פחמן טכני, ייצורו

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-17 18:51

פחמן שחור (GOST 7885-86) הוא סוג של מוצרי פחמן תעשייתיים המשמשים בעיקר בייצור גומי כחומר מילוי המשפר את תכונות הביצועים השימושיות שלו. שלא כמו קולה וזפת, הוא מורכב כמעט מפחמן אחד, הוא נראה כמו פיח.

היקף היישום

כ-70% מהפחמן השחור המיוצר משמש לייצור צמיגים, 20% - לייצור מוצרי גומי. כמו כן, נעשה שימוש בפחמן טכני בייצור צבע ולכה ובייצור צבעי הדפסה, שם הוא פועל כפיגמנט שחור.

תחום יישום נוסף הוא ייצור פלסטיק ומעטפות כבלים. כאן מוסיפים את המוצר כחומר מילוי וכדי לתת למוצרים תכונות מיוחדות. פחמן שחור משמש גם בהיקפים קטנים בתעשיות אחרות.

אופייני

שחור פחמן הוא תוצר של תהליך המשלב את טכניקות ההנדסה והבקרה העדכניות ביותר. בשל הטוהר והסט המוגדר בקפדנותתכונות פיזיקליות וכימיות, אין לזה שום קשר לפיח המופק כתוצר לוואי מזוהם משריפת פחם ומזוט, או מהפעלת מנועי בעירה פנימית לא מוסדרים. על פי הסיווג הבינלאומי המקובל, פחמן שחור מכונה פחמן שחור (פחמן שחור בתרגום מאנגלית), פיח באנגלית הוא פיח. כלומר, המושגים האלה אינם מעורבים כרגע בשום צורה.

השפעת החיזוק עקב מילוי גומיות בפחמן שחור הייתה חשובה לא פחות להתפתחות תעשיית הגומי מאשר גילוי תופעת גיפור הגומי בגופרית. בתרכובות גומי, פחמן ממספר רב של מרכיבים המשמשים לפי משקל תופס את המקום השני אחרי הגומי. השפעת מדדי האיכות של פחמן שחור על תכונות מוצרי הגומי גדולה בהרבה ממדדי האיכות של המרכיב העיקרי - גומי.

חיזוק נכסים

שיפור התכונות הפיזיקליות של חומר על ידי החדרת חומר מילוי נקרא חיזוק (חיזוק), וחומרי מילוי כאלה נקראים מגברים (פחמן שחור, תחמוצת סיליקון משוקעת). בין כל המגברים, לפחמן טכני יש מאפיינים ייחודיים באמת. עוד לפני הגיפור, הוא נקשר לגומי, ולא ניתן להפריד לחלוטין את התערובת הזו לפחמן שחור וגומי בעזרת ממיסים.

חוזק הגומיות המבוססות על האלסטומרים החשובים ביותר:

Elastomer	חוזק מתיחה, MPa
	Unfilled vulcanizate	וולקניזט במילוי פחמן שחור
Styrene Butadiene Rubber	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
גומי פוליאקרילט	2, 1	17, 6
גומי פוליבוטדיאן	5, 6	21, 1

הטבלה מציגה את המאפיינים של וולקניזטים המתקבלים מסוגים שונים של גומי ללא מילוי וממולאים בפחמן שחור. מהנתונים לעיל, ניתן לראות כיצד מילוי פחמן משפיע באופן משמעותי על חוזק המתיחה של הגומי. אגב, אבקות מפוזרות אחרות המשמשות בתרכובות גומי כדי לתת את הצבע הרצוי או להוזיל את עלות התערובת - לגיר, קאולין, טלק, תחמוצת ברזל ואחרות אין תכונות חיזוק.

Structure

פחמן טבעי טהור הם יהלומים וגרפיט. יש להם מבנה גבישי השונה זה מזה באופן משמעותי. הדמיון במבנה של גרפיט טבעי וחומר מלאכותי פחמן שחור נקבע על ידי עקיפה של קרני רנטגן. אטומי פחמן בגרפיט יוצרים שכבות גדולות של מערכות טבעת ארומטיות מעובה, עם מרחק בין-אטומי של 0.142 ננומטר. שכבות הגרפיט האלהמערכות ארומטיות מעובה נקראות מישורים בסיסיים. המרחק בין המישורים מוגדר בקפדנות והוא 0.335 ננומטר. כל השכבות מקבילות זו לזו. הצפיפות של גרפיט היא 2.26g/cm3.

בניגוד לגרפיט, שיש לו סדר תלת מימדי, פחמן טכני מאופיין רק בסדר דו מימדי. הוא מורכב ממישורי גרפיט מפותחים היטב, הממוקמים בערך מקבילים זה לזה, אך מאופקים ביחס לשכבות סמוכות - כלומר, המישורים מכוונים באופן שרירותי ביחס לנורמלי.

מבנה הגרפיט מושווה באופן פיגורטיבי לחפיסת קלפים מקופלת למשעי, ומבנה הפחמן מושווה לחפיסת קלפים שבה הקלפים מוזזים. בו, המרחק הבין-מישורי גדול מזה של גרפיט והוא 0.350-0.365 ננומטר. לכן, הצפיפות של פחמן שחור נמוכה מצפיפות הגרפיט והיא בטווח של 1.76-1.9 גרם/ס"מ³, תלוי במותג (לרוב 1.8 גרם/ס"מ ^3).

Coloring

דרגות פיגמנטיות (צביעה) של פחמן שחור משמשות בייצור של צבעי הדפסה, ציפויים, פלסטיק, סיבים, נייר וחומרי בניין. הם מסווגים ל:

• שחור פחמן גבוה (HC);
• medium (MS);
• צביעה רגילה (RC);
• צבע נמוך (LC).

האות השלישית מציינת את שיטת ההשגה - תנור (F) או תעלה (C). דוגמה לייעוד: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

כוח הצביעה של מוצר קשור לגודל החלקיקים שלו. בהתאם לגודלם, פחמן טכני מחולק לקבוצות:

גודל חלקיקים ממוצע, nm	Furnace black grade
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Classification

פחמן טכני לגומי לפי מידת השפעת החיזוק מתחלק ל:

• מחזק מאוד (דריכה, קשה). הוא מוקצה עם העמידות המוגברת והעמידות בפני שחיקה. גודל החלקיקים קטן (18-30 ננומטר). משמש ברצועות מסוע, משטחי צמיגים.
• מחזק למחצה (מסגרת, רך). גודל החלקיקים ממוצע (40-60 ננומטר). הם משמשים במוצרי גומי מגוונים, פגרי צמיגים.
• רווח נמוך. גודל החלקיקים גדול (מעל 60 ננומטר). שימוש מוגבל בתעשיית הצמיגים. מספק את החוזק הדרוש תוך שמירה על גמישות גבוהה במוצרי גומי.

סיווג מלא של פחמן שחור ניתן ב-ASTM D1765-03, המקובל על כל יצרני ומשתמשי המוצרים העולמיים. בו, הסיווג, במיוחד, מתבצע לפי טווח שטח הפנים הספציפי של חלקיקים:

Group	אזור ספציפי ממוצעמשטח על ידי ספיחת חנקן, 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

ייצור של פחמן שחור

ישנן שלוש טכנולוגיות לייצור פחמן שחור תעשייתי המשתמשות במחזור בעירה לא שלם של פחמימנים:

• furnace;
• channel;
• tube;
• plasma.

יש גם שיטה תרמית המפרקת אצטילן או גז טבעי בטמפרטורות גבוהות.

לכיתות מרובות המיוצרות בטכנולוגיות שונות יש מאפיינים שונים.

טכנולוגיית ייצור

תאורטית, ניתן להשיג פחמן שחור בכל השיטות הנ ל, אולם למעלה מ-96% מהמוצר המיוצר מתקבל בשיטת התנור מחומרי גלם נוזליים. השיטה מאפשרת להשיג דרגות שונות של פחמן שחור עם סט מסוים של תכונות.לדוגמה, מפעל הפחמן השחור של אומסק מייצר יותר מ-20 דרגות של פחמן שחור באמצעות טכנולוגיה זו.

הטכנולוגיה הכללית היא זו. הכור, מרופד בחומרים עמידים במיוחד, מוזן בגז טבעי ובאוויר מחומם ל-800 מעלות צלזיוס. עקב בעירה של גז טבעי, נוצרים תוצרים של בעירה מלאה בטמפרטורה של 1820-1900 מעלות צלזיוס, המכילים כמות מסוימת של חמצן חופשי. חומרי גלם פחמימניים נוזליים מוזרקים למוצרים בטמפרטורה גבוהה של בעירה מלאה, מעורבבים היטב מראש ומחוממים ל-200-300 מעלות צלזיוס. פירוליזה של חומרי גלם מתרחשת בטמפרטורה מבוקרת קפדנית, שבהתאם למותג הפחמן השחור המיוצר, יש לה ערכים שונים מ-1400 עד 1750 מעלות צלזיוס.

במרחק מסוים ממקום אספקת חומרי הגלם, התגובה התרמו-חמצונית נעצרת על ידי הזרקת מים. הפחמן השחור וגזי התגובה הנוצרים כתוצאה מפירוליזה נכנסים למחמם האוויר, שם הם מפיצים חלק מהחום שלהם לאוויר המשמש בתהליך, בעוד הטמפרטורה של תערובת הפחמן-גז יורדת מ-950-1000 מעלות צלזיוס. 500-600 °С.

לאחר קירור ל-260-280 מעלות צלזיוס עקב הזרקת מים נוספת, תערובת הפחמן השחור והגזים נשלחת אל מסנן השקיות, שם הפחמן השחור מופרד מהגזים ונכנס לבור המסנן. הפחמן השחור המופרד מפח המסנן מוזן דרך צינור הגז על ידי מאוורר (מפוח טורבו) אל קטע הגרנולציה.

מפיקים שחור פחמן

הייצור העולמי של פחמן שחור עולה על 10 מיליון טון. ביקוש כה גדול למוצר מוסבר, קודם כל, על ידי תכונות החיזוק הייחודיות שלו. הקטרים של התעשייה הם:

• Aditya Birla Group (הודו) - כ-15% מהשוק.
• Cabot Corporation (ארה"ב) - 14% מהשוק.
• Orion Engineered Carbons (לוקסמבורג) - 9%.

יצרני הפחמן הגדולים ברוסיה:

• Omsktehuglerod LLC – 40% מהשוק הרוסי. מפעלים באומסק, וולגוגרד, מוגילב.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.