Karbon teknis, produksinya

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-17 18:55

Karbon hitam (GOST 7885-86) adalah jenis produk karbon industri yang digunakan terutama dalam produksi karet sebagai pengisi yang meningkatkan sifat kinerjanya yang bermanfaat. Tidak seperti kokas dan pitch, ia terdiri dari hampir satu karbon, terlihat seperti jelaga.

Cakupan aplikasi

Sekitar 70% dari karbon hitam yang dihasilkan digunakan untuk pembuatan ban, 20% - untuk produksi produk karet. Juga, karbon teknis digunakan dalam produksi cat dan pernis dan dalam produksi tinta cetak, di mana ia bertindak sebagai pigmen hitam.

Area aplikasi lainnya adalah produksi plastik dan selubung kabel. Di sini produk ditambahkan sebagai pengisi dan untuk memberi produk sifat khusus. Karbon hitam juga digunakan dalam volume kecil di industri lain.

Karakteristik

Karbon hitam adalah produk dari proses yang menggabungkan teknik rekayasa dan kontrol terbaru. Karena kemurniannya dan set yang ditentukan secara ketatsifat fisik dan kimia, itu tidak ada hubungannya dengan jelaga yang dihasilkan sebagai produk sampingan yang tercemar dari pembakaran batu bara dan bahan bakar minyak, atau dari pengoperasian mesin pembakaran internal yang tidak diatur. Menurut klasifikasi internasional yang diterima secara umum, karbon hitam disebut Carbon Black (karbon hitam diterjemahkan dari bahasa Inggris), jelaga dalam bahasa Inggris adalah jelaga. Artinya, konsep-konsep ini saat ini tidak tercampur dengan cara apa pun.

Efek perkuatan akibat pengisian karet dengan karbon hitam tidak kalah pentingnya bagi perkembangan industri karet dibandingkan dengan ditemukannya fenomena vulkanisasi karet dengan belerang. Dalam senyawa karet, karbon dari sejumlah besar bahan yang digunakan menurut beratnya menempati urutan kedua setelah karet. Pengaruh indikator kualitas karbon hitam pada sifat produk karet jauh lebih besar daripada indikator kualitas bahan utama - karet.

Memperkuat properti

Meningkatkan sifat fisik suatu bahan dengan memasukkan bahan pengisi disebut penguatan (reinforcement), dan bahan pengisi semacam itu disebut amplifier (karbon hitam, oksida silikon yang diendapkan). Di antara semua amplifier, karbon teknis memiliki karakteristik yang benar-benar unik. Bahkan sebelum vulkanisasi, ia mengikat karet, dan campuran ini tidak dapat sepenuhnya dipisahkan menjadi karbon hitam dan karet dengan pelarut.

Kekuatan karet berdasarkan elastomer yang paling penting:

Elastomer	Kekuatan tarik, MPa
	Vulkanisasi tidak terisi	Vulkanisir diisi dengan karbon hitam
Karet Styrene Butadiene	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Karet poliakrilat	2, 1	17, 6
Karet polibutadiena	5, 6	21, 1

Tabel menunjukkan sifat-sifat vulkanisat yang diperoleh dari berbagai jenis karet tanpa isi dan diisi dengan karbon hitam. Dari data di atas terlihat bagaimana carbon filling berpengaruh nyata terhadap kuat tarik karet. Omong-omong, bubuk terdispersi lain yang digunakan dalam senyawa karet untuk memberikan warna yang diinginkan atau mengurangi biaya campuran - kapur, kaolin, bedak, oksida besi dan lainnya tidak memiliki sifat penguat.

Struktur

Karbon alami murni adalah berlian dan grafit. Mereka memiliki struktur kristal yang berbeda secara signifikan satu sama lain. Kesamaan dalam struktur grafit alam dan karbon hitam bahan buatan didirikan oleh difraksi sinar-X. Atom karbon dalam grafit membentuk lapisan besar sistem cincin aromatik terkondensasi, dengan jarak antar atom 0,142 nm. Lapisan grafit inisistem aromatik kental disebut bidang basal. Jarak antara pesawat ditentukan secara ketat dan 0,335 nm. Semua lapisan sejajar satu sama lain. Massa jenis grafit adalah 2.26g/cm3.

Tidak seperti grafit, yang memiliki tatanan tiga dimensi, karbon teknis hanya dicirikan oleh tatanan dua dimensi. Ini terdiri dari bidang grafit yang berkembang dengan baik, terletak kira-kira sejajar satu sama lain, tetapi diimbangi sehubungan dengan lapisan yang berdekatan - yaitu, bidang berorientasi sewenang-wenang terhadap normal.

Struktur grafit secara kiasan dibandingkan dengan setumpuk kartu yang terlipat rapi, dan struktur karbon hitam dibandingkan dengan setumpuk kartu yang kartunya digeser. Di dalamnya, jarak interplanar lebih besar dari grafit dan 0,350-0,365 nm. Oleh karena itu, kerapatan karbon hitam lebih rendah daripada kerapatan grafit dan berada dalam kisaran 1,76-1,9 g/cm³, tergantung pada mereknya (paling sering 1,8 g/cm 3^).

Mewarnai

Tingkat pigmen (pewarnaan) karbon hitam digunakan dalam produksi tinta cetak, pelapis, plastik, serat, kertas, dan bahan bangunan. Mereka diklasifikasikan menjadi:

• karbon hitam warna tinggi (HC);
• medium (MS);
• pewarnaan normal (RC);
• warna rendah (LC).

Huruf ketiga menunjukkan metode perolehan - tungku (F) atau saluran (C). Contoh penunjukan: HCF - High Color Furnace Black (Tungku Warna Hiqh).

Kekuatan pewarnaan suatu produk terkait dengan ukuran partikelnya. Tergantung pada ukurannya, karbon teknis dibagi menjadi beberapa kelompok:

Ukuran partikel rata-rata, nm	Tungku kelas hitam
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Klasifikasi

Karbon teknis untuk karet menurut tingkat efek penguat dibagi menjadi:

• Sangat memperkuat (tapak, keras). Ini dialokasikan dengan peningkatan daya tahan dan ketahanan terhadap gesekan. Ukuran partikelnya kecil (18-30 nm). Digunakan pada ban berjalan, tapak ban.
• Semi-reinforcing (kerangka, lunak). Ukuran partikel rata-rata (40-60 nm). Mereka digunakan dalam beragam produk karet, bangkai ban.
• Keuntungan rendah. Ukuran partikelnya besar (lebih dari 60 nm). Penggunaan terbatas dalam industri ban. Memberikan kekuatan yang diperlukan sambil mempertahankan elastisitas tinggi pada produk karet.

Klasifikasi lengkap karbon hitam diberikan dalam ASTM D1765-03, diterima oleh semua produsen dan pengguna produk global. Di dalamnya, klasifikasi, khususnya, dilakukan sesuai dengan kisaran luas permukaan spesifik partikel:

Grup	Rata-rata area spesifikpermukaan dengan adsorpsi nitrogen, 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

Produksi karbon hitam

Ada tiga teknologi untuk memproduksi karbon hitam industri yang menggunakan siklus pembakaran tidak sempurna dari hidrokarbon:

• tungku;
• saluran;
• tabung;
• plasma.

Ada juga metode termal yang menguraikan asetilen atau gas alam pada suhu tinggi.

Beberapa nilai yang dihasilkan oleh teknologi yang berbeda memiliki karakteristik yang berbeda.

Teknologi produksi

Secara teoritis, karbon hitam dapat diperoleh dengan semua metode di atas, namun lebih dari 96% produk yang dihasilkan diperoleh dengan metode tungku dari bahan baku cair. Metode ini memungkinkan untuk memperoleh berbagai tingkat karbon hitam dengan serangkaian sifat tertentu. Misalnya, Pabrik Karbon Hitam Omsk menghasilkan lebih dari 20 kadar karbon hitam menggunakan teknologi ini.

Teknologi umumnya adalah ini. Reaktor, dilapisi dengan bahan yang sangat tahan api, diumpankan dengan gas alam dan udara yang dipanaskan hingga 800 °C. Karena pembakaran gas alam, produk pembakaran sempurna terbentuk pada suhu 1820-1900 ° C, yang mengandung sejumlah oksigen bebas. Bahan baku hidrokarbon cair disuntikkan ke dalam produk suhu tinggi dari pembakaran sempurna, dicampur terlebih dahulu dan dipanaskan hingga 200-300 °C. Pirolisis bahan baku berlangsung pada suhu yang dikontrol secara ketat, yang, tergantung pada merek karbon hitam yang diproduksi, memiliki nilai yang berbeda dari 1400 hingga 1750 °.

Pada jarak tertentu dari tempat pasokan bahan baku, reaksi termo-oksidatif dihentikan dengan injeksi air. Karbon hitam dan gas reaksi yang terbentuk sebagai hasil pirolisis memasuki pemanas udara, di mana mereka melepaskan sebagian panasnya ke udara yang digunakan dalam proses, sedangkan suhu campuran gas karbon menurun dari 950-1000 °С menjadi 500-600 °С.

Setelah pendinginan hingga 260-280 °C karena injeksi air tambahan, campuran karbon hitam dan gas dikirim ke bag filter, di mana karbon hitam dipisahkan dari gas dan masuk ke hopper filter. Karbon hitam yang dipisahkan dari bak filter diumpankan melalui pipa gas oleh kipas (turbo blower) ke bagian granulasi.

Produsen karbon hitam

Produksi global karbon hitam melebihi 10 juta ton. Permintaan produk yang begitu besar dijelaskan, pertama-tama, oleh sifat penguatnya yang unik. Lokomotif industri tersebut adalah:

• Aditya Birla Group (India) - sekitar 15% dari pasar.
• Cabot Corporation (AS) - 14% pasar.
• Karbon Rekayasa Orion (Luksemburg) - 9%.

Produsen karbon Rusia terbesar:

• Omsktehuglerod LLC – 40% dari pasar Rusia. Pabrik di Omsk, Volgograd, Mogilev.
• JSC Karbon Teknis Yaroslavl – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.