Carbonio tecnico, la sua produzione

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-17 18:56

Il nero carbone (GOST 7885-86) è un tipo di prodotto industriale in carbonio utilizzato principalmente nella produzione di gomma come riempitivo che ne migliora le utili proprietà prestazionali. A differenza di coca cola e pece, è composta da quasi un carbonio, sembra fuliggine.

Ambito di applicazione

Circa il 70% del nerofumo prodotto viene utilizzato per la produzione di pneumatici, il 20% per la produzione di prodotti in gomma. Inoltre, il carbonio tecnico viene utilizzato nella produzione di pitture e vernici e nella produzione di inchiostri da stampa, dove agisce come pigmento nero.

Un altro ambito di applicazione è la produzione di plastiche e guaine per cavi. Qui il prodotto viene aggiunto come riempitivo e per conferire ai prodotti proprietà speciali. Il nerofumo è utilizzato anche in piccoli volumi in altri settori.

Caratteristica

Il nero carbone è il prodotto di un processo che incorpora le ultime tecniche di ingegneria e controllo. Grazie alla sua purezza e all'insieme rigorosamente definitoproprietà fisiche e chimiche, non ha nulla a che fare con la fuliggine prodotta come sottoprodotto inquinato dalla combustione di carbone e olio combustibile, o dal funzionamento di motori a combustione interna non regolati. Secondo la classificazione internazionale generalmente accettata, il nerofumo è designato Carbon Black (black carbon tradotto dall'inglese), la fuliggine in inglese è fuliggine. Cioè, questi concetti attualmente non sono mescolati in alcun modo.

L'effetto del rinforzo dovuto al riempimento delle gomme con carbon black non è stato meno importante per lo sviluppo dell'industria della gomma della scoperta del fenomeno della vulcanizzazione della gomma con zolfo. Nelle mescole di gomma, il carbonio di un gran numero di ingredienti utilizzati in base al peso occupa il secondo posto dopo la gomma. L'influenza degli indicatori di qualità del nerofumo sulle proprietà dei prodotti in gomma è molto maggiore degli indicatori di qualità dell'ingrediente principale: la gomma.

Proprietà di rinforzo

Il miglioramento delle proprietà fisiche di un materiale mediante l'introduzione di un riempitivo è chiamato rinforzo (rinforzo), e tali riempitivi sono chiamati amplificatori (nerofumo, ossido di silicio precipitato). Tra tutti gli amplificatori, il carbonio tecnico ha caratteristiche davvero uniche. Anche prima della vulcanizzazione si lega alla gomma e questa miscela non può essere completamente separata in nerofumo e gomma con solventi.

La forza delle gomme basate sui più importanti elastomeri:

Elastomero	Resistenza alla trazione, MPa
	Vulcalizzato non riempito	Vulcanizzazione riempita di nerofumo
Gomma stirene-butadiene	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Gomma poliacrilica	2, 1	17, 6
Gomma in polibutadiene	5, 6	21, 1

La tabella mostra le proprietà dei vulcanizzati ottenuti da vari tipi di gomma senza riempimento e riempiti con nerofumo. Dai dati di cui sopra, si può vedere come il riempimento di carbonio influisca in modo significativo sulla resistenza alla trazione della gomma. A proposito, altre polveri disperse utilizzate nelle mescole di gomma per dare il colore desiderato o ridurre il costo della miscela - gesso, caolino, talco, ossido di ferro e altri non hanno proprietà rinforzanti.

Struttura

I carboni naturali puri sono diamanti e grafite. Hanno una struttura cristallina che differisce notevolmente l'una dall' altra. La somiglianza nella struttura della grafite naturale e del materiale artificiale nerofumo è stata stabilita dalla diffrazione dei raggi X. Gli atomi di carbonio nella grafite formano grandi strati di sistemi ad anelli aromatici condensati, con una distanza interatomica di 0,142 nm. Questi strati di grafiteI sistemi aromatici condensati sono detti piani basali. La distanza tra i piani è rigorosamente definita ed è 0,335 nm. Tutti i livelli sono paralleli tra loro. La densità della grafite è 2,26 g/cm3.

A differenza della grafite, che ha un ordine tridimensionale, il carbonio tecnico è caratterizzato solo da un ordine bidimensionale. È costituito da piani di grafite ben sviluppati, situati approssimativamente paralleli tra loro, ma sfalsati rispetto agli strati adiacenti, ovvero i piani sono orientati arbitrariamente rispetto alla normale.

La struttura in grafite è figurativamente paragonata a un mazzo di carte ben piegato, e la struttura nerofumo è paragonata a un mazzo di carte in cui le carte sono spostate. In esso, la distanza interplanare è maggiore di quella della grafite ed è 0,350-0,365 nm. Pertanto, la densità del nerofumo è inferiore alla densità della grafite ed è compresa tra 1,76-1,9 g/cm³, a seconda della marca (il più delle volte 1,8 g/cm ^3).

Colorare

I gradi pigmentati (coloranti) di nerofumo vengono utilizzati nella produzione di inchiostri da stampa, rivestimenti, plastica, fibre, carta e materiali da costruzione. Sono classificati in:

• nero carbone (HC);
• medio (MS);
• colorazione normale (RC);
• colore basso (LC).

La terza lettera indica il metodo per ottenere - fornace (F) o canale (C). Esempio di designazione: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

Il potere colorante di un prodotto è legato alla sua dimensione delle particelle. A seconda della loro dimensione, il carbonio tecnico è diviso in gruppi:

Dimensione media delle particelle, nm	Grado nero per forno
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Classificazione

Il carbonio tecnico per gomma in base al grado di effetto rinforzante si divide in:

• Altamente rinforzante (battistrada, duro). Viene assegnato con la maggiore durata e resilienza all'attrito. La dimensione delle particelle è piccola (18-30 nm). Utilizzato in nastri trasportatori, battistrada di pneumatici.
• Semi-rinforzante (telaio, morbido). La dimensione delle particelle è media (40-60 nm). Sono utilizzati in diversi prodotti in gomma, carcasse di pneumatici.
• Basso guadagno. La dimensione delle particelle è grande (oltre 60 nm). Utilizzo limitato nell'industria dei pneumatici. Fornisce la forza necessaria pur mantenendo un'elevata elasticità nei prodotti in gomma.

La classificazione completa del nerofumo è fornita in ASTM D1765-03, accettata da tutti i produttori e utenti di prodotti globali. In esso, la classificazione, in particolare, viene effettuata in base al range della superficie specifica delle particelle:

Gruppo	Area specifica mediasuperficie mediante adsorbimento di azoto, m2/g
0	>150
1	121-150
2	100-120
3	70-99
4	50-69
5	40-49
6	33-39
7	21-32
8	11-20
9	0-10

Produzione di nerofumo

Ci sono tre tecnologie per la produzione industriale di nerofumo che utilizzano un ciclo di combustione incompleto di idrocarburi:

• forno;
• canale;
• tubo;
• plasma.

Esiste anche un metodo termico che decompone l'acetilene o il gas naturale ad alte temperature.

Gradi multipli prodotti da diverse tecnologie hanno caratteristiche diverse.

Tecnologia di produzione

Teoricamente, è possibile ottenere il nerofumo con tutti i metodi di cui sopra, tuttavia, oltre il 96% del prodotto prodotto è ottenuto con il metodo del forno da materie prime liquide. Il metodo consente di ottenere vari gradi di nerofumo con un determinato insieme di proprietà. Ad esempio, l'Omsk Carbon Black Plant produce più di 20 gradi di nerofumo utilizzando questa tecnologia.

La tecnologia generale è questa. Il reattore, rivestito con materiali altamente refrattari, è alimentato con gas naturale e aria riscaldata a 800°C. A causa della combustione del gas naturale, si formano prodotti della combustione completa con una temperatura di 1820-1900 ° C, contenente una certa quantità di ossigeno libero. Le materie prime di idrocarburi liquidi vengono iniettate nei prodotti ad alta temperatura della combustione completa, accuratamente miscelate in anticipo e riscaldate a 200-300 °C. La pirolisi delle materie prime avviene a temperatura rigorosamente controllata, che, a seconda della marca del nerofumo prodotto, ha valori diversi da 1400 a 1750° С.

A una certa distanza dal luogo di approvvigionamento delle materie prime, la reazione termo-ossidativa viene fermata dall'iniezione di acqua. Il nerofumo e i gas di reazione formatisi a seguito della pirolisi entrano nel riscaldatore d'aria, dove cedono parte del loro calore all'aria utilizzata nel processo, mentre la temperatura della miscela di carbonio-gas diminuisce da 950-1000 °С a 500-600 °С.

Dopo il raffreddamento a 260-280 °C grazie all'iniezione di acqua aggiuntiva, la miscela di nerofumo e gas viene inviata al filtro a maniche, dove il nerofumo viene separato dai gas ed entra nella tramoggia del filtro. Il nerofumo separato dal contenitore del filtro viene alimentato attraverso il gasdotto da un ventilatore (turbo soffiante) alla sezione di granulazione.

Produttori di nerofumo

La produzione globale di nerofumo supera i 10 milioni di tonnellate. Una così grande richiesta per il prodotto è spiegata, prima di tutto, dalle sue proprietà rinforzanti uniche. Le locomotive del settore sono:

• Aditya Birla Group (India) - circa il 15% del mercato.
• Cabot Corporation (USA) - 14% del mercato.
• Orion Engineered Carbons (Lussemburgo) - 9%.

I maggiori produttori di carbonio russi:

• Omsktehuglerod LLC – 40% del mercato russo. Fabbriche a Omsk, Volgograd, Mogilev.
• Carbonio tecnico JSC Yaroslavl – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.