo puhalo) dovajajo v odsek za granulacijo.

Proizvajalci saj

Svetovna proizvodnja saj presega 10 milijonov ton. Tako veliko povpraševanje po izdelku je razloženo predvsem z njegovimi edinstvenimi ojačitvenimi lastnostmi. Lokomotive industrije so:

• Aditya Birla Group (Indija) - približno 15 % trga.
• Cabot Corporation (ZDA) - 14 % trga.
• Orion Engineered Carbons (Luxembourg) - 9%.

Največji ruski proizvajalci ogljika:

• Omsktehuglerod LLC – 40% ruskega trga. Tovarne v Omsku, Volgogradu, Mogilevu.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.