← назад в раздел База знаний


Технический углерод (сажа, carbon black) - важный наноматериал для промышленного и научного применения, обладает уникальными характеристиками, такими как высокая площадь поверхности, исключительная электропроводность и превосходная механическая прочность. Нанопорошок технического углерода играют ключевую роль в различных областях, включая накопление энергии, катализ и передовые композитные материалы, что делает его материалом, представляющим большой интерес для передовых исследований и технологий.

Введение

Технический углерод (сажа, carbon black) и как и другие проводящие углеродные материалы являются ценными веществами с высокой электропроводностью и универсальными свойствами. Нанопорошок технического углерода, полученный в результате неполного сгорания или термического разложения углеводородов, обладает высокой площадью поверхности, что делает его превосходным для адсорбции и улучшения электропроводимости. Основными источниками технического углерода являются ископаемые виды топлива, такие как нефть и природный газ, хотя его также можно получить из других органических материалов. Порошок углерода представляет собой неорганический углеродный материал, получаемый путем термического разложения и крекинга негорючих углеводородных веществ, таких как природный газ, нефтяные остатки или уголь.

Какова история создания нанопорошка технического углерода?

Технический углерод образуется в результате различных процессов, включая неполное сгорание ископаемых видов топлива, таких как дизельное топливо и мазут, а также сжигание углеродсодержащих материалов, таких как дрова. Исторически сложилось так, что технический углерод изначально производился в Китае путем неполного сгорания в масляных лампах и использовался для получения черного пигмента в индийских чернилах.

В 1912 году было обнаружено, что технический углерод обладает исключительными армирующими свойствами для резиновых шин. Это открытие стало революционным для шинной промышленности, поскольку оно значительно повысило прочность, долговечность и износостойкость резиновых шин, сделав их более подходящими для различных применений. С тех пор технический углерод стал важным ингредиентом в резиновой промышленности и широко используется в производстве шин, а также в других резиновых изделиях, таких как ремни, шланги и уплотнения.

Как производится технический углерод?

Технический углерод - это неорганический углеродный материал, получаемый в результате термического разложения и крекинга негорючих углеводородных веществ, таких как природный газ, нефтяные отходы или уголь. Технический углерод состоит из микроскопических частиц и обычно имеет форму темно-черного порошка.

Производство нанопорошка технического углерода обычно осуществляется на специализированных установках. Производственный процесс включает следующие этапы:

  • Подготовка сырья: сырье, которое будет использоваться для производства порошка технического углерода, выбирается из подходящих источников углеводородов, таких как природный газ, нефтяные остатки или уголь, и подготавливается для дальнейшей переработки;
  • Пиролиз: Сырье подвергается термической обработке, известной как пиролиз, в бескислородной среде при высоких температурах (обычно между 1000 ÷ 3000 °C). В ходе этого процесса сырье расщепляется на молекулярном уровне и образуются частицы технического углерода.
  • Охлаждение и улавливание: Частицы технического углерода, образующиеся при пиролизе, быстро охлаждаются и улавливаются. Этот этап имеет решающее значение для обеспечения желаемых свойств технического углерода.
  • Обработка и очистка: Собранный порошок технического углерода подвергается обработке и очищению. Нежелательные побочные продукты и добавки удаляются для получения очищенного продукта.
  • Хранение и упаковка: Полученный технический углерод хранится в подходящих условиях и упаковывается в различные контейнеры.

Технический углерод находит широкое применение в качестве жизненно важной добавки при производстве различных промышленных изделий, включая резину, пластик, краску, чернила, химикаты, аккумуляторы и электроды. Его ценят за улучшение таких свойств, как электропроводность, устойчивость к ультрафиолетовому излучению и механические характеристики в различных областях применения. Однако производство технического углерода может иметь определенные неблагоприятные последствия для окружающей среды и здоровья, поэтому производственные процессы строго регулируются и контролируются.

Рисунок 1. Извлечение пиролитической сажи из отработанных шин и синтез углеродных точек.

 

Если говорить о процессе получения технического углерода более детально:

Технический углерод получают в основном путем неполного сжигания тяжелых нефтяных остатков с использованием технологии сжигания сажи в масляной печи (используется для производства 98% мирового объема продукта). Реакция происходит в печи, в которой природный газ сжигается в присутствии избытка воздуха. Масляная шихта вводится радикально. Температура колеблется от 1400 до 2000 °C, а время реакции от 1/100 до 1/10 секунды в зависимости от получения желаемого типа “черноты”. Газообразные продукты сгорания, содержащие технический углерод, быстро охлаждаются путем распыления воды, а технический углерод извлекается путем фильтрации.

Кроме того, крекинг ацетилена при температуре более 2000°C позволяет получить чистейшую сажу, обладающую более высокой электропроводностью.

Характеристики технического углерода

Технический углерод обычно состоит из углерода (в диапазоне от 98% до 99.7%), присутствующего в виде сферических частиц (в диапазоне от 10 до 500 нм). Их удельная поверхность колеблется от 10 до 300 м2/г, что указывает на высокую площадь поверхности на единицу массы частиц.

particle carbon blackРисунок 2. Основные свойства частиц технического углерода.

Кроме того, существуют различные марки технического углерода, в зависимости от используемого сырья, условий сжигания и процессов термического разложения. В результате этих изменений технический углерод обладает уникальными свойствами, что делает его пригодным для различных промышленных применений.

Источники получения технического углерода:

  • неполное сгорание дров, древесного угля и т.д;
  • сжигание топлива в дизельных двигателях транспортных средств;
  • сжигание сельскохозяйственных отходов и лесоматериалов;
  • остатки ископаемого топлива;
  • сжигание мусора на “открытом воздухе”.

Области применения технического углерода:

  • Автомобильная шина весом 7 кг содержит 3 кг технического углерода, что придает ей износостойкость. В автомобиле (включая шины) содержится около 18 кг технического углерода. В протекторах используется технический углерод размером частий около 30 нм (от 10 до 20 нм для скоростных автомобилей и внедорожников). Мелкий черный цвет придает резине твердость, более крупный черный цвет сохраняет гибкость резины. В настоящее время технический углерод используется в производстве экологически чистых шин, частично конкурируя с осажденным кремнеземом;
  • Жидкие чернила для печати крупным шрифтом (газеты) содержат около 10% сажи по массе. Жирные чернила для офсета содержат от 20 до 30% сажи;
  • Автомобильные краски, лаки для мебели и пианино содержат очень мелкий нанопорошок технического углерода (от 10 до 20 нм).
  • Технический углерод (массовая доля от 1 до 3%) обеспечивает защиту пластмасс и эластомеров от ультрафиолета;
  • Токопроводящая сажа (150 000 тонн в год по всему миру), получаемая, в частности, из ацетилена, используется в электрических батареях с солевым раствором (40 000 тонн в год), высоковольтных подземных кабелях (60 000 тонн в год), пластмассах и токопроводящих каучуках. В токопроводящих кабелях черные жилы встроены в покрытие алюминиевых жил и, таким образом, обеспечивают выравнивание электрического поля и предотвращение коронного разряда.

fields carbon blackРисунок 3. Области применения технического углерода.

Применение порошка технического углерода в резиновой промышленности

Как указывалось выше, технический углерод в основном используется в резиновой промышленности, где его доля составляет около 93%. Это применение можно разделить на 2 основные группы: резинотехнические изделия и шины. Долговечность и эксплуатационные характеристики резиновых изделий повышаются благодаря усиливающим свойствам нанопорошка технического углерода. Использование технического углерода в резиновой промышленности классифицируется как серия черного углерода N100-N900.

Использование нанопорошка технического углерода в других отраслях (Пластмассы, покрытия, чернила и т.д.)

Остальные 7% нанопорошка технического углерода используются в различных отраслях, включая производство покрытий, чернил и пластмасс. Большее количество применений приходится на тонеры, аккумуляторы, герметики и т.д. В этих продуктах используются свойства черноты, защиты от ультрафиолетового излучения и электропроводности нанопорошка технического углерода.

Нижеперечисленные отрасли выигрывают от упрочняющих, окрашивающих и УФ-защитных свойств нанопорошка технического углерода:

  • Аэрокосмическая промышленность;
  • Покрытия для лодок;
  • Бытовая техника;
  • Корпуса для компьютеров;
  • Мебель;
  • Электроника;
  • Покрытия для труб;
  • Резина для неавтомобильных применений;
  • Упаковочная пленка.

Выводы

Подводя итог, можно сказать, что технический углерод - это универсальный наноматериал с высокой электропроводностью, площадью поверхности и прочностью. Его история восходит к древнему Китаю, но прорыв в этой области произошел в 1912 году, когда он стал использоваться для упрочнения резиновых шин. Полученный путем контролируемого пиролиза, он находит применение в различных продуктах, улучшая такие свойства, как электропроводность и устойчивость к ультрафиолетовому излучению.

Используемый в основном в шинах и резинотехнических изделиях, он повышает долговечность и эксплуатационные характеристики. Кроме того, он является ключевым компонентом красок, покрытий, пластмасс и электроники. Его разнообразные формы подходят для конкретных применений, а его воздействие на окружающую среду контролируется.

Роль технического углерода в современной нанотехнологии неоспорима, он стимулирует инновации во всех отраслях и позволяет получать передовые материалы с исключительными свойствами.

Ссылки:

  1. González-González, R. B., González, L. T., Iglesias-González, S., González-González, E., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M., Alvarez, M. M., & Mendoza, A, Characterization of Chemically Activated Pyrolytic Carbon Black Derived from Waste Tires as a Candidate for Nanomaterial Precursor, Nanomaterials, 2020, Vol. 10, Page 2213, 10(11), 2213,
  2. Methodology followed for the recovery of pyrolytic carbon black from... | Download Scientific Diagram. (n.d.). Retrieved March 5, 2024,
  3. Three Main Properties of Carbon Black. (n.d.). Retrieved March 5, 2024,
  4. Applications (rCB) - Black Bear. (n.d.-b). Retrieved March 5, 2024