Технический углерод

Технический углерод — высокодисперсный углеродистый материал, образующийся при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов (природных или промышленных газов, жидких продуктов нефтяного или каменноугольного происхождения).

Получение технического углерода

По способу получения газовый технический углерод делится на 3 вида:

  1. канальный (диффузионный);
  2. печной масляный (марки ПМ и ПГМ, наиболее популярны П803 гран., П803пыль);
  3. термический (марка ТГ-10).

Из отходов нефтяного и каменноугольного производства получают ламповый и форсуночный технический углерод. В зависимости от способа получения меняется дисперсность частиц, которая определяет малярно-технические свойства технического углерода и прежде всего глубину цвета. Технический углерод всех марок, кроме ТГ-10, выпускается в гранулированном виде.

Свойства технического углерода

Маслоемкость технического углерода зависит от удельной поверхности и с уменьшением диаметра частиц увеличивается; она составляет для термического технического углерода 50—80, лампового 100—120, канального 200 г/100 г.

Форма частиц технического углерода, как правило, сферическая или близкая к ней; удельная поверхность наиболее дисперсных сортов 90—100 м2/г.

Технический углерод химически инертен, светостоек, обладает высокой красящей способностью и укрывистостью. Благодаря этому он широко используется в разных отраслях промышленности. Наибольшее применение технический углерод находит в резиновой промышленности (особо востребованы №220, №330, №339, №550). Технический углерод применяется в качестве усиливающего компонента в производстве резин и других пластических масс. Около 70% всего выпускаемого техуглерода используется в производстве шин, ~20 % в производстве резино-технических изделий. Остальное количество находит применение в качестве чёрного пигмента; замедлителя «старения» пластмасс; компонента, придающего пластмассам специальные свойства: (электропроводные, способность поглощать ультрафиолетовое излучение, излучение радаров).

Пигментами называются продукты, придающие изделию цвет, при этом находящиеся в системе в твердой фазе (в виде частиц) и не вступающие в химические реакции с носителем.

При использовании пигментов в производстве изделий из цементно-песчанных композиций (тротуарная и фасадная плитка, строительные смеси), для окрашивания силикатного кирпича, наливных полов, штукатурки, и других строительных материалов.Наименование класса Код Марка по ASTM D1765 Размер

частиц, нм Растягивающее усилие, МПа Сопротивление истиранию, усл.ед.

Усиление резин при помощи технического углеводорода

Наименование класса Код Марка по

ASTM D1765

Размер

частиц, нм

Растягивающее

усилие, МПа

Сопротивление

истиранию, усл.ед.

Суперстойкий к истиранию, печной SAF N110 20—25 25,2 1,35
Промежуточный ISAF N220 24—33 23,1 1,25
С высокой стойкостью к истиранию, печной HAF N330 28—36 22,4 1,00
Быстроэкструдирующийся печной FEF N550 39—55 18,2 0,64
Высокомодульный печной HMF N683 49—73 16,1 0,56
Полуусиливающий печной SRF N772 70—96 14,7 0,48
Средний термический MT N990 250—350 9,8 0,18
Каучук бутадиен-стирольный 2,5 ~0

Классификация технического углеводорода

Марка по

ГОСТ 7885

Удельная поверхность,10³м²/кг Йодное число г/кг >Абсорбция масла, 10 -5 м³/кг Насыпная плотность кг/м³
П245 119 121 103 330
П234 109 105 101 340
К354 150
П324 84 84 100 340
П514 43 101 340
П701 36 65 420
П702 37,5 70 400
П705 23 110 320
П803 16 83 320
Т900 14

Производство технического углерода

Пигменты вводят в сухом виде в самом начале смешения цемента и песка (или иного вяжущего и наполнителя) и тщательно перемешивают. При производстве изделий «под натуральный камень» и получения на них разводов желательно вводить пигменты дополнительного (не фонового) цвета не в сухом виде, а в виде высококонцентрированной, влажной смеси идентичной основному составу.

Технический углерод

Технический углерод — относится к классу промышленных углеродных продуктов, где углерод находится в форме, которая не встречается в природных материалах. Это полидисперсный порошкообразный материал черного цвета образующийся в газовой фазе при термическом или термоокислительном разложении углеродосодержащих веществ, пре­имущественно углеводородов. Технический углерод является основным усилителем резин на основе натурального и синтетических каучуков, а также используется в производстве лаков и кра­сок, пластических масс, искусственного волокна, бумаги, в строительной и электротехни­ческой промышленности. В настоящее время в мире производится около 10 млн. тон технического углерода, который в основном применяется в производстве шин и резинотехнических изделий

Благодаря применению печных марок технического углерода стало возможным освоение новых синте­тических каучуков. Ассортимент технического углерода в основном определяется резиновой промышлен­ностью, хотя в ограниченных количествах выпускается технический углерод специального назначения.

Сегодня производится более 70 коммерческих марок технического углерода (включая приблизительно 20 марок для резин и приблизительно 50 марок для специального использования).

Высокая потребность в техническом углероде объясняется, прежде всего, его уникальными усилива­ющими свойствами. Наполнение каучуков существенно влияет на условную прочность ре­зин при растяжении и прочие эксплуатационные характеристики изделия. Даже до вулканизации технический углерод связывается с кау­чуком и эту смесь невозможно полностью разделить на технический углерод и каучук при помо­щи растворителей.

Из большого количества применяемых в резиновых смесях ингредиентов технический углерод занимает второе место по массе после каучу­ка. По общепринятой международной класси­фикации технический углеерод называется «Carbon Black», в отличие от сажи, называемой «Soot» которая образуется в процессе горения как побочный загрязняющий продукт (например, сажа в отработавших газах дизелей).

Структура технического углерода

По степени кристалличности технический углерод (мел) занил промежуточное место между крис­таллическим графитом и аморфным углеродом с турбостратической (послойно неупорядоченной) формой углерода. Основными структурными единицами технического углерода являются «частицы», ко­торые ассоциируются в «агрегаты».

Частица технического углерода представляет собой недискретную преимущественно сфероидальную единицу, включающую углеродные полимерные слои различной степени упорядоченности (от двумерньх полициклических образований до относительно крупных графитоподобных кристалли­тов). Отдельные частицы в индивидуальном виде встречаются только в термическом техническом углероде наряду с агрегатами. При всех остальных способах получения частицы технического углерода все­гда связаны в агрегаты.

Агрегат технического углерода представляет собой дискретную жесткую коллоидную единицу грозде­видной формы, состоящую из полидисперсных частиц, соединенных химическими (валентны­ми) связями. Они обеспечивают высокую прочность первичных агрегатов, которые являются наименьшей диспергируемой единицей технического углерода, содержащей от нескольких десятков до нескольких сотен сросшихся частиц. Размер и форма агрегатов так же как и размеры частиц, являются главными параметрами, обусловливающими свойства технического углерода как усиливающе­го наполнителя и пигмента. Агрегаты имеют разнообразные формы — от гроздевидных до цепо­чечных-и разные размеры. Частицы внутри каждого отдельного агрегата незначительно раз­личаются по размерам.

Частицы в агрегате связаны непрерывной цепочечной структурой в единую матрицу. Сово­купность нескольких агрегатов, удерживаемых вместе физическими силами, представляет собой агломерат-, который может быть легко разрушен на более мелкие агломераты или даже на отдельные агрегаты при приложении определенных усилий (например, в процессе смещения технического углерода с каучуком).

Параллельно сорентированные слоевые пакеты, образованные из отломившехся частичек графитовых плоскостей (слоев), хаотично расположенных внутри частицы и связанных между собой валентными связями или через боковые цепи неорганизованного углерода представляют собой «кристаллиты». При­чем, если внутри частицы кристаллиты ориентированы беспорядочно, то в крупных частицах термического технического углерода базисные плоскости кристаллитов поверхностного слоя расположе­ны приблизительно параллельно поверхности частицы. Поскольку большей степени упорядочен­ности кристаллитов соответствует более плотная упаковка, поверхностные области частиц ока­зываются более плотными, чем центральные. Степень упорядоченности кристаллитов убывает с уменьшением размера частиц. Слои кристаллитов состоят из правильных спаянных гексагонов (шестиугольников), в которых атомы углерода расположены в их вершинах на расстоянии 0,143 нм. Кристаллы в частице упакованы беспорядочно; степень упорядоченности возрастает от центра к периферии.

Расстояние между слоями кристаллита изменяется в пределах 0,345 – 0,370 нм (для сравнения в графите — 0,333 нм). Кристаллиты большинства типов технического углерода состоят из 3-5 слоев (ацети­ленового технического углерода из 6-8). Размеры кристаллитов вдоль плоскости слоя составляют 1,5-3,0 нм, перпендикулярно — 1-2 нм. Среднее колличество кристаллитов в отдельно взятой частице изменяется в интервале от 1600 для наиболее дисперсного углерода до 5,3*106 для термического. При плотной упаковке в 1 см3 может располагаться более 1014 единиц агрегатов.

Совместно с кристаллитами в частице присутствуют отдельные слои не входящие в состав углеродного слоя или кристаллита так называемый неорганизованный углерод в виде углеводородных цепей связанных с краевыми ненасыщенными атомами углерода кристаллитов и слоев. Неполная валентная насыщенность крайних атомов определяет связь кристаллитов непосредственно друг с другом или по средствам боковых углеводородных цепей. В ходе процессов окисления крайние атомы, являясь активными центрами приводят к образованию различных функциональных групп на поверхности кристалла. Графитированный технический углерод уже не является активным наполнителем и по свойствам приближается к графитовому порошку.

К списку