Вуглець технічний, його отримання

Технічний вуглець (ГОСТ 7885-86) - вид промислових вуглецевих продуктів, що використовується в основному при виробництві гуми як наповнювач, що підсилює її корисні експлуатаційні властивості. На відміну від коксу і пеку, складається майже з одного вуглецю, з вигляду нагадує сажу.

Галузь застосування

Приблизно 70% виробленого техвуглецю використовують для виготовлення шин, 20% - для виробництва гумово-технічних виробів. Також вуглець технічний знаходить застосування в лакофарбовому виробництві та отриманні друкарських фарб, де він виконує роль чорного пігменту.

Ще одна область застосування - виробництво пластмас і оболонок кабелів. Тут продукт додають в якості наповнювача і надання виробам спеціальних властивостей. У невеликих обсягах застосовується техвуглецю та в інших галузях промисловості.

характеристика

Технічний вуглець - продукт процесу, що включає новітні інженерні технології і методи контролю. Завдяки своїй чистоті і строго певним набором фізичних і хімічних властивостей, він не має нічого спільного з сажею, що утворюється як забруднене побічний продукт в результаті спалювання вугілля і мазуту, або при роботі неврегульованою двигунів внутрішнього згоряння. За загальноприйнятою міжнародною класифікацією техвуглець позначається Carbon Black (чорний вуглець в перекладі з англійської мови), сажа по-англійськи - soot. Тобто ці поняття в даний час, жодним чином не змішуються.

Ефект посилення за рахунок наповнення каучуків техвуглецем мав для розвитку гумової промисловості не менше значення, ніж відкриття явища вулканізації каучуку сіркою. У гумових сумішах вуглець з великої кількості при­-міняних інгредієнтів по масі займає друге місце після каучуку. Вплив же якісних показників техвуглецю на властивості гумових виробів значно більше, ніж якісних показників основного інгредієнта - каучуку.

підсилюють властивості

Поліпшення фізичних властивостей матеріалу за рахунок введення наповнювача називається посиленням (армуванням), а такі наповнювачі називаються підсилю­-ками (техвуглець, обложена окис кремнію). Серед всіх підсилювачів воістину унікальними характеристиками володіє вуглець технічний. Навіть до вулканізації він зв`язується з каучуком, і цю суміш неможливе­-можна повністю розділити на carbon black і каучук за допомогою розчинників.

Міцність гум, отриманих на основі найважливіших еластомерів:

У таблиці показані властивості вулканизатов, отриманих з різних видів каучуку без наповнення і наповнених техвуглецем. З наведених даних видно, як суттєво впливає наповнення ­-вуглецем на показник міцності гум при розтягуванні. До речі, інші дисперсні порошки, застосовувані в гумових сумішах для додання потрібного забарвлення або удешев­-лення суміші - крейда, каолін, тальк, окис заліза і інші не мають підсилюю­-ські властивостями.

структура

Чисті природні вуглеці - це алмази і графіт. Вони мають кристалічну структуру, значно відрізняю­-щуюся одна від одної. методом дифракції рентгенівських променів встановлено схожість в струк­-турі натурального графіту і штучного матеріалу carbon black. Атоми вуглецю в графи­-ті утворюють великі верстви сконденсованих ароматичних кільцеподібних систем, з міжатомних відстанню 0,142 нм. Ці графітові шари сконденсованих ароматичних систем при­-нято називати базисними площинами. Відстань між площинами строго певна і становить 0,335 нм. Всі верстви расположе­-ни паралельно відносно один одного. Щільність графіту становить 2,26 г / см³.

На відміну від графіту, що володіє тривимірної впорядкованістю, вуглець технічний характеризується тільки двомірної впорядкованістю. Складається він з добре розвинених графітових площин, розташованих приблизно паралельно один одному, але зміщеним по відношенню до суміжних верствам - тобто, площині довільно орієнтовані щодо норма­-ли.

Образно структуру графіту порівнюють з акуратно складеною коло­-дою карт, а структуру техвуглецю з колодою карт в якій карти зрушені. У ньому межплоскостное відстань більше, ніж у графіту і становить 0,350-0,365 нм. Тому щільність техвуглецю нижче щільності графіту і знаходиться в межах 1,76-1,9 г / см³, в залежності від марки (найчастіше 1,8 г / см³).

фарбування

Пігментні (фарбують) марки технічного вуглецю використовуються у виробництві друкарських фарб, покриттів, пластмас, волокон, паперу та будівельних матеріалів. Їх класифікують на:

• високоокрашівающій техвуглець (НС);
• среднеокрашівающій (МС);
• нормальноокрашівающій (RC);
• нізкоокрашівающій (LC).

Третя буква позначає спосіб отримання - пічної (F) або канальний (С). Приклад позначення: HCF - високоокрашівающій пічної техвуглець (Hiqh Colour Furnace).

Фарбуюча здатність продукту пов`язана з розміром його частинок. Залежно від їх розміру вуглець технічний підрозділяється по групах:

Класифікація

Технічний вуглець для гум за ступенем підсилює ефекту поділяють на:

• Високоусілівающій (протекторний, твердий). Виділяється підвищеною міцністю і опірністю стиранню. Розмір частинок невеликий (18-30 нм). Застосовують в транспортерних стрічках, протектора шин.
• Полуусілівающій (каркасний, м`який). Розмір частинок середній (40-60 нм). Застосовують в різнопланових гумотехнічних виробах, каркасах шин.
• Нізкоусілівающій. Розмір частинок великий (понад 60 нм). У шинної промисловості використовується обмежено. Забезпечує необхідну міцність при збереженні високої еластичності в гумотехнічних виробах.

Повна класифікація техвуглецю дана в стандарті ASTM D1765-03, прийнятому усіма світовими виробниками продукту і його споживачами. У ньому класифікація, зокрема, ведеться за діапазоном питомої площі поверхні частинок:

Виробництво технічного вуглецю

Розрізняють три технології отримання промислового техвуглецю, в яких використовується цикл неповного спалювання вуглеводнів:

• пічної;
• канальний;
• ламповий;
• плазмовий.

Також існує термічний метод, при якому при високих температурах відбувається розкладання ацетилену або природного газу.

Численні марки, одержувані за рахунок різних технологій, володіють різноманітними характеристиками.

технологія виготовлення

Теоретично можливо отримання технічного вуглецю усіма перерахованими способами, однак більше 96% виробленого продукту отримують пічним спо­-собом з рідкого сировини. Метод дозволяє отримувати різноманітні марки техвуглецю з певним набором властивостей. Наприклад, на Омському заводі технічного вуглецю за даною технологією виробляється більше 20 марок техвуглецю.

Загальна технологія така. У реактор, футерований Високовогнетривкі матеріалами, подається природний газ і нагрітий до 800 ° С повітря. За рахунок спалювання природного газу утворюються продукти повного згоряння з температурою 1820-1900 ° С, утримуючи­-щие певну кількість вільного кисню. У високотемпературні продукти повного згоряння впорскується рідке вуглеводневу сировину, попередньо ретельно перемішане і нагріте до 200-300 ° С. Піроліз сировини відбувається при строго контрольованій температурі, яка в зале­-мости від марки випускається техвуглецю має різні значення від 1400 до 1750 ° С.

На певній відстані від місця подачі сировини термоокіслі­-кові реакція припиняється за допомогою впорскування води. Утворилися в результаті піролізу технічний вуглець і гази реакції надходять в повітропідігрівом­-тель, в якому вони віддають частину свого тепла повітрю, що використовується в про­-процесі, при цьому температура углеродогазовой суміші знижується від 950-1000 ° С до 500-600 ° С.

Після охолодження до 260-280 ° С за рахунок додаткового упорскування води суміш технічного вуглецю і газів направляється в рукавний фільтр, де тих­-ний вуглець відділяється від газів і надходить в бункер фільтра. Виділений технічний вуглець з бункера фільтра по трубопроводу­-воду газотранспорту подається вентилятором (турбоповітродувки) в від­-поділ гранулювання.

Виробники технічного вуглецю

Світове виробництво техвуглецю перевищує 10 млн тонн. Така велика потреба в продукті пояснюється, перш за все, його унікальними підсилюють властивостями. Локомотивами галузі є:

• Aditya Birla Group (Індія) - близько 15% ринку.
• Cabot Corporation (США) - 14% ринку.
• Orion Engineered Carbons (Люксембург) - 9%.

Найбільші російські виробники вуглецю:

• ТОВ «Омсктехуглерод» - 40% російського ринку. Заводи в Омську, Волгограді, Могильові.
• ВАТ «Ярославський технічний вуглець» - 32%.
• ВАТ «Ніжнекамсктехуглерод» - 17%.