Kolsvart

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 11 maj 2015; kontroller kräver 9 redigeringar .

Kimrök ( technical carbon , TU, engelska Carbon black ) är en högdispergerad amorf kolprodukt framställd i industriell skala.

Termen " sot " används ibland för att namnge kimrök , vilket är felaktigt eftersom det (till skillnad från termen "kimrök") beskriver kolprodukter som erhålls under okontrollerade förhållanden som inte har en fast uppsättning egenskaper.

Struktur

Kolsvarta partiklar är kulor som består av nedbrutna grafitstrukturer. Det interplanära avståndet mellan grafitliknande skikt är 0,35–0,365 nm (för jämförelse, i grafit 0,335 nm).

Partikelstorleken (13-120 nm) bestämmer "finheten " hos kimrök. Den fysiska och kemiska indikatorn som kännetecknar dispersionen är den specifika ytan . Partiklarnas yta har en strävhet, på grund av att skikten kryper ovanpå varandra. Måttet på grovhet är förhållandet mellan den specifika ytarean av kimrök och dess jodtal (eftersom jodtalet bestämmer den totala ytan av partiklar, med hänsyn till grovhet).

Partiklar i processen att erhålla kombineras i den så kallade. "aggregat" som kännetecknas av " strukturalitet " - förgrening - ett mått på vilket är oljeabsorptionsindex .

Aggregat håller ihop till mindre hållbara formationer - "flingor".

Förutom kolatomer innehåller kolsvart svavel- , syre- och kväveatomer .

Kolsvart har en högt utvecklad yta (5-150 m2/g), med betydande aktivitet . På ytan finns sk. ändgrupper (-COOH, -CHO, -OH, -C(O)-O-, -C(O)-), såväl som sorberade rester av icke sönderdelade kolväten. Deras antal beror direkt på metoden för att erhålla och efterföljande bearbetning av kolpartiklar. För att erhålla pigment utsätts kimrökspartiklar ofta för oxidativ behandling med syror.

Den verkliga densiteten för kimrökspartiklar är 1,76-1,9 g/cm³. Bulkdensiteten för flockigt ("dammigt") kimrök är 330-420 kg/m³. För att underlätta transport och användning granuleras kimrök till en densitet på 300-600 kg/m³.

Applikation

Kimrök används som en förstärkande komponent vid tillverkning av gummi och plast . Cirka 70% av all producerad kimrök används vid tillverkning av däck , ~20% vid tillverkning av gummiprodukter . Resten finner användning som ett svart pigment ; retarder " åldring " av plast; en komponent som ger plast speciella egenskaper: ( ledande , antistatisk , förmåga att absorbera ultraviolett strålning, radarstrålning ).

Armeringsgummi

Den förstärkande effekten av kimrök i polymersammansättningen beror till stor del på dess ytaktivitet. Graden av förändring av egenskaperna hos gummivulkanisat som innehåller 50 viktprocent kimrök av olika kvaliteter kan bedömas baserat på följande data (SBR används som bas - styren-butadiengummi ):

Klassnamn	Koden	Betyg enligt ASTM D1765	Partikelstorlek , nm	Dragkraft , MPa	Nötningsbeständighet , arb. enheter
Supernötningsbeständig, ugnsbeständig	SAF	N110	20-25	25.2	1,35
Mellanliggande	ISAF	N220	24-33	23.1	1,25
Med hög nötningsbeständighet, ugn	HAF	N330	28-36	22.4	1.00
Snabb extruderande ugn	FEF	N550	39-55	18.2	0,64
Högmodulugn	HMF	N683	49-73	16.1	0,56
Halvförstärkande ugn	SRF	N772	70-96	14.7	0,48
Medium termisk	MT	N990	250-350	9.8	0,18
Styrenbutadiengummi	—	—	—	2.5	~0

Förutom fysikaliska egenskaper ger kolsvart en svart färg till fyllda polymerer. I detta sammanhang, för tillverkning av plaster för vilka den slutliga färgen är viktig (till exempel skoplastblandning ) , används det så kallade förstärkande fyllmedlet som förstärkande fyllmedel. " vit sot " (aerosil) - starkt dispergerad kiseloxid .

Andelen "vit sot" ökar också i produktionen av bildäck, eftersom gummivulkanisater baserade på det har betydligt lägre rullande friktionsförluster , vilket leder till bränsleekonomi . Emellertid är den förstärkande effekten av "vit sot" och vulkanisatens motståndskraft mot nötning fortfarande betydligt sämre än vid användning av kimrök.

Sätt att få

Det finns flera industriella sätt att få kimrök. Alla är baserade på termisk ( pyrolys ) eller termisk-oxidativ nedbrytning av flytande eller gasformiga kolväten . Beroende på de använda råvarorna och metoden för dess nedbrytning finns det:

ugn - en kontinuerlig process som utförs i slutna cylindriska flödesreaktorer . Flytande kolväteråvaror injiceras av mekaniska eller pneumatiska munstycken i gasflödet för fullständig förbränning av bränsle ( naturgas , dieselbränsle ), och flödeshastigheterna för alla materialflöden hålls på en given nivå. Den resulterande reaktionsblandningen för att stoppa förgasningsreaktionerna kyls genom att injicera vatten i strömmen. Kolsvarten separeras från avgasen och granuleras;
lampa - en kontinuerlig process som utförs i speciella flödesreaktorer. Flytande kolväteråvara avdunstar på grund av tillförseln av värme till skålen där den är placerad. Råvaruångorna drar med sig yttre luft in i reaktorn genom den ringformiga spalten mellan reaktorns inloppshuv och råmaterialskålen. Materialflöden är endast delvis kontrollerade. Reaktionskanalen i reaktorns slutsektion kyls med vatten genom väggen. Kolsvart separeras från avgasen och förpackas;
termisk - processen utförs i parade reaktorer av volymetrisk typ, som arbetar växelvis. En av reaktorerna förses med gas ( naturlig , acetylen ) blandad med luft, som vid förbränning värmer upp reaktorns beklädnad . Vid denna tidpunkt tillförs endast gas (utan luft) till den andra förvärmda reaktorn, under reaktionens gång kyls fodret ner, gastillförseln överförs till den förberedda reaktorn och den kylda värms upp enligt beskrivningen ovan;
kanal - en periodisk process som utförs i speciella kammare med periodisk verkan, i golvet där spår (kanal) brännare är installerade. Lågan från det brinnande råmaterialet (naturgas) vid brännarnas utlopp kolliderar med en vattenkyld metallränna, oxidationsprocessen stoppas med frigörandet av kimrök, som samlas in i kammaren. Den resulterande produkten lossas med jämna mellanrum manuellt.

Klassificering

I Ryska federationen används två klassificeringar av kimrök enligt GOST 7885 och standarden för American Society for Testing and Materials ASTM D1765.

I enlighet med klassificeringen enligt GOST har 10 grader av kimrök fastställts. Beroende på produktionsmetoden (ugn, kanal, termisk) tilldelas märkena bokstavsindex "P", "K", "T". Det numeriska indexet efter bokstaven karakteriserar den genomsnittliga partikelstorleken för kimrök i så många som tiotals nanometer . De två sista digitala indexen valdes när varumärket godkändes.
De huvudsakliga fysiska och kemiska egenskaperna hos indikatorerna för kimrökskvaliteter enligt GOST ges nedan:

Märke enligt GOST 7885	Specifik yta , 10³m²/kg	Jodantal , g/kg	Oljeabsorption , 10 −5 m³ /kg	Bulkdensitet , kg/m³
P245	119	121	103	330
P234	109	105	101	340
K354	150	—	—	—
P324	84	84	100	340
P514	—	43	101	340
P701	36	—	65	420
P702	37,5	—	70	400
P705	23	—	110	320
P803	16	—	83	320
T900	fjorton	—	—	—

ASTM D1765- klassificeringen är baserad på förmågan hos vissa kimrökskvaliteter att ändra härdningshastigheten för gummiblandningar . Beroende på vad tilldelas märkena bokstavsindexen "N" (med normal vulkaniseringshastighet) och "S" (med långsam vulkaniseringshastighet, från engelskan "slow" - slow). Det digitala indexet efter bokstaven är numret på gruppen av varumärken enligt den genomsnittliga specifika ytan . De två sista digitala indexen valdes när varumärket godkändes.
Standarden beskriver (från och med 2006 ) 43 kvaliteter av kimrök, varav "S"-indexet har 2.
De huvudsakliga fysikaliska och kemiska egenskaperna hos indikatorerna för typiska kimröksgrader enligt ASTM ges nedan:

Betyg enligt ASTM D1765	Specifik yta , 10³m²/kg	Jodantal , g/kg	Oljeabsorption , 10 −5 m³ /kg	Bulkdensitet , kg/m³
N110	127	145	113	345
N220	114	121	114	355
S315	89	—	79	425
N330	78	82	102	380
N550	40	43	121	360
N683	36	35	133	355
N772	32	trettio	65	520
N990	åtta	—	43	640

Mänsklig påverkan

International Agency for Research on Cancer bedömer för närvarande att kimrök är ett möjligt cancerframkallande ämne hos människor och klassas därför som cancerframkallande i grupp 2B. Kortvarig exponering för höga koncentrationer av kimröksdamm kan orsaka obehag i de övre luftvägarna på grund av mekanisk irritation.

Ledande tillverkare

Andelen av de ledande kimröksproducenterna i världsproduktionen är: " Birla " - 14,8%; " Cabot Corporation " - 14,2%; Orion Engineered Carbons ( tidigare Degussa ) - 9,5%;

Stora inhemska tillverkare: " Kolsvart växt (Omsk) " - 40%; " Yaroslavsky kolsvart " - 32%; Nizhnekamsktehuglerod - 17%.

Global produktion av kimrök 2009 var cirka 10 000 000 ton.

Se även

Anteckningar

Litteratur

V. I. Ivanovsky. Tekniskt kol. Processer och apparater: Lärobok. - Omsk: OAO "Tekhuglerod", 2004.
V. I. Beryozkin. Kol: slutna nanopartiklar, makrostrukturer, material. - St Petersburg: ARTEGO, 2013. - 450 sid. — ISBN 978-5-91014-051-0

Allotropi av kol
sp 3	Diamant Lonsdaleite
sp 2	Grafit Grafen fulleren Nanokoner Nanorör Astralens
sp	Karbin
blandad sp 3 /sp 2	glasartat kol nanoskum
Övrig	C1 _ C2 _ C3 _ Nanofibrer Fullerite
hypotetisk	metalliskt kol Chaoite
relaterad	Sot kolsvart Kol ( fossil Vedartad aktiverad )