Состоящий из первичного углерода , технический углерод имеет сферическую форму и организован в агрегаты и агломераты. Он отличается от других форм углерода ( алмаз , графит , кокс ) своей сложной конфигурацией, коллоидными размерами и квазиграфитовой структурой. Чистота и состав технического углерода практически не содержат неорганических загрязняющих веществ и извлекаемых органических веществ. [1] [2] [3]
Между этими двумя терминами проводится различие:
Технический углерод можно охарактеризовать как вещество с содержанием аморфного углерода более 97%. Он широко используется во многих областях промышленной химии. Он часто используется в производстве пластмасс и резины, где он улучшает электропроводность и электромагнитные или теплопроводящие характеристики пластмасс и резины. Благодаря своим пигментным свойствам он также используется для производства специальных типографских красок, красок и лаков. Благодаря своей развитой пористой структуре он также используется в качестве носителя катализатора, а его заметные сорбционные свойства используются, например, для улавливания газообразных загрязняющих веществ на мусоросжигательных заводах. [3] [2] [1] [5]
Технический углерод преимущественно включает в себя проводящий тип углерода, который сочетает в себе чрезвычайно высокую удельную поверхность и широко развитую структуру – микропористость . В то же время он состоит из первичных частиц углерода и отличается высокой степенью агрегации. Группировка технического углерода способствует образованию проводящей структуры в пластиках, резинах и других композитах. Эти характеристики предопределяют основную область применения электропроводящего технического углерода, а именно модификацию электропроводности практически всех типов пластиковых материалов путем добавления относительно небольшого объема технического углерода. Такие модификации могут использоваться для многочисленных целей, от создания антистатических свойств до регулирования проводимости полимеров. Еще одним ценным свойством электропроводящего технического углерода является его превосходная способность поглощать УФ-излучение в видимой области спектра, т. е. в качестве УФ-стабилизатора для пластиковых материалов, пигмента в чернилах для принтеров, красках и лаках или для окрашивания пластиков, резин и герметиков. [3] [2] [1] [5]
Технический углерод образуется как побочный продукт так называемого частичного окисления — процесса, в ходе которого остатки сырой нефти, такие как вакуумные остатки от перегонки сырой нефти или остатки от процесса термического крекинга, расщепляются под воздействием смеси кислорода и водяного пара при высоких температурах около 1300 °C. [3] [5] [4] [6]
Частичное окисление различных видов сырья всегда создает газообразную смесь, содержащую CO, CO2 , H2O , H2 , CH4 и H2S , а также COS , образованный из сернистых соединений. Технический углерод образуется как нежелательный побочный продукт. Количество технического углерода растет по мере увеличения молекулярной массы впрыска. Газификация метана дает около 0,02% массы, газификация остатков сырой нефти около 1-3% массы. [3] [4] [5] [6]
В ходе соответствующего процесса технический углерод улавливается в воде методом промывки, создавая тем самым технический водный раствор. Полученный технический водный раствор с концентрацией технического углерода 7–15 г/л далее перерабатывается на производственном объекте в несколько видов углеродистых субстратов. Основной принцип производства заключается в выделении углерода из воды с помощью гранулированного бензина, где интенсивная гомогенизация приводит к переходу углерода из водной в органическую фазу, т.е. превращению водно-углеродной суспензии в бензино-углеродную суспензию в виде углеродистых гранул. Углеродистые гранулы впоследствии перерабатываются в готовый продукт – углеродистый субстрат. Пропорциональность двух сред в первую очередь зависит от содержания углерода и физико-химических свойств технический водный раствор и гранулированного бензина. [5] [4]
Технический углерод в основном формируется из первичного углерода, но его структура гораздо менее организована, чем, например, у графита. Технический углерод существует в форме дискретных частиц, однако в процессе производства его сферические частицы, также называемые первичными частицами, объединяются (агрегируются) в цепочки или кластеры. Эти агрегаты затем образуют мельчайшие единицы технического углерода. Они определяют то, что известно как первичная структура. Первичная структура характеризуется следующим: размером первичных частиц, размером поверхности, размером и структурой агрегатов или химическим «составом» поверхности технического углерода. Эти характеристики определяют другие характеристики технического углерода, такие как адсорбционные свойства, плотность, электропроводность и поглощение УФ-излучения или видимого света. [3] [2] [1] [5] [7]
Наиболее важной характеристикой технического углерода является размер его первичных частиц и соответствующая им площадь поверхности. Размер первичных частиц описывает размер отдельных сферических частиц, которые образуют первичную структуру. Размер отдельных частиц определяется с помощью электронного микроскопа . Установлено, что чем меньше частицы, тем больше размер их поверхности. Размер частиц технического углерода составляет от 10 до 100 нм, в то время как размер поверхностных частиц составляет от 20 до 1500 м 2 /г. В целом, мелкие частицы технического углерода с большой площадью поверхности темнее, имеют более высокую вязкость и более низкую смачиваемость, их труднее диспергировать, они сохраняют большую проводимость и хорошо поглощают УФ-излучение. [1] [2] [3] [7] [8]
Другой важной характеристикой технического углерода является его структура и размер его агрегатов. Размер и сложность структуры агрегата определяются объемом сферических первичных частиц технического углерода, которые группируются вместе в процессе производства. Высокосложная структура технического углерода состоит из разветвленных цепей со множеством вторично созданных пространств в агрегате. С другой стороны, структура агрегата, которая развита лишь немного, представляет собой более мелкие кластеры сферических частиц и, следовательно, также меньшие пространства внутри агрегата. Структура агрегата не зависит от размера частиц. Установлено, что частицы одинакового размера могут иметь агрегаты с совершенно разными структурами. Вообще говоря, технический углерод, который имеет высокоразвитую и сложную структуру, легче диспергируется, имеет более низкую смачиваемость, более высокую электропроводность и более высокую вязкость. [3] [2] [1] [5]
Еще одной примечательной характеристикой является химический состав поверхности технического углерода. На поверхностях технического углерода появляются хемосорбированные комплексы, содержащие кислород, такие как карбоксильные , хинонные или фенольные группы. Эти группы, содержащие кислород, могут существенно влиять на химическую реактивность, смачиваемость, каталитические характеристики технического углерода, электропроводность и т. д. [3] [2] [1]
Рисунок: Схема создания структуры и текстуры технического углерода
Композитные приложения [9] [4] [7] [10] [11]
Некоторые из основных мировых производителей электропроводящей сажи включают UNIPETROL (Chezacarb [12] ), [13] CABOT Corporation (Vulcan), [14] DEGUSSA (Printex), AKZO-Nobel (Ketjenblack [15] ), TIMCAL (Ensaco [16] ), BIRLA CARBON (Conductex), [17] [18] и ORION ENGINEERED CARBONS (XPB). [19] [11]