Что такое технический углерод? Простое руководство по основам

Сажа - это чистый черный порошок, который также называют углеродным дымом. Он состоит из элементарного углерода, аморфной формы углерод. Основным материалом, используемым в качестве основы во многих отраслях промышленности, является сажа. При сгорании углеводородов в недостаточном количестве воздуха образуется сажа. В отличие от сажи, сажа не содержит неорганических загрязнений и экстрагируемых органических остатков.

Свойства технического углерода

Сажа может считаться наиболее широко используемым наноматериалом. Она состоит из микрокристаллических структур диаметром от десятков до сотен нанометров. В таблице ниже приведен полный обзор физико-химических свойств сажи; в ней обобщены основные характеристики и свойства, имеющие значение в промышленности.

Размер частиц

Размер можно определить как средний диаметр частиц сажи, который обычно составляет от 10 до 200 нанометров. Размеры варьируются в пределах различных распределений частиц и связаны с различными производственными процессами и природой сырья.

Структура

Сажа состоит из первичных "частиц" или "узелков", которые сливаются в жесткие коллоидные образования, называемые агрегатами. Эти узелки состоят из микрографитовых стопок с осью c, перпендикулярной поверхности.

Пористость

Поры сажи бывают двух типов: микропористые и мезопористые. К первым относятся поры размером менее 2 нм, а ко вторым - поры размером 2-50 нм. Такие поры повышают устойчивость резины к старению и истиранию.

Химический состав

Основными компонентами сажи являются элементарный углерод (>97%), водород, кислород, сера и азот.

Химия поверхности

Кислородные функциональные группы (фенолы, хиноны, карбоксильные группы) на поверхности сажи влияют на ее реакционную способность, дисперсность и электрические свойства. Окисление сажи улучшает дисперсию сажевых пигментов, а также снижает pH и изменяет кинетику сульфатации.

Плотность

Плотность сажи находится между насыпной и фактической плотностью. Различные типы сажи имеют разную плотность упаковки. Среди них вулканизированная и пиролитическая сажа имеют более высокую плотность упаковки, а сажа, прошедшая газофазную поверхностную обработку, имеет более низкую плотность упаковки.

Цвет

По интенсивности окраски и размеру частиц сажа подразделяется на высокопигментированную, среднепигментированную, обычную и низкопигментированную. Она обладает хорошими дисперсионными свойствами, окрашивающей способностью и сильной укрывистостью.

Растворимость

Она обладает необратимыми свойствами растворения и трудно растворяется в жидкой форме. Однако в некоторых особых условиях сажа частично растворяется.

Рассеивание тепла

Термическая дисперсия сажи влияет на механические свойства, термостойкость и окислительную стабильность резиновых изделий. Механическое перемешивание, влажная или сухая обработка - типичные методы достижения дисперсности сажи. Диспергаторы, модификаторы поверхности и сложные методы обработки часто позволяют распределить ее более равномерно.

Для чего используется технический углерод?

Шинная и резиновая промышленность

Сажа также является общим термином для основного класса армирующих продуктов для резины. Сегодня в мире производится и потребляется 70% мирового объема сажи для производства резиновых шин. Сажа добавляется в шины для повышения износостойкости, улучшения тяги или сцепления шины с поверхностью, а также для усиления шины с целью повышения ее прочности и устойчивости.

Пластмассы и покрытия

 Пластмассы

Сажа используется в следующих пластмассах: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и полистиролУлучшаются такие механические свойства, как прочность на разрыв и истирание, повышается электропроводность, тепло- и атмосферостойкость.

Покрытия

Он играет важную роль в покрытия для строительства, автомобилей, железнодорожных вагонов и судов. В целом, покрытия должны обладать следующими свойствами: высокой чернотой, хорошей текучестью и устойчивостью к оседанию.

Проводимость и электронные материалы

Проводимость сажи связана со структурой, поверхностью и плотностью частиц, в основном через проводящие каналы и механизм полевой эмиссии.

Экранирование электромагнитных помех

Проводимость может быть реализована с помощью композитов сажа-полимер, в основном сажа используется в качестве основного сырья, с добавлением некоторых наполнителей и клеящих веществ. Благодаря своим проводящим, антистатическим и защищающим от электромагнитных помех свойствам, проводящая сажа может также использоваться в производстве электромагнитных экранирующих материалов.

Марки сажи

По размеру частиц, структуре (например, площади поверхности и значениям DBPA) и потребительским свойствам марки обычно делятся на следующие категории:

Как производится сажа?

Черный уголь в топке

Получается в результате неполного сгорания сырой нефти в реакторе.

Черный канал

Он производится из природного газа и имеет преимущества крошечных частиц, большой удельной поверхности, высокой черноты и сильной силы цвета. Большее количество кислородных функциональных групп может замедлить процесс вулканизации резины и повысить текучесть и пригодность чернил для печати.

Термальный черный

В основном она производится путем высокотемпературного крекинга природного газа в бескислородных и безпламенных условиях. Удельная площадь поверхности этой сажи низкая, а содержание кислорода на ее поверхности невелико.

Какова цена сажи на рынке?

Затраты на сырье

Для производства сажи в основном используется сырье, получаемое из каменноугольной смолы. В последнее время колебания рыночных цен на каменноугольную смолу напрямую влияют на себестоимость продукции. Например, в марте этого года цена на каменноугольную смолу выросла на 645 долларов США за тонну, что привело к увеличению стоимости сажи.

Взаимосвязь спроса и предложения на рынке

Поэтому в начале 2024 года производители сажи в Азии ожидали значительного увеличения спроса и, соответственно, наращивали производство. Однако вскоре выяснилось, что фактический уровень закупок отличается от расчетного. Это привело к избытку предложения на рынке. В последнее время ситуация на рынке улучшилась в связи с окончанием квартала, и цены стабилизировались.

Углеродная сажа против графита

Химические свойства

Химические свойства технического углерода относительно активны, в то время как химические свойства графита характеризуются стабильностью, устойчивостью к высоким температурам и коррозии. Графит Не растворяется в воде и органических растворителях. При высоких температурах он легко вступает в реакцию с кислородом или металлом, образуя оксиды или карбиды соответственно.

Физические свойства

Графит имеет различные цепочечные или виноградоподобные агрегатные структуры, а его основной вид - кристаллический. И графит, и сажа обладают хорошей электропроводностью.

Оптические свойства

Графит относительно однороден по степени черноты и обладает высокой светорассеивающей способностью, поэтому не может использоваться в качестве эффективного пигмента. Чернота сажи в основном обусловлена ее способностью поглощать свет; как правило, чем мельче размер частиц, тем выше чернота.

Воздействие сажи на окружающую среду

Потребление энергии

Процесс производства сажи предполагает сжигание огромного количества энергии, такой как нефть и природный газ. Однако чрезмерное потребление энергии приводит к перерасходу ресурсов и выбросу парниковых газов.

Загрязнение воздуха

При производстве сажи выделяются летучие органические соединения, а также твердые частицы, которые способствуют ухудшению качества воздуха.

Замещение и устойчивость

Благодаря природе процесса создания сажи, есть возможность использовать чистую энергию солнца и ветра, а также применять использованные отходы и альтернативные экологически чистые материалы.

Заключение

Сажа - незаменимое вещество в современной промышленности. Благодаря высокой степени окрашивания, высокой электропроводности и хорошей тепловой дисперсии она приобрела большое значение в производстве резины, пластмасс, покрытий, красок и т. д. Сажа может удовлетворить потребности различных отраслей промышленности в отношении загрязнения окружающей среды, вызванного производством, и все еще существует необходимость изучить способы ее улучшения.