Что такое углеродная сажа?
Углеродная сажа представляет собой пигмент, образующийся в результате реакции углеводородного топлива, такого как нефть или газ, с ограниченным количеством воздуха для горения при температуре от 1320 до 1540 °C. Это очень пушистый мелкий порошок с большой площадью поверхности, состоящий в основном из углерода. Хотя углеродная сажа содержит 95% элемента углерода, она также содержит небольшое количество кислорода, водорода и азота.
«Вид сажи под микроскопом».
Методы производства технического углерода
В зависимости от методов производства появляются разновидности технического углерода различных стандартов. Углеродная сажа может иметь разные размеры «углеродных частиц», размеры «заполнителя» и размеры «агломерата» в зависимости от метода производства. Эти 3 измерения определяют основные свойства технического углерода. Размеры углеродных частиц могут варьироваться от 10 нм до 500 нм.
«Углеродная частица, агрегатная структура, состоящая из частиц, агломератная структура и диапазоны размеров, образованные путем соединения агрегатов друг с другом».
Важные свойства технического углерода, такие как окрашивающая способность, цветовой тон, стойкость к ультрафиолетовому излучению, дисперсионная способность и т. д., зависят от трех параметров, указанных выше. В основном технический углерод получают путем разложения углеводородов на углеродную и водородную составляющие методами термического разложения или термического окислительного разложения. Наиболее распространенным методом производства является «печной черный реактор», который относится к группе разделения с помощью основного окисления.
«Схема обработки технического углерода в печном реакторе».
Номенклатура технического углерода и коды ASTM
Углеродные сажи названы по системе, в которой они были впервые получены, и, как следствие, по свойствам, которыми они обладают.
- SAF Carbon Black: “Super Abrasion Furnace Black” – Супер абразивная печь черного цвета
- HAF Carbon Black: “High-Abrasion Furnace Black“ – Высокоабразивная печь черного цвета
- SRF Carbon Black: “Semi-Reinforcing Furnace Black” – Полуармирующая печь черного цвета
Код, используемый для определения типа технического углерода, был изменен Американским обществом по испытаниям и материалам (ASTM) для предоставления более подробной информации. Код ASTM начинается с кода N или S.
«N: нормальное отверждение» обозначается как «S: медленное отверждение», оно дается для пригодности технического углерода в процессах «отверждения» (восстановления) каучуков. Например,
- Технический углерод N330: согласно ранее упомянутой кодировке относится к группе технического углерода HAF.
- Технический углерод N770: входит в группу технического углерода SRF.
Сажи N330 и N770 являются наиболее распространенными сажами, используемыми в пластмассовой промышленности.
Углеродные сажи, используемые в резиновых изделиях, обычно классифицируются как сажи серий N100–N900, где увеличение числа N указывает на уменьшение площади поверхности и увеличение размера зерна. По мере увеличения размера зерна время перемешивания сажи, вязкость, сопротивление истиранию и твердость уменьшаются.
| ASTM | имя | Площадь поверхности (м2/г) | Размер зерна (нм) |
|---|---|---|---|
| N220 | ISAF – Intermediate Super Abrasion Furnace | 110-140 | 20-25 |
| N330 | HAF – High Abrasion Furnace | 70-90 | 26-30 |
| N550 | FEF – Fast Extrusion Furnace | 36-52 | 40-48 |
| N660 | GPF – General Purpose Furnace | 31-39 | 50-54 |
Первое число в коде ASTM, такое как 3 и 7, дает номер группы сажи и дает пользователю представление о среднем размере частиц сажи.
| Номер группы | Средний размер частиц (мм) | Средняя площадь поверхности (м2/г) |
|---|---|---|
| 0 | 0 – 10 | > 150 |
| 1 | 10 – 19 | 121 – 150 |
| 2 | 20 – 25 | 100 – 120 |
| 3 | 26 – 30 | 70 – 99 |
| 4 | 31 – 39 | 50 – 69 |
| 5 | 40 – 48 | 40 – 49 |
| 6 | 49 – 60 | 33 – 39 |
| 7 | 61 – 100 | 21 – 32 |
| 8 | 101 – 200 | 11 – 20 |
| 9 | 201 – 500 | 0 – 10 |
Свойства технического углерода
Размер частиц углерода оказывает значительное влияние на характеристические свойства технического углерода. Поэтому самым важным параметром, когда речь идет о техническом углероде, можно назвать размер частиц углерода.
Еще одним важным параметром является размер агрегата, образованного сближающимися частицами. Свойства технического углерода подразделяются на физико-химические и свойства соединения.
Физико-химические свойства
- Размер частиц: это относится к размеру одной частицы сажи, чем меньше размер частицы, тем больше удельная поверхность.
- Структура: Это показывает состояние частиц, прилипших к другим частицам аналогичного размера, а также показывает поглощение масла. Чем больше маслопоглощение, тем сложнее конфигурация.
- Характеристика поверхности: различные функциональные группы объединены на поверхности технического углерода, мы можем изменить свойства соединения, изменив свойства поверхности.
- Общее распределение: это связано с размером агрегатов. Если распределение резкое, это указывает на наличие множества кластеров одинакового размера.
Свойства соединения
- Усиление: технический углерод добавляется в резину, используемую в протекторах шин, шлангах высокого давления и имеет другие требовательные применения, а также добавляется в пластмассы в качестве армирующего материала. Это свойство можно разделить на физическую адсорбцию сажи и материала (в зависимости от размера частиц и структуры сажи) и химическую реакцию поверхности частиц и материала сажи (в зависимости от свойств поверхности сажи).
- Электропроводность: в натуральный каучук или другие материалы добавляют токопроводящую сажу для уменьшения электрического сопротивления. Например: проводимость натурального каучука составляет 1015 Ом·см, а проводимость токопроводящего каучука (натуральный каучук + токопроводящая сажа) находится в пределах 1–1015 Ом·см. Считается, что это свойство является результатом структуры частиц сажи, контактирующих друг с другом и образующих проводящие каналы, или «туннельного эффекта» электронов, отражающихся между диспергированными частицами сажи.
- Пигментация: Технический углерод обладает сильными красящими свойствами, термостойкий и подходит для окрашивания пластика и пленки. Считается, что это свойство связано с размером частиц и взаимодействием структуры со светом.
- Свойства защиты от ультрафиолетового излучения: сажа превосходно поглощает ультрафиолетовый свет. Добавление технического углерода к другим материалам предотвращает разрушение под действием ультрафиолета. Это связано с тем, что в пластмассах, содержащих сажу, которая очищает их кристаллы, предотвращается растрескивание под напряжением.
Цели использования технического углерода
Технический углерод в основном используется в колесной и резиновой промышленности. Углеродная сажа, которая используется в качестве наполнителя, используется с целью упрочнения материала колеса, сопротивления истиранию и сохранения тепла, вызванного трением о дорогу. Таким образом, обеспечивается более длительный срок службы колеса. Углеродная сажа также является хорошим проводником. Он предпочтителен в продуктах, где статическое электричество нежелательно, например, в крышках автомобильных бензобаков или топливных трубах. Углеродная сажа также в основном используется в производстве пластмасс. Его можно предпочесть для черной росписи пластиковых изделий. В зависимости от вида может придавать изделию черный цвет разных тонов. Технический углерод добавляется в пластиковые изделия в качестве наполнителя (наполнителя), укрепляющего их в плане прочности, как и в конструкции колеса. Другая цель использования заключается в том, что технический углерод является хорошим «УФ-поглотителем». Как известно, когда пластмассовые изделия подвергаются воздействию солнечных лучей, происходит как обесцвечивание, так и порча изделия из-за повреждения связей в пластиковой структуре. В этом отношении частицы сажи, которые возможны в продукте, не могут повредить пластиковую структуру лучей, удерживая УФ-лучи от солнца. Здесь следует отметить, что различные типы технического углерода обладают различными свойствами защиты от ультрафиолетового излучения. Одним из наиболее важных параметров в этом отношении является размер частиц углерода. Чем меньше средний размер частиц углерода, тем выше способность технического углерода защищать от УФ-излучения.
Как видно на картинке выше, небольшая сажа N110 обеспечивает лучшую защиту от ультрафиолета, чем сажа N990. Другим важным параметром, влияющим на защиту от УФ-излучения, которую обеспечивает сажа в продукте, является дисперсия сажи в продукте. Чем более однородно распределен углерод в черном изделии, тем успешнее оно будет улавливать солнечные лучи, а значит, тем выше будет защита от УФ-излучения.
«Распределение технического углерода в продукте»
Karbon Siyahının Homojen Dağılımı
Согласно исследованию, трубы с неоднородным распределением сажи показали на 80% меньшее удлинение, чем трубы с однородным распределением сажи. Полимерные домены, содержащие меньше сажи или не содержащие ее, отделялись от полимерной матрицы по мере удлинения материала, что в конечном итоге приводило к разрыву намного раньше, чем ожидалось. В данной работе исследовано влияние дисперсии технического углерода на ухудшение механических свойств полиэтилена высокой плотности в виде пластиковых труб, используемых в водопроводных сетях. Образцы полиэтиленовых труб с одинаковой плотностью сажи, но с разным распределением сажи растягивали до разрушения при разных скоростях деформации. Распределение сажи в объемных образцах и поверхности излома исследовали с помощью стереоскопической и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Было обнаружено, что распределение сажи, поверхности излома и режимы разрушения в этих трубах значительно различаются. Трубы с определенной степенью неоднородности в распределении сажи показали вязкие и хрупкие изломы в одной и той же плоскости излома, в то время как однородная сажа и натуральный полиэтилен (без сажи) показали только вязкие изломы.
- Хрупкий излом: это тип разрушения, который происходит с незначительной пластической деформацией или без нее на поверхности материала.
- Вязкий излом: это тип разрушения, при котором пластическая деформация происходит в значительной степени на поверхности материала и, соответственно, происходит наблюдаемое притупление вершины трещины.
Тест на гомогенное распределение сажи
Существуют международно признанные тесты того, насколько однородно должна быть диспергирована сажа в продукте.
- ASTM D2663: Стандартные методы испытаний сажи – дисперсия в каучуке
- ISO 18553: Метод оценки степени дисперсии пигмента или сажи в полиолефиновых трубах, фитингах и компаундах.
Стандарт испытаний ISO 18553 объясняет, как сделать коэффициент дисперсии для пластиковых изделий, содержащих 3% сажи или менее.
Сегодня этот тест можно проводить автоматически с помощью микроскопа и компьютерного программного обеспечения. В результате испытания определяют степень дисперсности от 1 до 7. 1 — лучший результат дисперсии, 7 — худший результат дисперсии.
В трубной промышленности требуется степень дисперсности ≤ 3. Подробности испытаний следует просмотреть в стандарте испытаний ISO 18553.
Процедура испытания распределения сажи в соответствии со стандартом ISO18553
Подготовка образцов
- Метод сжатия
С помощью скальпеля из разных частей продукта берут шесть образцов, каждая из которых варьируется в пределах 0,20 ± 0,10 мг анализируемого продукта.
Образец помещают между двумя покровными стеклами, чтобы обеспечить его чистоту. Образец следует нагреть, чтобы продукт можно было лучше рассмотреть под микроскопом.
Если используется печь, две пластины соединяют друг с другом с помощью пружинных зажимов, и образец оставляют в печи при температуре от 150 °С до 210 °С не менее чем на 10 минут до достижения толщины 20 мкм ± 10 мкм.
После этого процесса его следует оставить остывать для микроскопического исследования.
- Метод микротома
Из разных частей изделия вырезают 6 образцов толщиной 20 мкм ± 10 мкм и не менее 4 мм в любом направлении.
6 образцов помещают между одним или несколькими покровными стеклами, которые обязательно очищаются.
Обследование
Частицы и агломераты от каждого из 6 образцов следует исследовать на свету под микроскопом с минимальным увеличением х70 и рекомендуемым х100.
Измеряют и регистрируют наибольший размер каждой частицы и агломерата, игнорируя частицы размером менее 5 мкм.
После этого производится оценка в соответствии с приведенной ниже таблицей.
Среднее арифметическое полученных 6 степеней
(2 + 2,5 + 3 + 2,5 + 3 + 3,5)/6 = 2,75
Среднее арифметическое полученных 6 степеней
(3 + 3 + 2,5 + 2,5 + 3 + 3)/6 = 2,833 ≅ 3
