Що таке технічний вуглець? Простий посібник з основ

Технічний вуглець - це чистий чорний порошок, який також називають вуглецевим димом. Він складається з елементарного вуглецю, аморфної форми вуглець. Основним матеріалом, що використовується як основа в багатьох галузях промисловості, є технічний вуглець. При недостатньому згорянні вуглеводнів у повітрі утворюється сажа. На відміну від сажі, сажа не містить неорганічних домішок і органічних залишків, які можна витягти.

Властивості технічного вуглецю

Технічний вуглець можна вважати найпоширенішим наноматеріалом. Вона складається з мікрокристалічних структур діаметром від десятків до сотень нанометрів. У таблиці нижче наведено повний огляд фізико-хімічних властивостей технічного вуглецю; в ній узагальнено основні характеристики та властивості, які мають значення для різних галузей промисловості.

Розмір частинок

Розмір можна визначити як середній діаметр частинок сажі, який зазвичай становить від 10 до 200 нанометрів. Розміри відрізняються в межах різних розподілів частинок і пов'язані з різними виробничими процесами та природою сировини.

Структура

Технічний вуглець складається з первинних "частинок" або "вузликів", які зливаються у тверді колоїдні утворення, що називаються агрегатами. Ці конкреції складаються з мікрографітових стеків, вісь яких перпендикулярна до поверхні.

Пористість

Пори технічного вуглецю бувають двох типів: мікропористі та мезопористі. До перших відносяться пори розміром менше 2 нм, а до других - пори від 2 нм до 50 нм. Такі пори підвищують стійкість гуми до старіння і стирання.

Хімічний склад

Основними компонентами технічного вуглецю є елементарний вуглець (>97%), водень, кисень, сірка та азот.

Хімія поверхні

Кисневі функціональні групи (феноли, хінони, карбоксильні групи) на поверхні технічного вуглецю впливають на його реакційну здатність, дисперсність та електричні властивості. Окислення технічного вуглецю покращує дисперсність пігментів технічного вуглецю, одночасно знижуючи рН і змінюючи кінетику сульфатації.

Щільність

Щільність технічного вуглецю лежить між насипною і фактичною щільністю. Різні типи технічного вуглецю мають різну щільність упаковки. Зокрема, вулканізована і піролітична сажа мають вищу щільність упаковки, а сажа з газофазною поверхневою обробкою має нижчу щільність упаковки.

Колір

Технічний вуглець, як правило, поділяється на високопігментований, середньопігментований, звичайний та низькопігментований за насиченістю кольору та розміром частинок. Він має хороші показники дисперсності, фарбувальної здатності та сильної покривної здатності.

Розчинність

Вона має властивості незворотного розчинення і важко розчиняється в рідкій формі. Однак, власне сажа частково розчиняється за певних спеціальних умов.

Відведення тепла

Термічна дисперсність технічного вуглецю впливає на механічні властивості гумових виробів, термостійкість і стійкість до окислення. Механічне змішування і мокра або суха обробка є типовими методами досягнення дисперсності сажі. Диспергатори, модифікатори поверхні та складні методи обробки часто розподіляють її більш рівномірно.

Для чого використовується технічний вуглець?

Шинна та гумова промисловість

Технічний вуглець - це також загальний термін для позначення основного класу армуючих продуктів для гуми. На сьогоднішній день у світі виробляється і споживається 70% світового обсягу сажі для виробництва гумових шин. Технічний вуглець додають у шини для підвищення стійкості до стирання, поліпшення зчеплення з поверхнею, а також для зміцнення шини з метою підвищення її довговічності та стабільності.

Пластмаси та покриття

 Пластмаси

Технічний вуглець використовується в наступних пластмасах: поліетилен, поліпропілен, полівінілхлорид і полістиролпокращуючи такі механічні властивості, як стійкість до розтягування та стирання, надаючи електропровідність, а також термо- та атмосферостійкість.

Покриття

Він відіграє важливу роль у покриття для будівництва, автомобілів, залізничних вагонів і кораблів. Загалом, покриття повинні мати такі властивості: високу чорноту, хорошу текучість і стійкість до осідання.

Провідникові та електронні матеріали

Провідність технічного вуглецю пов'язана зі структурою, поверхнею та щільністю частинок, в основному через провідні канали та механізм польової емісії.

Електромагнітне екранування

Провідність може бути реалізована за допомогою композитів сажа-полімер, в основному сажа використовується як основна сировина, з додаванням певних наповнювачів і клеїв. Завдяки провідним, антистатичним і екрануючим електромагнітні перешкоди властивостям, провідна сажа також може бути використана у виробництві електромагнітних екрануючих матеріалів.

Марки технічного вуглецю

За розміром частинок, структурою (наприклад, площею поверхні та значеннями DBPA) та властивостями використання, його сорти зазвичай поділяють на наступні категорії:

Як виготовляється технічний вуглець?

Пічний технічний вуглець

Його отримують в результаті неповного згоряння нафти-сирцю в реакторі.

Чорний канал.

Він виробляється з природного газу і має переваги дрібних частинок, великої питомої поверхні, високої чорноти та сильної колірної сили. Більша кількість кисневих функціональних груп може затримати процес вулканізації каучуку, покращуючи плинність і друкованість чорнила.

Термальний чорний

В основному виробляється шляхом високотемпературного крекінгу природного газу в безкисневих і безполум'яних умовах. Питома поверхня цієї сажі низька, з низьким вмістом кисню на поверхні.

Яка ціна технічного вуглецю на ринку?

Витрати на сировину

Технічний вуглець в основному використовує сировину, вироблену з кам'яновугільної смоли. Останнім часом коливання ринкових цін на кам'яновугільну смолу безпосередньо впливають на собівартість виробництва. Наприклад, у березні цього року ціна кам'яновугільної смоли зросла на 645 доларів США за тонну, що призвело до збільшення вартості технічного вуглецю.

Співвідношення попиту та пропозиції на ринку

Тому на початку 2024 року виробники технічного вуглецю в Азії очікували, що попит значно зросте, і відповідно збільшили виробництво. Однак незабаром з'ясувалося, що фактичні темпи закупівель відрізняються від прогнозованих. Це спричинило надлишок пропозиції на ринку. Нещодавно кон'юнктура ринку покращилася завдяки завершенню кварталу, і відтепер ціни стабілізуються.

Технічний вуглець проти графіту

Хімічні властивості

Хімічні властивості технічного вуглецю відносно активні, тоді як хімічні властивості графіту відображають стабільність, стійкість до високих температур і корозії. Графіт не розчиняється у воді та органічних розчинниках. При високих температурах легко реагує з киснем або металом, утворюючи оксиди або карбіди відповідно.

Фізичні властивості

Графіт має різні ланцюжкові або виноградоподібні агрегатні структури, і його основний вигляд - кристалічний. Як графіт, так і сажа мають хорошу електропровідність.

Оптичні властивості

Графіт є відносно однорідним за рівнем чорноти і має високу світлорозсіювальну здатність, тому не може використовуватися як ефективний пігмент. Чорність технічного вуглецю в основному зумовлена його здатністю поглинати світло; як правило, чим дрібніший розмір частинок, тим вища їхня чорнота.

Вплив технічного вуглецю на навколишнє середовище

Споживання енергії

Процес виробництва технічного вуглецю передбачає спалювання величезної кількості енергії, такої як нафта та природний газ. Однак надмірне споживання енергії призводить до перевитрати ресурсів та викидів парникових газів.

Забруднення повітря

При виробництві технічного вуглецю виділяються леткі органічні сполуки (ЛОС) разом із твердими частинками, які сприяють погіршенню якості повітря.

Заміщення та сталість

Завдяки природі процесу створення сажі, існує можливість використовувати чисту енергію сонця та вітру, а також використовувати відходи та альтернативні зелені матеріали.

Висновок

Технічний вуглець є незамінною речовиною в сучасній промисловості. Завдяки високій кольоровості, високій електропровідності та хорошій тепловій дисперсності, вона стала дуже важливою у виробництві гуми, пластмас, покриттів, чорнил тощо. Технічний вуглець може задовольнити потреби різних галузей промисловості у зв'язку із забрудненням навколишнього середовища, спричиненим виробництвом, і все ще існує потреба дослідити, як його вдосконалити.