เทคนิคคาร์บอน การผลิต

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-17 19:10

คาร์บอนแบล็ก (GOST 7885-86) เป็นผลิตภัณฑ์คาร์บอนทางอุตสาหกรรมประเภทหนึ่งที่ใช้เป็นหลักในการผลิตยางเป็นสารตัวเติมที่ช่วยเพิ่มคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพที่เป็นประโยชน์ ต่างจากโค้กและพิตช์ตรงที่มันประกอบด้วยคาร์บอนเกือบ 1 อัน แต่ดูเหมือนเขม่า

ขอบเขตการสมัคร

คาร์บอนแบล็กที่ผลิตได้ประมาณ 70% ใช้สำหรับการผลิตยางล้อ 20% - สำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ยาง นอกจากนี้ คาร์บอนทางเทคนิคยังใช้ในการผลิตสีและสารเคลือบเงา และในการผลิตหมึกพิมพ์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นเม็ดสีดำ

อีกด้านของการใช้งานคือการผลิตพลาสติกและปลอกสายเคเบิล ที่นี่ผลิตภัณฑ์ถูกเพิ่มเป็นสารตัวเติมและเพื่อให้ผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติพิเศษ คาร์บอนแบล็กยังใช้ในปริมาณน้อยในอุตสาหกรรมอื่นๆ

ลักษณะเฉพาะ

คาร์บอนแบล็คเป็นผลิตภัณฑ์ของกระบวนการที่รวมเอาเทคนิคทางวิศวกรรมและการควบคุมล่าสุด เนื่องจากความบริสุทธิ์และกำหนดไว้อย่างเข้มงวดคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี ไม่เกี่ยวอะไรกับเขม่าที่เป็นผลพลอยได้จากการเผาถ่านหินและน้ำมันเชื้อเพลิง หรือจากการทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ไม่ได้รับการควบคุม ตามการจำแนกประเภทสากลที่ยอมรับโดยทั่วไป คาร์บอนแบล็คถูกกำหนดให้เป็นคาร์บอนแบล็ค (คาร์บอนแบล็คแปลจากภาษาอังกฤษ) เขม่าในภาษาอังกฤษคือเขม่า นั่นคือ แนวคิดเหล่านี้ไม่ได้ปะปนกันแต่อย่างใด

ผลกระทบของการเสริมแรงเนื่องจากการเติมยางคาร์บอนแบล็คไม่ได้มีความสำคัญต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมยางน้อยไปกว่าการค้นพบปรากฏการณ์การวัลคาไนซ์ของยางด้วยกำมะถัน ในสารประกอบยาง คาร์บอนจากส่วนผสมจำนวนมากที่ใช้โดยน้ำหนักจะอยู่อันดับที่สองรองจากยาง อิทธิพลของตัวบ่งชี้คุณภาพของคาร์บอนแบล็คที่มีต่อคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ยางนั้นมากกว่าตัวบ่งชี้คุณภาพของส่วนผสมหลัก - ยาง

เสริมคุณสมบัติ

การปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุโดยการแนะนำสารตัวเติมเรียกว่าการเสริมแรง (การเสริมแรง) และสารตัวเติมดังกล่าวเรียกว่าแอมพลิฟายเออร์ (คาร์บอนแบล็ก, ซิลิกอนออกไซด์ตกตะกอน) ในบรรดาแอมพลิฟายเออร์ทั้งหมด คาร์บอนทางเทคนิคมีลักษณะเฉพาะอย่างแท้จริง ก่อนที่วัลคาไนเซชันจะเกาะกับยาง และส่วนผสมนี้ไม่สามารถแยกออกเป็นคาร์บอนแบล็กและยางด้วยตัวทำละลายได้อย่างสมบูรณ์

ความแข็งแรงของยางที่ยึดตามอิลาสโตเมอร์ที่สำคัญที่สุด:

อีลาสโตเมอร์	ความต้านแรงดึง MPa
	วัลคาไนซ์ที่ยังไม่เติม	วัลคาไนซ์เติมคาร์บอนแบล็ค
ยางสไตรีนบิวทาไดอีน	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
ยางโพลีอะคริเลต	2, 1	17, 6
ยางโพลีบูทาไดอีน	5, 6	21, 1

ตารางแสดงคุณสมบัติของวัลคาไนซ์ที่ได้จากยางประเภทต่างๆ โดยไม่ต้องเติมและเติมคาร์บอนแบล็ค จากข้อมูลข้างต้น จะเห็นได้ว่าการเติมคาร์บอนส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความต้านทานแรงดึงของยางอย่างไร อีกอย่าง ผงกระจายตัวอื่นๆ ที่ใช้ในสารประกอบยางเพื่อให้ได้สีที่ต้องการหรือลดต้นทุนของส่วนผสม - ชอล์ก ดินขาว แป้งโรยตัว เหล็กออกไซด์ และอื่นๆ ไม่มีคุณสมบัติเสริมแรง

โครงสร้าง

คาร์บอนธรรมชาติบริสุทธิ์คือเพชรและกราไฟต์ พวกเขามีโครงสร้างผลึกที่แตกต่างจากกันอย่างมาก ความคล้ายคลึงกันในโครงสร้างของกราไฟท์ธรรมชาติและวัสดุเทียมคาร์บอนแบล็คเกิดจากการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ อะตอมของคาร์บอนในกราไฟต์ก่อตัวเป็นชั้นขนาดใหญ่ของระบบวงแหวนอะโรมาติกแบบควบแน่น โดยมีระยะห่างระหว่างอะตอมที่ 0.142 นาโนเมตร ชั้นกราไฟท์เหล่านี้ระบบอะโรมาติกที่ควบแน่นเรียกว่าระนาบฐาน ระยะห่างระหว่างระนาบถูกกำหนดอย่างเข้มงวดและเท่ากับ 0.335 นาโนเมตร ทุกชั้นขนานกัน ความหนาแน่นของกราไฟท์คือ 2.26g/cm3.

ซึ่งแตกต่างจากกราไฟต์ซึ่งมีลำดับสามมิติ คาร์บอนทางเทคนิคมีลักษณะเฉพาะด้วยการเรียงลำดับสองมิติเท่านั้น ประกอบด้วยระนาบกราไฟท์ที่ได้รับการพัฒนามาอย่างดี โดยวางตำแหน่งขนานกันโดยประมาณ แต่ชดเชยกับชั้นที่อยู่ติดกัน นั่นคือ ระนาบถูกปรับทิศทางโดยพลการเมื่อเทียบกับระดับปกติ

โครงสร้างกราไฟท์เปรียบได้กับสำรับไพ่ที่พับไว้อย่างเรียบร้อย และโครงสร้างคาร์บอนแบล็กนั้นถูกเปรียบเทียบกับสำรับไพ่ที่มีการเลื่อนไพ่ ในนั้นระยะห่างระหว่างระนาบนั้นมากกว่ากราไฟต์และอยู่ที่ 0.350-0.365 นาโนเมตร ดังนั้นความหนาแน่นของคาร์บอนแบล็คจึงต่ำกว่าความหนาแน่นของกราไฟท์และอยู่ในช่วง 1.76-1.9 g/cm³ ขึ้นอยู่กับยี่ห้อ (ส่วนใหญ่มักจะ 1.8 g/cm ^3).

ระบายสี

คาร์บอนแบล็คที่เป็นเม็ดสี (การทำสี) ใช้ในการผลิตหมึกพิมพ์ สารเคลือบ พลาสติก เส้นใย กระดาษ และวัสดุก่อสร้าง แบ่งออกเป็น:

• สีคาร์บอนแบล็คสูง (HC);
• กลาง (MS);
• สีธรรมดา (RC);
• สีต่ำ (LC).

ตัวอักษรตัวที่สามระบุวิธีการรับ - เตาหลอม (F) หรือช่อง (C) ตัวอย่างการกำหนด: HCF - High Color Furnace Black (เตาสี Hiqh)

พลังสีของผลิตภัณฑ์สัมพันธ์กับขนาดอนุภาค คาร์บอนทางเทคนิคแบ่งออกเป็นกลุ่มตามขนาด:

ขนาดอนุภาคเฉลี่ย นาโนเมตร	เตาดำเกรด
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

การจำแนก

เทคนิคคาร์บอนสำหรับยางตามระดับการเสริมแรงแบ่งออกเป็น:

• เสริมแรงสูง (ดอกยาง, แข็ง). มันถูกจัดสรรด้วยความทนทานและความยืดหยุ่นที่เพิ่มขึ้นต่อการขัดสี ขนาดอนุภาคมีขนาดเล็ก (18-30 นาโนเมตร) ใช้ในสายพานลำเลียง ดอกยาง
• กึ่งเสริมแรง (โครงอ่อน). ขนาดอนุภาคมีค่าเฉลี่ย (40-60 นาโนเมตร) ใช้ในผลิตภัณฑ์ยางต่างๆ ซากยาง
• กำไรต่ำ. ขนาดอนุภาคมีขนาดใหญ่ (มากกว่า 60 นาโนเมตร) การใช้งานอย่างจำกัดในอุตสาหกรรมยางรถยนต์ ให้ความแข็งแรงที่จำเป็นในขณะที่ยังคงความยืดหยุ่นสูงในผลิตภัณฑ์ยาง

การจำแนกประเภทคาร์บอนแบล็คแบบสมบูรณ์มีอยู่ใน ASTM D1765-03 ซึ่งเป็นที่ยอมรับจากผู้ผลิตและผู้ใช้ผลิตภัณฑ์ทั่วโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งการจำแนกประเภทจะดำเนินการตามช่วงของพื้นที่ผิวจำเพาะของอนุภาค:

กลุ่ม	พื้นที่เฉพาะโดยเฉลี่ยพื้นผิวโดยการดูดซับไนโตรเจน 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

การผลิตคาร์บอนแบล็ค

มีเทคโนโลยีสามอย่างสำหรับการผลิตคาร์บอนแบล็กเชิงอุตสาหกรรมที่ใช้วงจรการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ของไฮโดรคาร์บอน:

• เตา;
• channel;
• tube;
• พลาสม่า

นอกจากนี้ยังมีวิธีระบายความร้อนที่สลายอะเซทิลีนหรือก๊าซธรรมชาติที่อุณหภูมิสูงด้วย

หลายเกรดผลิตโดยเทคโนโลยีที่แตกต่างกันมีลักษณะที่แตกต่างกัน

เทคโนโลยีการผลิต

ในทางทฤษฎี เป็นไปได้ที่จะได้คาร์บอนแบล็คด้วยวิธีการทั้งหมดข้างต้น อย่างไรก็ตาม มากกว่า 96% ของผลิตภัณฑ์ที่ผลิตได้มาจากวิธีเตาหลอมจากวัตถุดิบที่เป็นของเหลว วิธีนี้ทำให้ได้คาร์บอนแบล็คเกรดต่างๆ ที่มีคุณสมบัติตามที่กำหนดตัวอย่างเช่น โรงงาน Omsk Carbon Black ผลิตคาร์บอนแบล็คมากกว่า 20 เกรดโดยใช้เทคโนโลยีนี้

เทคโนโลยีทั่วไปคือนี่ เครื่องปฏิกรณ์ที่ปูด้วยวัสดุที่ทนไฟสูงถูกป้อนด้วยก๊าซธรรมชาติและอากาศที่ร้อนถึง 800 องศาเซลเซียส เนื่องจากการเผาไหม้ของก๊าซธรรมชาติ ผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้สมบูรณ์จึงเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 1820-1900 ° C ซึ่งมีออกซิเจนอิสระอยู่จำนวนหนึ่ง วัตถุดิบไฮโดรคาร์บอนเหลวถูกฉีดเข้าไปในผลิตภัณฑ์ที่มีอุณหภูมิสูงของการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ ผสมให้ละเอียดล่วงหน้าและให้ความร้อนถึง 200-300 °C ไพโรไลซิสของวัตถุดิบเกิดขึ้นที่อุณหภูมิควบคุมอย่างเข้มงวด ซึ่งขึ้นอยู่กับยี่ห้อของคาร์บอนแบล็คที่ผลิต มีค่าแตกต่างจาก 1400 ถึง 1750 ° C

ที่ระยะห่างจากแหล่งจ่ายวัตถุดิบ ปฏิกิริยาเทอร์โมออกซิเดชันจะหยุดลงโดยการฉีดน้ำ ก๊าซคาร์บอนแบล็กและปฏิกิริยาที่เกิดจากไพโรไลซิสเข้าสู่เครื่องทำความร้อนอากาศ โดยจะปล่อยความร้อนบางส่วนไปยังอากาศที่ใช้ในกระบวนการ ในขณะที่อุณหภูมิของส่วนผสมของก๊าซคาร์บอนจะลดลงจาก 950-1000 °C เป็น 500-600 °С

หลังจากทำความเย็นไปที่ 260-280 °C เนื่องจากการฉีดน้ำเพิ่มเติม ส่วนผสมของคาร์บอนแบล็คและก๊าซจะถูกส่งไปยังถุงกรอง โดยที่คาร์บอนแบล็กจะถูกแยกออกจากก๊าซและเข้าสู่ถังกรอง คาร์บอนแบล็คที่แยกจากถังกรองจะถูกป้อนผ่านท่อส่งก๊าซโดยพัดลม (ตัวเป่าลมเทอร์โบ) ไปยังส่วนแกรนูล

ผู้ผลิตคาร์บอนแบล็ค

การผลิตคาร์บอนแบล็คทั่วโลกเกิน 10 ล้านตัน ประการแรก อธิบายความต้องการอย่างมากสำหรับผลิตภัณฑ์ดังกล่าวด้วยคุณสมบัติการเสริมแรงที่เป็นเอกลักษณ์ หัวรถจักรของอุตสาหกรรมคือ:

• Aditya Birla Group (อินเดีย) - ประมาณ 15% ของตลาด
• Cabot Corporation (USA) - 14% ของตลาด
• Orion Engineered Carbons (ลักเซมเบิร์ก) - 9%.

ผู้ผลิตคาร์บอนรายใหญ่ที่สุดของรัสเซีย:

• Omsktehuglerod LLC – 40% ของตลาดรัสเซีย โรงงานใน Omsk, Volgograd, Mogilev
• JSC Yaroslavl เทคนิคคาร์บอน – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.