ما هو أسود الكربون؟ دليل سهل للأساسيات

أسود الكربون هو مسحوق أسود نقي، ويطلق عليه أيضًا اسم دخان الكربون. وهو يتكون من عنصر الكربون، وهو شكل غير متبلور من الكربون. المادة الرئيسية المستخدمة كقاعدة في العديد من الصناعات هي أسود الكربون. ينتج عن احتراق الهواء غير الكافي للهيدروكربونات أسود الكربون. وعلى عكس السخام، لا يحتوي أسود الكربون على أي تلوث غير عضوي وبقايا عضوية قابلة للاستخراج.

خصائص الكربون الأسود الكربوني

يمكن اعتبار أسود الكربون المادة النانوية الأكثر استخدامًا على نطاق واسع. ويتكون من هياكل متناهية الصغر بأقطار تتراوح أقطارها من عشرات إلى مئات النانومترات. يقدم الجدول أدناه لمحة عامة كاملة عن الخصائص الفيزيائية الكيميائية لأسود الكربون؛ ويلخص الخصائص الرئيسية والخصائص ذات الصلة في الصناعات.

حجم الجسيمات

يمكن تعريف الحجم على أنه متوسط قطر جسيمات الكربون الأسود، والذي يتكون عادةً من كل شيء من 10 إلى 200 نانومتر. تختلف الأبعاد ضمن التوزيعات المختلفة للجسيمات وتتعلق بعمليات الإنتاج المختلفة وطبائع المواد الخام.

الهيكل

يتكون أسود الكربون من "جسيمات" أو "عقيدات" أولية تندمج في كيانات غروانية صلبة تسمى المجاميع. وتتكون هذه العقيدات من ركامات جرافيت دقيقة يكون محورها c عموديًا على السطح.

المسامية

المسام السوداء الكربونية نوعان: المسام الدقيقة والمسام المتوسطة. ويشير النوع الأول إلى المسام التي يقل حجمها عن 2 نانومتر، بينما يشير النوع الثاني إلى المسام التي يتراوح حجمها بين 2 نانومتر و50 نانومتر. ترفع هذه المسام فيه من مقاومة المطاط للتقادم والتآكل.

التركيب الكيميائي

المكونات الرئيسية لأسود الكربون هي عنصر الكربون (>97%) والهيدروجين والأكسجين والكبريت والنيتروجين.

كيمياء السطح

تؤثر المجموعات الوظيفية للأكسجين (الفينولات والكينونات ومجموعات الكربوكسيل) على سطح أسود الكربون على تفاعليته وتشتته وخصائصه الكهربائية. تعمل أكسدة أسود الكربون على تحسين تشتت أصباغ أسود الكربون مع خفض الأس الهيدروجيني وتغيير حركية الكبريت.

الكثافة

تقع كثافة أسود الكربون بين الكثافة الظاهرية والكثافة الفعلية. الأنواع المختلفة من أسود الكربون لها كثافات تعبئة مختلفة. ومن بين هذه الأنواع، يتميز أسود الكربون المفلكن وأسود الكربون المتحلل بالحرارة بكثافة تعبئة أعلى، بينما يتميز أسود الكربون المعالج بالسطح في المرحلة الغازية بكثافة تعبئة أقل.

اللون

ينقسم أسود الكربون عمومًا إلى أسود كربون عالي الصبغة ومتوسط الصبغة وأسود كربون عادي ومنخفض الصبغة وفقًا لقوة اللون وحجم الجسيمات. يتميز بأداء تشتت جيد وقوة تلوين وقوة تغطية قوية.

القابلية للذوبان

وله خصائص ذوبان لا رجعة فيها ويصعب إذابته في شكل سائل. ومع ذلك، يذوب أسود الكربون الفعلي جزئياً في ظل بعض الظروف الخاصة.

تبديد الحرارة

ويؤثر التشتت الحراري لأسود الكربون على الخواص الميكانيكية لمنتجات المطاط ومقاومة الحرارة والاستقرار التأكسدي. يعتبر الخلط الميكانيكي والمعالجة الرطبة أو الجافة من الطرق النموذجية لتحقيق تشتت أسود الكربون. وكثيراً ما تعمل المشتتات ومعدِّلات السطح وطرق المعالجة المتطورة على توزيعه بشكل متساوٍ.

فيمَ يُستخدم أسود الكربون؟

صناعات الإطارات والمطاط

وأسود الكربون هو أيضاً مصطلح عام لفئة رئيسية من منتجات تقوية المطاط. وينتج العالم حالياً ويستهلك 701 تيرابايت في الوقت الحاضر 701 تيرابايت من الإنتاج العالمي من أسود الكربون لصناعة الإطارات المطاطية. يُضاف أسود الكربون إلى الإطارات من أجل تعزيز مقاومة الإطارات للتآكل، وتحسين قدرة الإطار على الجر أو التماسك على الأرض، وتقوية الإطار من أجل تعزيز أداء الإطار في المتانة والثبات.

البلاستيك والطلاءات

 بلاستيك

يُستخدم أسود الكربون في المواد البلاستيكية التالية: البولي إيثيلين والبولي بروبيلين والبولي فينيل كلورايد و البوليسترينوتحسين الخواص الميكانيكية مثل مقاومة الشد والتآكل، وإعطاء التوصيل الكهربائي، ومقاومة الحرارة والطقس.

الطلاءات

يلعب دورًا مهمًا في الطلاءات للبناء والسيارات وعربات السكك الحديدية والسفن. وبصفة عامة، تتطلب الطلاءات الخصائص التالية: السواد العالي، وخصائص التدفق الجيد، والثبات الجيد ضد الترسبات.

التوصيل والمواد الإلكترونية

ترتبط موصلية أسود الكربون الأسود بالهيكل والسطح وكثافة حجم الجسيمات، وذلك من خلال القنوات الموصلة وآلية الانبعاث الميداني.

التدريع الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي

يمكن تحقيق التوصيلية عن طريق مركبات البوليمر الكربوني الأسود، ويستخدم أسود الكربون بشكل أساسي كمادة خام رئيسية، مع إضافة بعض الحشوات والمواد اللاصقة. ونظرًا لخصائصه الموصلة والمضادة للكهرباء الساكنة والعازلة للتداخل الكهرومغناطيسي، يمكن أيضًا استخدام أسود الكربون الموصل في إنتاج مواد التدريع الكهرومغناطيسي.

درجات أسود الكربون

حسب حجم الجسيمات وبنيتها (مثل مساحة السطح وقيم DBPA) وخصائص الاستخدام، تنقسم درجاتها عادةً إلى الفئات التالية:

كيف يُصنع أسود الكربون؟

فرن الكربون الأسود الفرن

وهو مشتق من الاحتراق غير الكامل لزيت المادة الخام في مفاعل.

القناة السوداء

ويتميز هذا الحبر المنتج من الغاز الطبيعي بمزايا الجسيمات الصغيرة، ومساحة السطح المحددة الكبيرة، والسواد العالي، وقوة اللون القوية. يمكن أن يؤدي المزيد من المجموعات الوظيفية للأكسجين إلى تأخير عملية فلكنة المطاط لتعزيز سيولة الحبر وقابليته للطباعة.

أسود حراري

ويتم تصنيعه بشكل أساسي عن طريق تكسير الغاز الطبيعي بدرجة حرارة عالية في ظروف خالية من الأكسجين واللهب. وتكون مساحة السطح المحددة لهذا الكربون الأسود منخفضة، مع انخفاض محتوى الأكسجين على سطحه.

ما هو سعر الكربون الأسود في السوق؟

تكاليف المواد الخام

يستخدم أسود الكربون بشكل أساسي المواد الخام المنتجة من خلال قطران الفحم. وفي الآونة الأخيرة، أثر تقلب أسعار قطران الفحم في السوق بشكل مباشر على تكاليف الإنتاج. في شهر مارس من هذا العام، على سبيل المثال، ارتفع سعر قطران الفحم بمقدار 645 دولارًا أمريكيًا للطن، مما أدى إلى ارتفاع تكلفة أسود الكربون.

علاقة العرض والطلب في السوق

لذلك، في بداية عام 2024، توقعت الشركات المصنعة لأسود الكربون في آسيا زيادة الطلب بشكل كبير وبالتالي زيادة الإنتاج وفقًا لذلك. ومع ذلك، سرعان ما تبين أن معدل الشراء الفعلي يختلف عما كان مقدراً. وقد تسبب ذلك في زيادة المعروض في السوق. وقد تحسنت ظروف السوق مؤخرًا مع نهاية الربع الأخير من العام، ومن ثم استقرت الأسعار من الآن فصاعدًا.

أسود الكربون مقابل الجرافيت

الخواص الكيميائية

تتسم الخواص الكيميائية لأسود الكربون بالنشاط النسبي، في حين أن الخواص الكيميائية للجرافيت توضح الثبات ودرجة الحرارة العالية ومقاومة التآكل. الجرافيت سلوكًا غير قابل للذوبان في حالة الماء والمذيبات العضوية. وفي درجات الحرارة المرتفعة يتفاعل بسهولة مع الأكسجين أو المعدن ويشكل أكاسيد أو كربيدات على التوالي.

الخصائص الفيزيائية

يحتوي الجرافيت على تراكيب تجميعية مختلفة تشبه السلسلة أو العنب ومظهرها الرئيسي بلوري. يُظهر كل من الجرافيت وأسود الكربون موصلية كهربائية جيدة.

الخصائص البصرية

الجرافيت متجانس نسبيًا من حيث السواد ولديه قدرة عالية على تشتيت الضوء، وبالتالي لا يمكن استخدامه كصبغة فعالة. ينبع سواد أسود الكربون بشكل أساسي من قدرته على امتصاص الضوء؛ وعمومًا، كلما كان حجم الجسيمات أدق، كلما زاد السواد.

تأثير أسود الكربون على البيئة

استهلاك الطاقة

تنطوي عملية تصنيع أسود الكربون على احتراق كميات هائلة من الطاقة مثل النفط والغاز الطبيعي. ومع ذلك، فإن الاستهلاك المفرط للطاقة يؤدي إلى الإفراط في استخدام الموارد وانبعاث غازات الاحتباس الحراري.

تلوث الهواء

ويؤدي إنتاج الكربون الأسود إلى انبعاث المركبات العضوية المتطايرة إلى جانب الجسيمات التي تساهم في تدهور جودة الهواء.

الاستبدال والاستدامة

ونظراً لطبيعة عملية إنشاء أسود الكربون، هناك إمكانية الاستفادة من الطاقة النظيفة الشمسية وطاقة الرياح بالإضافة إلى دمج النفايات المستعملة والمواد الخضراء البديلة.

الخاتمة

يعتبر أسود الكربون مادة لا غنى عنها في الصناعة الحديثة. وبسبب تلوينه العالي وتوصيله الكهربائي العالي وتشتته الحراري الجيد، فقد أصبح مهمًا للغاية في المطاط والبلاستيك والطلاء والأحبار وما إلى ذلك. يمكن أن يلبي أسود الكربون احتياجات الصناعات المختلفة فيما يتعلق بالتلوث البيئي الناجم عن الإنتاج، ولا تزال هناك حاجة لاستكشاف كيفية تحسينه.