Технический углерод

Технический углерод -  относится к классу промышленных углеродных продуктов, где углерод находится в форме, которая не встречается в природных материалах.  Это полидисперсный порошкообразный материал черного цвета образующийся в газовой фазе при термическом или термоокислительном разложении углеродосодержащих веществ, пре­имущественно углеводородов. Технический углерод является основным усилителем резин на основе натурального и синтетических каучуков, а также используется в производстве лаков и кра­сок, пластических масс, искусственного волокна, бумаги, в строительной и электротехни­ческой промышленности. В настоящее время в мире производится около 10 млн. тон технического углерода, который в основном применяется в производстве шин и резинотехнических изделий

Благодаря применению печных марок технического углерода стало возможным освоение новых синте­тических каучуков. Ассортимент технического углерода в основном определяется резиновой промышлен­ностью, хотя в ограниченных количествах выпускается  технический углерод специального назначения.

Сегодня производится более 70 коммерческих марок технического углерода (включая приблизительно 20 марок для резин и приблизительно 50 марок для специального использования).

Высокая потребность в техническом углероде объясняется, прежде всего, его уникальными усилива­ющими свойствами. Наполнение каучуков существенно влияет на условную прочность ре­зин при растяжении и прочие эксплуатационные характеристики изделия. Даже до вулканизации технический углерод связывается с кау­чуком и эту смесь невозможно полностью разделить на технический углерод и каучук при помо­щи растворителей.

Из большого количества применяемых в резиновых смесях ингредиентов технический углерод занимает второе место по массе после каучу­ка. По общепринятой международной класси­фикации технический углеерод называется «Carbon Black», в отличие от сажи, называемой «Soot» которая образуется в процессе горения как побочный загрязняющий продукт (например, сажа в отработавших газах дизелей).

Структура технического углерода

По степени кристалличности технический углерод (мел) занил промежуточное место между крис­таллическим графитом и аморфным углеродом с турбостратической (послойно неупорядоченной) формой углерода. Основными структурными единицами технического углерода являются «частицы», ко­торые ассоциируются в «агрегаты».

Частица технического углерода представляет собой недискретную преимущественно сфероидальную единицу, включающую углеродные полимерные слои различной степени упорядоченности (от двумерньх полициклических образований до относительно крупных графитоподобных кристалли­тов). Отдельные частицы в индивидуальном виде встречаются только в термическом техническом углероде наряду с агрегатами. При всех остальных способах получения частицы технического углерода все­гда связаны в агрегаты.

Агрегат технического углерода представляет собой дискретную жесткую коллоидную единицу грозде­видной формы, состоящую из полидисперсных частиц, соединенных химическими (валентны­ми) связями. Они обеспечивают высокую прочность первичных агрегатов, которые являются наименьшей диспергируемой единицей технического углерода, содержащей от нескольких десятков до нескольких сотен сросшихся частиц. Размер и форма агрегатов так же как и размеры частиц, являются главными параметрами, обусловливающими свойства технического углерода как усиливающе­го наполнителя и пигмента. Агрегаты имеют разнообразные формы - от гроздевидных до цепо­чечных-и разные размеры. Частицы внутри каждого отдельного агрегата незначительно раз­личаются по размерам.

Частицы в агрегате связаны непрерывной цепочечной структурой в единую матрицу. Сово­купность нескольких агрегатов, удерживаемых вместе физическими силами, представляет собой агломерат-, который может быть легко разрушен на более мелкие агломераты или даже на отдельные агрегаты при приложении определенных усилий (например, в процессе смещения технического углерода с каучуком).

Параллельно сорентированные слоевые пакеты, образованные из отломившехся частичек графитовых плоскостей (слоев), хаотично расположенных внутри частицы и связанных между собой валентными связями или через боковые цепи неорганизованного углерода представляют собой «кристаллиты». При­чем, если внутри частицы кристаллиты ориентированы беспорядочно, то в крупных частицах термического технического углерода базисные плоскости кристаллитов поверхностного слоя расположе­ны приблизительно параллельно поверхности частицы. Поскольку большей степени упорядочен­ности кристаллитов соответствует более плотная упаковка, поверхностные области частиц ока­зываются более плотными, чем центральные. Степень упорядоченности кристаллитов убывает с уменьшением размера частиц. Слои кристаллитов состоят из правильных спаянных гексагонов (шестиугольников), в которых атомы углерода расположены в их вершинах на расстоянии 0,143 нм. Кристаллы в частице упакованы беспорядочно; степень упорядоченности возрастает от центра к периферии.

Расстояние между слоями кристаллита изменяется в пределах 0,345 – 0,370 нм (для сравнения в графите - 0,333 нм). Кристаллиты большинства типов технического углерода состоят из 3-5 слоев (ацети­ленового технического углерода из 6-8). Размеры кристаллитов вдоль плоскости слоя составляют 1,5-3,0 нм, перпендикулярно - 1-2 нм. Среднее колличество кристаллитов в отдельно взятой частице изменяется в интервале от 1600 для наиболее дисперсного углерода до 5,3*10⁶ для термического. При плотной упаковке в 1 см³ может располагаться более 10¹⁴ единиц агрегатов.

Совместно с кристаллитами в частице присутствуют отдельные слои не входящие в состав углеродного слоя или кристаллита так называемый неорганизованный углерод в виде углеводородных цепей связанных с краевыми ненасыщенными атомами углерода кристаллитов и слоев. Неполная валентная насыщенность крайних атомов определяет связь кристаллитов непосредственно друг с другом или по средствам боковых углеводородных цепей. В ходе процессов окисления крайние атомы, являясь активными центрами приводят к образованию различных функциональных групп на поверхности кристалла. Графитированный технический углерод уже не является активным наполнителем и по свойствам приближается к графитовому порошку.

К списку