Технический углерод, также известный как Carbon Black, представляет собой высокодисперсный порошок чёрного цвета, который играет ключевую роль в современной промышленности. Основная сфера его применения (более 80% от общего объёма производства) — это производство шин и различных резинотехнических изделий, где он выступает в качестве армирующего наполнителя, значительно повышающего прочность и износостойкость каучука. Помимо этого, он широко используется как пигмент в лакокрасочной и полиграфической отраслях, а также в производстве взрывчатых веществ и других материалов.
История и развитие производства
Изначально технический углерод, который ранее называли просто сажей, применялся исключительно в качестве красящего вещества. Интенсивное развитие его производства началось в 1930-х годах, что было напрямую связано со строительством первых заводов по выпуску синтетического каучука. Оказалось, что для переработки такого каучука в качественную резину необходим высокодисперсный и тщательно очищенный технический углерод. К 2006 году мировой объём производства этого материала превысил 11 миллионов тонн. Типичная мощность современных заводов составляет от 30 до 70 тысяч тонн целевого продукта в год.
Сырьё и способы получения
Технический углерод образуется в результате неполного сгорания или термического разложения (при температурах 1200–2000 °C) углеводородов. В качестве сырья могут использоваться самые разнообразные источники: от природных, попутных нефтяных и заводских газов до сжиженных углеводородных газов и жидких нефтяных фракций. К последним относятся как лёгкие фракции (бензиновые), так и тяжёлые (например, газойли — дистилляты процессов крекинга и коксования, экстракты очистки масел, антраценовое и пековое масла). Для получения продукта высокого качества сырьё должно содержать до 80–85% ароматических углеводородов с большим количеством циклических колец. Молекулярная масса жидкого сырья обычно составляет 150–400, пределы выкипания — 200–500 °C, а плотность может достигать 970–1030 кг/м³.
Характеристики и свойства продукта
Существует более 20 различных марок технического углерода. Выход конечного продукта варьируется от 40 до 70% и зависит как от типа сырья (газовое, масляное или их смесь), так и от метода производства. Наиболее распространён печной способ, на который приходится более 90% мирового производства; процесс образования частиц при этом длится всего 0,01–0,07 секунды. Другие методы включают канальный, термический (при температуре около 1600 °C без доступа воздуха), а также процессы в диффузионном или турбулентном пламени.
Готовый продукт содержит 90–99% углерода, 0,3–0,5% водорода, 0,1–7,0% кислорода, до 1,5% серы и до 0,5% золы. Частицы имеют сферическую форму размером от 0,025 до 0,350 микрометров. Они часто образуют плотные агрегаты или рыхлые агломераты размером от 1–9 до 600 мкм. Содержание кристаллической фазы в материале составляет 50–70%. Важным требованием к качеству является отсутствие даже следовых количеств мелких частиц кокса (например, не более 0,1% частиц размером свыше 4 мкм).
Ключевые показатели качества и применение
Одним из основных параметров, определяющих свойства технического углерода, является удельная геометрическая поверхность частиц. Она может варьироваться от 12–16 м²/г (при использовании газового сырья) до 100–250 м²/г. Насыпная плотность материала обычно находится в пределах 100–350 кг/м³ (иногда достигая 500 кг/м³), в то время как его истинная плотность составляет 1800–2000 кг/м³.
Чем меньше размер частиц и больше их удельная поверхность, тем выше прочность резины, модифицированной таким техническим углеродом. Его свойства можно дополнительно улучшать, вводя в сырьё различные химические присадки. В резиновой промышленности на одну тонну каучука в среднем расходуется около 0,5 тонны технического углерода, что подчёркивает его незаменимость в создании прочных и долговечных изделий.