Technische koolstof, de productie ervan

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-17 19:03

Koolzwart (GOST 7885-86) is een soort industriële koolstofproducten die voornamelijk worden gebruikt bij de productie van rubber als vulmiddel dat de nuttige prestatie-eigenschappen verbetert. In tegenstelling tot cokes en pek, bestaat het uit bijna één koolstof, het ziet eruit als roet.

Toepassingsgebied

Ongeveer 70% van het geproduceerde roet wordt gebruikt voor de productie van banden, 20% - voor de productie van rubberproducten. Ook wordt technische koolstof gebruikt bij de productie van verf en vernis en bij de productie van drukinkten, waar het fungeert als een zwart pigment.

Een ander toepassingsgebied is de productie van kunststoffen en kabelmantels. Hier wordt het product toegevoegd als vulmiddel en om producten speciale eigenschappen te geven. Carbon black wordt ook in kleine volumes gebruikt in andere industrieën.

Karakteristiek

Carbon black is het product van een proces waarin de nieuwste engineering- en controletechnieken zijn verwerkt. Vanwege zijn zuiverheid en strikt gedefinieerde setfysische en chemische eigenschappen heeft het niets te maken met het roet dat wordt geproduceerd als verontreinigd bijproduct van de verbranding van steenkool en stookolie, of van de werking van niet-gereguleerde verbrandingsmotoren. Volgens de algemeen aanvaarde internationale classificatie wordt carbon black aangeduid als Carbon Black (black carbon vertaald uit het Engels), roet in het Engels is roet. Dat wil zeggen, deze concepten zijn momenteel op geen enkele manier gemengd.

Het effect van wapening door het vullen van rubbers met carbon black was niet minder belangrijk voor de ontwikkeling van de rubberindustrie dan de ontdekking van het fenomeen van vulkanisatie van rubber met zwavel. In rubbersamenstellingen neemt koolstof van een groot aantal gebruikte ingrediënten in gewicht de tweede plaats in na rubber. De invloed van de kwaliteitsindicatoren van carbon black op de eigenschappen van rubberproducten is veel groter dan de kwaliteitsindicatoren van het hoofdingrediënt - rubber.

Versterkende eigenschappen

Het verbeteren van de fysieke eigenschappen van een materiaal door een vulmiddel toe te voegen, wordt versterking (versterking) genoemd, en dergelijke vulstoffen worden versterkers genoemd (roet, neergeslagen siliciumoxide). Van alle versterkers heeft technisch koolstof werkelijk unieke eigenschappen. Zelfs vóór vulkanisatie bindt het aan rubber en dit mengsel kan niet volledig worden gescheiden in roet en rubber met oplosmiddelen.

De sterkte van rubbers op basis van de belangrijkste elastomeren:

Elastomeer	Treksterkte, MPa
	Ongevuld vulcanisaat	Vulcanisaat gevuld met roet
Styreen-butadieenrubber	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Polyacrylaatrubber	2, 1	17, 6
Polybutadieenrubber	5, 6	21, 1

De tabel toont de eigenschappen van vulcanisaten verkregen uit verschillende soorten rubber zonder vulling en gevuld met roet. Uit de bovenstaande gegevens blijkt hoe koolstofvulling de treksterkte van rubber aanzienlijk beïnvloedt. Trouwens, andere gedispergeerde poeders die in rubberverbindingen worden gebruikt om de gewenste kleur te geven of de kosten van het mengsel te verlagen - krijt, kaolien, talk, ijzeroxide en andere hebben geen versterkende eigenschappen.

Structuur

Puur natuurlijke koolstoffen zijn diamanten en grafiet. Ze hebben een kristallijne structuur die aanzienlijk van elkaar verschilt. De overeenkomst in de structuur van natuurlijk grafiet en kunstmatig materiaal carbon black werd vastgesteld door röntgendiffractie. Koolstofatomen in grafiet vormen grote lagen van gecondenseerde aromatische ringsystemen, met een interatomaire afstand van 0,142 nm. Deze grafietlagengecondenseerde aromatische systemen worden basale vlakken genoemd. De afstand tussen de vlakken is strikt gedefinieerd en bedraagt 0,335 nm. Alle lagen lopen parallel aan elkaar. De dichtheid van grafiet is 2.26g/cm3.

In tegenstelling tot grafiet, dat een driedimensionale volgorde heeft, wordt technische koolstof alleen gekenmerkt door een tweedimensionale volgorde. Het bestaat uit goed ontwikkelde grafietvlakken, ongeveer evenwijdig aan elkaar, maar verschoven ten opzichte van aangrenzende lagen - dat wil zeggen, de vlakken zijn willekeurig georiënteerd ten opzichte van de normaal.

De grafietstructuur wordt figuurlijk vergeleken met een netjes opgevouwen kaartspel, en de carbonzwarte structuur wordt vergeleken met een kaartspel waarin de kaarten zijn verschoven. Daarin is de interplanaire afstand groter dan die van grafiet en is 0,350-0,365 nm. Daarom is de dichtheid van roet lager dan de dichtheid van grafiet en ligt deze in het bereik van 1,76-1,9 g/cm³, afhankelijk van het merk (meestal 1,8 g/cm ^3).

Kleuren

Gepigmenteerde (kleur)soorten carbon black worden gebruikt bij de productie van drukinkten, coatings, kunststoffen, vezels, papier en bouwmaterialen. Ze zijn ingedeeld in:

• high colour carbon black (HC);
• gemiddeld (MS);
• normale kleuring (RC);
• lage kleur (LC).

De derde letter geeft de methode van verkrijgen aan - oven (F) of kanaal (C). Aanduiding voorbeeld: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

De kleurkracht van een product is gerelateerd aan de deeltjesgrootte. Afhankelijk van hun grootte wordt technische koolstof onderverdeeld in groepen:

Gemiddelde deeltjesgrootte, nm	Oven zwarte kwaliteit
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Classificatie

Technische koolstof voor rubber volgens de mate van versterkend effect is onderverdeeld in:

• Sterk versterkend (loopvlak, hard). Het wordt toegewezen met de verhoogde duurzaamheid en weerstand tegen uitputting. De deeltjesgrootte is klein (18-30 nm). Gebruikt in transportbanden, loopvlakken van banden.
• Semi-versterkend (raamwerk, zacht). De deeltjesgrootte is gemiddeld (40-60 nm). Ze worden gebruikt in diverse rubberproducten, karkassen van banden.
• Lage winst. De deeltjesgrootte is groot (meer dan 60 nm). Beperkt gebruik in de bandenindustrie. Biedt de nodige sterkte met behoud van een hoge elasticiteit in rubberproducten.

Volledige classificatie van carbon black wordt gegeven in ASTM D1765-03, geaccepteerd door alle wereldwijde productfabrikanten en gebruikers. Daarin wordt de classificatie in het bijzonder uitgevoerd volgens het bereik van het specifieke oppervlak van deeltjes:

Groep	Gemiddeld specifiek gebiedoppervlak door stikstofadsorptie, 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

Productie van carbonzwart

Er zijn drie technologieën voor de productie van industrieel roet die gebruikmaken van een onvolledige verbrandingscyclus van koolwaterstoffen:

• oven;
• kanaal;
• tube;
• plasma.

Er is ook een thermische methode die acetyleen of aardgas bij hoge temperaturen afbreekt.

Meerdere soorten geproduceerd door verschillende technologieën hebben verschillende kenmerken.

Productietechnologie

Theoretisch is het mogelijk om roet te verkrijgen met alle bovenstaande methoden, maar meer dan 96% van het geproduceerde product wordt verkregen door de ovenmethode uit vloeibare grondstoffen. De methode maakt het mogelijk om verschillende kwaliteiten carbon black te verkrijgen met een bepaalde set eigenschappen. Zo produceert de Omsk Carbon Black Plant meer dan 20 soorten carbon black met behulp van deze technologie.

De algemene technologie is dit. De reactor, bekleed met zeer vuurvaste materialen, wordt gevoed met aardgas en lucht verwarmd tot 800°C. Door de verbranding van aardgas worden producten van volledige verbranding gevormd met een temperatuur van 1820-1900 ° C, die een bepaalde hoeveelheid vrije zuurstof bevatten. Vloeibare koolwaterstofgrondstoffen worden geïnjecteerd in de hogetemperatuurproducten van volledige verbranding, vooraf grondig gemengd en verwarmd tot 200-300 °C. De pyrolyse van grondstoffen vindt plaats bij een strikt gecontroleerde temperatuur, die, afhankelijk van het merk geproduceerde carbon black, verschillende waarden heeft van 1400 tot 1750 ° С.

Op een bepaalde afstand van de plaats van toevoer van grondstoffen wordt de thermo-oxidatieve reactie gestopt door de injectie van water. Het door pyrolyse gevormde roet en reactiegassen komen de luchtverwarmer binnen, waar ze een deel van hun warmte afgeven aan de lucht die bij het proces wordt gebruikt, terwijl de temperatuur van het koolstof-gasmengsel da alt van 950-1000 °С tot 500-600 °С.

Na afkoeling tot 260-280 °C als gevolg van extra waterinjectie, wordt het mengsel van roet en gassen naar de zakkenfilter gestuurd, waar roet wordt gescheiden van de gassen en in de filtertrechter komt. Het afgescheiden roet uit de filterbak wordt door een ventilator (turboblower) via de gasleiding naar de granulatiesectie geleid.

Koolzwart producenten

Wereldwijde productie van carbon black overschrijdt 10 miljoen ton. Zo'n grote vraag naar het product wordt allereerst verklaard door zijn unieke versterkende eigenschappen. De locomotieven van de industrie zijn:

• Aditya Birla Group (India) - ongeveer 15% van de markt.
• Cabot Corporation (VS) - 14% van de markt.
• Orion Engineered Carbons (Luxemburg) - 9%.

Grootste Russische koolstofproducenten:

• Omsktehuglerod LLC – 40% van de Russische markt. Fabrieken in Omsk, Volgograd, Mogilev.
• JSC Yaroslavl technisch koolstof – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.