ما هو الكربون الأسود؟ ستقدم لك هذه المقالة كل المعلومات حول الكربون الأسود

عندما يتعلق الأمر بـ أسود فاحمقد يعتقد معظم الناس أنه مجرد صبغة. يعتبر الكربون الأسود مادة خام صناعية أساسية. وهو شائع الاستخدام في الحياة اليومية. فكيف يرتبط الكربون الأسود ارتباطًا وثيقًا بحياتنا؟ ما الدور الذي يلعبه الكربون الأسود في الصناعة؟ ما هو دور الكربون الأسود وما هو استخدامه الرئيسي؟

بعد ذلك، سوف يتناول المحرر عشر نقاط رئيسية حول الكربون الأسود:

• ما هو الكربون الأسود؟
• تطورها التاريخي.
• نمو صناعة الكربون الأسود.
• كيف يتم استخدام الكربون الأسود؟
• أنواع الكربون الأسود المختلفة.
• بنيتها ووظيفتها.
• عملية الإنتاج.
• الفرص والتحديات في الصناعة.
• تطوير الصناعة.
• كيفية اختيار الكربون الأسود ومجالات تطبيقه الرئيسية

سيساعدك هذا على فهم الكربون الأسود، المادة الخام الصناعية المهمة.

ما هو الكربون الأسود؟

الكربون الأسود هو نوع من الكربون غير المتبلور. وهو عبارة عن مسحوق أسود خفيف وسائب ودقيق للغاية. يمكنك التفكير فيه على أنه مشابه للرماد الموجود في قاع الإناء. وهو ينتج عن الاحتراق غير الكامل أو تحلل المواد الغنية بالكربون. وتشمل هذه المواد الفحم والغاز الطبيعي والنفط الثقيل ووقود النفط. ويحدث هذا عندما لا يكون هناك ما يكفي من الهواء.

يتكون الكربون الأسود بشكل أساسي من الكربون، وهو أقدم مادة نانوية تم تطويرها وتطبيقها وإنتاجها حاليًا بواسطة البشر. حجم الجسيمات يتراوح طوله بين 10-100 نانومتر. يتمتع بتعزيز مطاطي ممتاز، ولون، وتوصيل أو امتصاص مضاد للكهرباء الساكنة والأشعة فوق البنفسجية. وهو مدرج كواحد من 25 منتجًا كيميائيًا أساسيًا و مادة كيميائية دقيقة المنتجات في المجال الكيميائي الدولي. تلعب صناعة الكربون الأسود دورًا رئيسيًا في صناعة الإطارات والصباغة. كما تعمل على تحسين جودة المنتجات اليومية.

التطور التاريخي للكربون الأسود

يُعد الكربون الأسود أحد أول المنتجات البتروكيماوية الرئيسية المعروفة للناس اليوم. في العصور القديمة، كان الكربون الأسود يُسمى "تاي" أو "سخام الدخان" أو "دخان الصنوبر". ظل اسم "تاي" مستخدمًا حتى نهاية القرن التاسع عشر. ومنذ ظهور صناعة الكربون الأسود في عام 1872، تم استبداله تدريجيًا بمصطلح "الكربون الأسود".

إن الكربون الأسود له تاريخ طويل جدًا. فوفقًا للسجلات، تعد الصين واحدة من أقدم الدول في العالم التي أنتجت الكربون الأسود. في العصور القديمة، كان الناس يحرقون زيوت الحيوانات والنباتات، جنبًا إلى جنب مع أغصان الصنوبر. وكانوا يجمعون الرماد الأسود الناتج عن الدخان. ثم استخدموا هذا الرماد لصنع الحبر والأصباغ السوداء. يعود تاريخ نقوش العظام التي تعود إلى عهد أسرة شانغ إلى ثلاثة آلاف عام. لقد استخدموا "سخام الدخان" للحبر. كما كانت صفائح الخيزران القديمة في بلدي مكتوبة بالحبر.

أثر الكربون الأسود في تاريخ الصين

خلال فترة الممالك الثلاث، سجل كاو تشي أن "الحبر يأتي من دخان الصنوبر الأخضر". وبحلول عهد أسرة جين، أصبح إنتاج الحرف اليدوية من دخان الصنوبر والكربون الأسود شائعًا جدًا. وبحلول عهد أسرة تانغ الجنوبية، بدأت بلدي في استخدام زيت التونغ والزيوت الحيوانية والنباتية الأخرى. عندما لم يكن هناك ما يكفي من الهواء، لم يحترق الزيت بالكامل. تسبب هذا في تكوين الكربون الأسود وتجمعه تحت وعاء الدخان الخزفي، مما أدى إلى إنشاء كربون أسود عالي الجودة. في "Yunlu Manchao" لتشاو يانوي من عهد أسرة سونغ، ورد أن عمال الحبر استخدموا مؤخرًا حوضًا للمياه.

"كانوا يحفظون الماء فيه ويضعون أحواضًا وأوعية في المنتصف. ثم أحرقوا زيت التونغ وغطوه بوعاء. كان هناك شخص خاص يمسح عود الثقاب ويخلطه بغراء البقر ويعجّنه. الطريقة سريعة ومريحة للغاية، وتسمى دخان الزيت." هذا عن عملية حرق زيت التونغ لصنع الحبر. يمكن ملاحظة أنه كانت هناك ورش حرفية متخصصة في حرق الدخان لصنع الحبر في ذلك الوقت. في ذلك الوقت، كانت الإنتاجية منخفضة. وهذا يعني أن إنتاج الحبر لم يكن فعالاً، مما جعله مكلفًا للغاية. التقط سو دونجبو هذا في قصيدته: "ألتقط الفحم الخفيف من نافذة الكتاب، وأكنس رائحة خيمة بوذا المتبقية." "أعمل بجد لمدة ألف ليلة، وأحصل على هذا اليشم الذي يبلغ طوله بوصة واحدة."

صعود صناعة الكربون الأسود

في عام 1821، استخدم الناس الغاز الطبيعي كمادة خام لإنتاج الكربون الأسود لأول مرة في أمريكا الشمالية. ومنذ ذلك الحين، لم يعد الكربون الأسود مجرد "سخام".

في عام 1872، أدرك العالم الإنتاج الصناعي للكربون الأسود، وظهر مصطلح "الكربون الأسود" في نفس الوقت. وتم استغلال حقول النفط والغاز واحدة تلو الأخرى. وقد أدى هذا الإمداد المستمر بالمواد الخام إلى تغيير إنتاج الكربون الأسود. وانتقل من العمل اليدوي إلى الصناعة واسعة النطاق.

في عام 1904، وجدت شركة موت البريطانية أن الكربون الأسود يعمل بشكل أفضل من أكسيد الزنك كعامل تقوية للمطاط.

في عام 1912، استخدمت شركة Goodyear الأمريكية الكربون الأسود لأول مرة كمواد تقوية للإطارات.

في أوائل القرن العشرين، كانت الإطارات بيضاء أو حمراء في الغالب. وكانت تدوم حوالي 3000 كيلومتر. ثم غيّر الكربون الأسود كل شيء. الآن، يمكن للإطارات أن تقطع أكثر من 60 ألف كيلومتر! يعمل الكربون الأسود على تقوية الإطارات، مما ساعد على زيادة إنتاجها بكميات كبيرة.

يمكن وصف العملية المحددة بشكل موجز على النحو التالي:

1. في بداية صناعة الكربون الأسود، كان الغاز الطبيعي بمثابة المادة الخام. وكانت الطريقة الأساسية للإنتاج هي عملية القنوات. وكانت المعدات كبيرة والإنتاج منخفضًا.

2. الكربون الأسود في الفرن في الأربعينيات من القرن العشرين، بما في ذلك طريقة فرن الزيت وطريقة فرن الغاز. تستخدم طريقة الإنتاج هذه معدات أقل وتعزز الإنتاج. ومع ذلك، فإن الجودة ليست عالية مثل الكربون الأسود القنوي.

3. بدأت بلادي في إنتاج الكربون الأسود في فوشون وسيتشوان خلال الخمسينيات من القرن العشرين. ثم في الستينيات، بدأنا في إنتاج الكربون الأسود في الفرن. في عام 1985، جلب مصنع الكربون الأسود في تيانجين خط إنتاج صلب سعة 15000 طن من الكربون الأسود القاري من الولايات المتحدة. حدث هذا في الثمانينيات والتسعينيات. لاحقًا، استوعب مصنع الكربون الأسود في تيانجين ومصنع فوشون الكيميائي ومعهد أبحاث الكربون الأسود وقاموا بتحسين خط الإنتاج الجديد.

استخدامات الكربون الأسود

تطبيق في صناعة المطاط

يذهب أكثر من 90% من إجمالي الكربون الأسود المنتج إلى صناعة المطاط. ويُستخدم الكربون الأسود بشكل أساسي في أنواع مختلفة من الإطارات. ويشمل ذلك إطارات السيارات والجرارات والطائرات والدراجات. ويحتاج إطار السيارة العادي إلى حوالي 10 كيلوغرامات من الكربون الأسود. ويذهب معظم الكربون الأسود المستخدم في المطاط إلى إنتاج الإطارات، ويشكل أكثر من 75%. والباقي يستخدم في منتجات مطاطية أخرى مثل الأشرطة والخراطيم والأحذية. وفي صناعة المطاط، يبلغ استهلاك الكربون الأسود حوالي 40-50% من إجمالي استخدام المطاط.

لماذا يستخدم الكربون الأسود أكثر في المطاط؟

السبب وراء استخدام الكربون الأسود في المطاط بكميات كبيرة هو أنه يتمتع بقدرة ممتازة على "التعزيز". تم اكتشاف قدرة الكربون الأسود على "التعزيز" لأول مرة في المطاط الطبيعي في عام 1914. وقد تم التأكيد الآن على أن الكربون الأسود أكثر أهمية لتقوية المطاط الصناعي. الفائدة الرئيسية للكربون الأسود في الإطارات هي أداء أفضل للتآكل للمداس. يمكن للإطار الذي يحتوي على الكربون الأسود 30% أن يدوم ما بين 48000 و 64000 كيلومتر. في المقابل، فإن الإطار الذي يستخدم نفس الكمية من الحشوات غير المعززة يدوم 4800 كيلومتر فقط. كما يعزز الكربون الأسود المعزز الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للمنتجات المطاطية. ويشمل ذلك تحسينات في قوة الشد وقوة التمزق.

إن إضافة الكربون الأسود إلى المطاط البلوري مثل المطاط الطبيعي أو الكلوروبرين يمكن أن يعزز قوة الشد للمطاط المبركن بمقدار 1 إلى 1.7 مرة. وفي المطاط غير البلوري، مثل مطاط ستيرين بوتادين أو مطاط النتريل، يمكن أن تزيد القوة بمقدار 4 إلى 12 مرة.

في صناعة المطاط، حدد نوع الكربون الأسود وكميته وفقًا للاستخدام المقصود للمنتج والظروف التي سيواجهها. بالنسبة لمداس الإطارات، فإن مقاومة التآكل هي الأولوية القصوى. أنت بحاجة إلى الكربون الأسود عالي التعزيز. تشمل الخيارات الكربون الأسود المقاوم للتآكل الفائق أو المتوسط أو العالي المقاومة للتآكل. أيضًا، يجب أن يستخدم المطاط المداس والهيكل الكربون الأسود الذي يتميز بفقدان هستيريسيس منخفض ويولد حرارة قليلة.

تطبيق في صناعة الحبر

يُعد الكربون الأسود المادة الخام الرئيسية للحبر الأسود للطباعة. تستخدم معظم الأحبار الحديثة الكربون الأسود الصبغي عالي الجودة. تتميز أحبار الطباعة المصنوعة من الكربون الأسود عالي الجودة بخط يد واضح وألوان زاهية. تؤثر بشكل كبير على جودة طباعة الصحف والمجلات. وهذا بدوره يرتبط بالحياة الثقافية للناس. هناك العديد من أنواع الأحبار الحديثة ذات مجموعة واسعة من الاستخدامات. من بينها، يمثل الكربون الأسود لحبر الأخبار حوالي 70% من إجمالي الكربون الأسود للحبر. يحتوي حبر الأخبار على 11-13% من الكربون الأسود. يتم استهلاك حوالي 16 كيلوغرامًا من حبر الأخبار لكل طن من الصحيفة المطبوعة.

تؤثر الخصائص الأساسية للكربون الأسود، مثل حجم الجسيمات ومساحة السطح، بشكل كبير على كيفية أداء الحبر ومعالجته.

تحتاج صناعة الحبر إلى الكربون الأسود لتلبية العديد من المتطلبات الأساسية:

• السواد
• لون
• سيولة
• اللزوجة
• تجفيف
• اللزوجة

بسبب أغراض الاستخدام المختلفة، فإن الأحبار المختلفة لها متطلبات مختلفة للكربون الأسود.

التطبيق في صناعة الطلاء

طلاء هو ما نطلق عليه عادة اسم الطلاء. يتميز الكربون الأسود بثباته ضد المواد الكيميائية والضوء والحرارة. وهذا يجعله أفضل من غيره من الأصباغ السوداء غير العضوية والأصباغ السوداء العضوية. يستخدم الكربون الأسود في الطلاء. يتميز بتفاعلية منخفضة وسواد مرتفع ومقاوم جيد للعوامل الجوية وقوة تلوين قوية. الكربون الأسود الصبغي عالي الجودة رائع لطلاء الراتنج الصناعي. يعمل كطبقة علوية للسيارات. يمكنك أيضًا استخدامه كطلاء زخرفي للدراجات وآلات الخياطة والأدوات. يمكن أن يعمل الكربون الأسود الموصل كطبقة أولية للطلاء الكهربائي القابل للذوبان في الماء.

التطبيقات في صناعة البلاستيك

يستخدم الكربون الأسود بشكل أساسي كملون في البلاستيك. تقاوم المواد البلاستيكية المحتوية على الكربون الأسود التحلل الناتج عن الحرارة. كما أن حجمها يتغير بشكل أقل. كما يمكنه تعزيز الصلابة والصلابة والتوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري ومقاومة التآكل. والأهم من ذلك، أنه يتمتع بحماية من الإشعاع والأشعة فوق البنفسجية وتأثيرات مضادة للأكسدة. تبلغ كمية الكربون الأسود في البلاستيك بشكل عام 1~2.75%.

تطبيقات أخرى

يستخدم الكربون الأسود في العديد من الاستخدامات، فإلى جانب الاستخدامات الرئيسية، يوجد في البطاريات الجافة ومنتجات الكربون الكهربائية. كما يلعب دورًا في المكونات الكهربائية والإلكترونية. ستجده في السبائك الصلبة والجرافيت عالي النقاء والطباعة والصباغة. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم الكربون الأسود في التصوير الكهروستاتيكي والأفلام الفوتوغرافية والبارود. كما يوجد في الأسمنت والجلود والشحوم والصب والزراعة والمزيد. في هذه القطاعات، على الرغم من أن كمية الكربون الأسود المستخدمة صغيرة، إلا أنه غالبًا ما يلعب دورًا كبيرًا.

تصنيف الكربون الأسود

التصنيف حسب الإنتاج

يتم تقسيمها بشكل أساسي إلى أسود المصباح، أسود الغاز، أسود الفرن وأسود القناة.

التصنيف حسب الاستخدام

يتم تصنيف الكربون الأسود عادة بناءً على استخداماته:

• صبغة الكربون الأسود
• مطاط كربوني أسود
• الكربون الأسود الموصل
• الكربون الأسود الخاص

يتم تصنيف الكربون الأسود المستخدم في الصبغة عالميًا بناءً على قدرته على التلوين. هناك ثلاثة أنواع: الكربون الأسود عالي الصبغة، والكربون الأسود متوسط الصبغة، والكربون الأسود منخفض الصبغة. يستخدم هذا التصنيف ثلاثة أحرف إنجليزية. يوضح الحرفان الأولان مدى قدرة الكربون الأسود على التلوين. يشير الحرف الأخير إلى كيفية تصنيعه.

التصنيف حسب الوظيفة

يتم تقسيمها بشكل أساسي إلى أسود الكربون المعزز، أسود الكربون الملون، أسود الكربون الموصل، وما إلى ذلك.

التصنيف حسب النموذج

يتم تقسيمها بشكل أساسي إلى N220، N330، N550، N660، N990، N110، N115، N234، N326، N339، N375، N539، N550، N880، إلخ.

معايير التسمية الدولية للكربون الأسود:

كان يتم تصنيف الكربون الأسود المستخدم في صناعة المطاط حسب حجم الجسيمات. أما الآن، فيتم تصنيفه حسب مساحة سطح النيتروجين. كما أن سرعة الفلكنة وبنية صبغة الكربون الأسود مهمة عند التسمية. وله أربعة أنظمة. الحرف الأول باللغة الإنجليزية يوضح سرعة الفلكنة لمركب المطاط. N يعني السرعة العادية، بينما S يعني السرعة البطيئة. والأرقام الثلاثة التالية هي أرقام عربية. يوضح الرقم الأول نطاق مساحة سطح النيتروجين للكربون الأسود. ويتراوح من 0 إلى 9 مستويات. وتقدم لجنة D24.41 التابعة للجمعية الأمريكية للاختبار والمواد الرقمين الثاني والثالث. توضح هذه الأرقام الدرجات البنيوية للكربون الأسود. وهي تعكس هياكله العالية والمنخفضة التقريبية، بناءً على درجة معينة من الاختيار. وبصورة نسبية، كلما زاد الرقم، زاد الهيكل.

يوضح:

يُعد الكربون الأسود N330 أسودًا مقاومًا للتآكل بدرجة عالية. يُعد الكربون الأسود N330 أكثر أنواع الكربون الأسود المقاوم للتآكل استخدامًا على نطاق واسع. إن مقاومة التآكل لهذا المنتج أقل قليلاً من الكربون الأسود المقاوم للتآكل بدرجة فائقة. ومع ذلك، فهو أفضل من الكربون الأسود القنوي. يُستخدم هذا المنتج في مداس الإطارات، ومطاط الحبال، والجدران الجانبية، والعديد من المنتجات الصناعية المطاطية. هذا المنتج عبارة عن كربون أسود يقوي المطاط. فهو يحسن قوة الشد ومقاومة التمزق ومقاومة التآكل والمرونة. إن خسارة التدحرج لإطارات الركاب التي تستخدم هذا المنتج أكبر من N351 في سلسلة N300. ومع ذلك، فهو أصغر من الأنواع الأخرى. يتمتع بخصائص تشتت وبثق رائعة في المركبات المطاطية. يعمل بشكل جيد مع كل من المطاط الصناعي والطبيعي.

بنية ووظيفة الكربون الأسود

يتم التعبير عن بنية الكربون الأسود من خلال الدرجة التي تتجمع بها جزيئات الكربون الأسود في سلاسل أو عناقيد. يتكون الكربون الأسود عالي البنية من مجموعات. تختلف هذه المجموعات في الحجم والشكل وعدد الجسيمات التي تحتوي عليها. غالبًا ما تُستخدم قيمة امتصاص الزيت للإشارة إلى البنية. تعني قيمة امتصاص الزيت الأعلى أن الكربون الأسود له بنية أكبر. تشكل هذه البنية بسهولة قناة شبكة مكانية، مما يجعلها أكثر استقرارًا.

تكوين الكربون الأسود

يشير مصطلح الكربون الأسود عمومًا إلى جزيئات الكربون. وعادة ما يتسبب الاحتراق غير الكامل للمواد العضوية في حدوث ذلك. وفي هذه العملية، يتحول الهيدروجين والأكسجين إلى ماء. ومع ذلك، لا يحترق الكربون تمامًا. بل ينفصل عن الجزيئات ويشكل الكربون الأسود.

أشكال مختلفة

يتكون الكربون الأسود من الكربون، ولكن يتم تصنيفه عادة على أنه صبغة غير عضوية. الكربون الأسود عبارة عن مسحوق أسود مصنوع من الاحتراق غير الكامل أو التكسير الحراري للهيدروكربونات في شكل غاز. تؤدي عمليات الإنتاج المختلفة إلى منتجات مختلفة ذات خصائص فريدة بناءً على الظروف المستخدمة.

البنية الدقيقة للكربون الأسود

تتمتع جزيئات الكربون الأسود ببنية بلورية دقيقة. في الكربون الأسود، يكون ترتيب ذرات الكربون مشابهًا لترتيب الجرافيت، حيث يشكل مستويات سداسية. عادةً ما تشكل 3 إلى 5 مستويات من هذا القبيل بلورة دقيقة. يتم ترتيب ذرات الكربون في كل طبقة من الجرافيت من بلورات الكربون الأسود الدقيقة بشكل أنيق. ومع ذلك، فإن الترتيب بين الطبقات غير منظم. لذلك، تُعرف هذه البلورات الدقيقة أيضًا باسم بلورات شبه الجرافيت.

حجم جسيمات الكربون الأسود

يمكن أن يصل حجم جسيمات الكربون الأسود الصباغي إلى 5 نانومتر فقط. وعادةً لا توجد جسيمات الكربون الأسود بمفردها. بل إن العديد من الجسيمات تتصل عبر طبقة بلورة الكربون. وهذا يشكل شكلًا يشبه السلسلة. ويمكن لعمليات الإنتاج المختلفة أن تنتج جسيمات الكربون الأسود بمجموعة واسعة من أحجام الجسيمات. وينتج عن إنتاج الكربون الأسود باستخدام المصباح منتجًا خشنًا. وعلى النقيض من ذلك، ينتج عن إنتاج الكربون الأسود الغازي منتجات أدق.

ملاحظة: يمكن لعملية إنتاج الكربون الأسود في الفرن إنتاج الكربون الأسود بجميع أحجام الجسيمات تقريبًا. وتختلف أحجام الجسيمات لنفس النوع من الكربون الأسود. وتظهر هذه الأحجام نطاقًا في توزيع أحجام الجسيمات. وبشكل عام، يكون توزيع أحجام الجسيمات للنوع ذي الجسيمات الدقيقة أضيق.

عملية إنتاج الكربون الأسود

يعتمد مبدأ إنتاج الكربون الأسود بشكل عام على جزيئات عنصر الكربون. يؤدي الاحتراق غير الكامل للمواد العضوية إلى تحويل الهيدروجين والأكسجين إلى ماء. ومع ذلك، لا يحترق الكربون بشكل كامل وينفصل عن الجزيئات، مما يؤدي إلى تكوين الكربون الأسود. الكربون الأسود عبارة عن مسحوق أسود. يتشكل عندما تحترق الهيدروكربونات بشكل غير كامل أو تخضع للتكسير الحراري.

تؤدي طرق الإنتاج المختلفة إلى إنتاج منتجات متنوعة ذات خصائص فريدة. ويحدث هذا بناءً على ظروف العملية المحددة المستخدمة.

المواد الخام لإنتاج الكربون الأسود

المواد الخام الرئيسية لصناعة الكربون الأسود هي:

• قطران الفحم
• قطران الإيثيلين
• زيت الانثراسين
• الغاز الطبيعي
• غاز الفرن العالي

وتشمل المواد الأخرى المستخدمة المنتجات البترولية، وقطران الفحم الإسفلتي، وزيت النيتروجين. وكل هذه المواد تحتوي على نسبة عالية جدًا من الكربون.

عمليات الإنتاج الشائعة هي:

• طريقة الفرن
• طريقة الرش
• طريقة دخان المصباح
• طريقة الفتحة
• طريقة الأسطوانة
• طريقة الغاز المختلط
• طريقة التكسير الحراري
• طريقة الأسيتيلين
• طريقة البلازما

طرق الاحتراق غير الكامل هي:

• طريقة الفرن
• طريقة الرش
• طريقة دخان المصباح
• طريقة الفتحة
• طريقة الأسطوانة
• طريقة الغاز المختلط

تتضمن طرق التكسير الحراري ما يلي:

• طريقة التكسير الحراري
• طريقة الأسيتيلين
• طريقة البلازما

عملية إنتاج المصباح الأسود

الطريقة الأقدم لصنع الكربون الأسود هي طريقة المصباح الأسود. في هذه العملية، تحترق المادة الخام على صفيحة حديدية مسطحة يمكن أن يصل عرضها إلى 1.5 متر. يجمع غطاء العادم غاز الاحتراق مع الكربون الأسود. ثم يتدفق عبر ثنية 1/4 وأنبوب النار للوصول إلى جهاز الترسيب. للتحكم في خصائص الكربون الأسود، تأكد من أن المادة الخام قد احترقت بشكل غير كامل في الغالب. يجب أن يحدث هذا بالقرب من الفجوة بين صفيحة الاحتراق وغطاء العادم.

في المرحلة التالية، يحدث الاحتراق بالتشقق الحراري. ويحدث هذا عندما لا يكون هناك ما يكفي من الأكسجين. ويؤدي هذا إلى تكوين جزيئات سوداء كربونية أكبر. ولهذه الأسباب، يتم تكوين نطاق واسع من توزيع حجم الجسيمات، والذي يتميز بشكل أساسي بالجسيمات الخشنة. ويمكن لجزء صغير فقط من الجسيمات المصنوعة بين صفيحة الاحتراق وغطاء العادم أن يتفاعل مع الأكسجين في الهواء. لذا، تحتوي هذه الأسود الكربونية على عدد قليل من أكاسيد السطح. وقيمة الرقم الهيدروجيني لها محايدة، وتحتوي على القليل جدًا من المواد المتطايرة.

عملية إنتاج الغاز الأسود

يُشتق اسم الغاز الأسود من طريقة تصنيعه. أولاً، يتم تسخين الهيدروكربونات الخام وتبخيرها. ثم يحمل غاز يشتعل ذاتيًا البخار إلى الموقد، مما يوفر الطاقة. يتكون الكربون الأسود في العديد من اللهب المروحي الذي تنتجه هذه الشعلات ذات الشكل الخفاشي.

كل لهب صغير ويحترق في الهواء. لذا فإن الطريقة التي يتشكل بها أسود الكربون تختلف عن كيفية صنع أسود المصباح. يأتي أسود المصباح من الاحتراق غير الكامل. جزيئات أسود الكربون دقيقة للغاية. يتراوح متوسط حجمها من 10 إلى 30 نانومتر، حسب النوع. بالنسبة لأسود الغاز، يبلغ متوسط حجم الجسيمات 13 نانومتر. فوق اللهب المحترق يوجد أسطوانة مملوءة بالماء تدور ببطء، يترسب عليها أسود الكربون، ثم يتم كشطها بالكشط. عندما يكون لا يزال ساخنًا، يلامس أسود الكربون الجديد أكسجين الهواء. يتسبب هذا في أكسدة جزئية ويخلق العديد من المجموعات الحمضية. قيمة الرقم الهيدروجيني المقابلة لأسود الغاز تقع في النطاق الحمضي. ويمكن الحصول على حوالي 6% من المادة المتطايرة، والتي تمثل محتوى أكسيد السطح.

عملية إنتاج القناة السوداء

تستخدم عملية الإنتاج هذه الغاز الطبيعي كمادة خام. تشبه عملية إنتاج الأسود القنوي عملية احتراق الغاز في عملية إنتاج الأسود الغازي. يحترق الغاز الطبيعي بلهب على شكل مروحة. تبدو النتيجة أشبه بالأسود الغازي. الفرق هو أن حوضًا مسطحًا على شكل حرف U مبردًا بالماء يستخدم كحوض لترسيب الأسود الكربوني. لأسباب بيئية واقتصادية، تم إيقاف هذه الطريقة منذ سنوات عديدة. لا يضر إنتاج الأسود الغازي بالبيئة. لا تزال عملية الأسود الكربوني القائمة على الغاز قيد الاستخدام.

عملية إنتاج السواد في الفرن

يتكون السواد الغازي في الهواء الطلق. وعلى النقيض من ذلك، يتم تصنيع السواد الفرني في فرن مغلق مع كمية محدودة من الأكسجين. حيث تحل شعلة كبيرة محل العديد من الشعلات الصغيرة. ويستخدم الزيت كوقود ويضيف غازًا قابلًا للاشتعال لتسخين الفرن إلى درجة الحرارة المناسبة. يمكنك الحصول على الصبغة السوداء المطلوبة عن طريق ضبط عملية إنتاج السواد الفرني. على سبيل المثال، يمكن أن يحتوي السواد الكربوني على العديد من أحجام الجسيمات المتوسطة. ويمكن أن يتراوح حجمها من 80 نانومتر إلى 15 نانومتر، وحتى أصغر مثل جسيمات السواد الغازي. ومع ذلك، بالنسبة لنفس حجم الجسيمات، لا يزال السواد الغازي والسواد الفرني مختلفين، ويرجع ذلك أساسًا إلى كيمياء السطح المختلفة. منتجات السواد الفرني أكثر خشونة، حيث يبلغ متوسط حجم الجسيمات 40 نانومتر.

يمكنك إضافة كمية صغيرة من المركبات القلوية أو غيرها من المواد المضافة عند استخدام عملية إنتاج الأسود بالفرن. وهذا يغير نوع وتجمع الكتل. ونتيجة لذلك، يمكنك الحصول على أسود كربوني عالي البنية أو منخفض البنية.

نظرًا لأن أسود الفرن يتم إنتاجه عند ضغط دون الغلاف الجوي تقريبًا وهواء غير كافٍ، فإن معظمها يفتقر إلى أكاسيد السطح الحمضية، ولكن يوجد هيكل البايرون التفاعلي القلوي المذكور أعلاه. يرجع الرقم الهيدروجيني القلوي لأسود الفرن إلى إضافة التراب القلوي إلى الماء البارد. يحدث هذا أثناء التبريد بالرش في إنتاج أسود الكربون. تضاف أيضًا الأملاح القلوية للمساعدة في تقليل البنية. بالإضافة إلى ذلك، إذا لم يخضع أسود الفرن لمعالجة ما بعد الأكسدة، فإن محتواه المتطاير يكون منخفضًا.

كيفية اختيار الكربون الأسود

اختر الكربون الأسود بحكمة. قبل إجراء الاختيار، فكر في أهدافك: ما الذي تريد تحقيقه باستخدام الكربون الأسود؟ التلوين، التلوين، مقاومة الأشعة فوق البنفسجية أو التوصيل. الخطوة الأساسية هي التحدث إلى مهندسي الكربون الأسود المحترفين. اعملوا معًا لتقييم نظام المواد. ثم اختر أفضل نوع من الكربون الأسود. للتلوين، اختر الكربون الأسود شديد السواد وله جزيئات صغيرة. تأكد أيضًا من أنه مشتت جيدًا. إذا لم يكن كذلك، فلن يفي بالمتطلبات الأصلية. لمطابقة الألوان، اختر الكربون الأسود الذي يتميز بسواد منخفض. يجب أن يكون له حجم جزيئات كبير وسهل التشتت. لمقاومة الأشعة فوق البنفسجية في البلاستيك والمطاط، استخدم الكربون الأسود. اختر واحدًا بحجم جزيئات متوسط وبنية أعلى قليلاً. يوفر حماية جيدة من الأشعة فوق البنفسجية.

الخصائص الأساسية للكربون الأسود

تحدد خصائص الكربون الأسود استخداماته المحددة في مختلف المجالات الصناعية. وفيما يلي معايير أدائه الرئيسية:

• ① حجم الجسيمات (حجم الجسيمات الأولية)
  • حجم الجسيمات هو أحد الخصائص الأساسية للكربون الأسود، فهو يؤثر بشكل مباشر على أدائه.
  • تعني الجسيمات الأصغر مزيدًا من السواد ومساحة سطح أكبر. ومع ذلك، قد يؤدي هذا إلى تفاقم قابلية التشتت.
  • كلما كان حجم الجسيمات أكبر: كلما كان السواد أقل، ولكن من السهل تشتيته.
• ②البنية (قيمة امتصاص DBP) تعتمد بنية الكربون الأسود على طريقة التجميع بين الجسيمات. عادةً ما تعني قيم البنية الأعلى أشكال جسيمات أكثر تعقيدًا:
  • أسود الكربون عالي البنية: يحسن التشتت والتوصيل، ولكن قد يقلل من السواد؛
  • الكربون الأسود ذو البنية المنخفضة: يظهر سوادًا أعلى، ولكن قابلية تشتت أضعف.
• ③مساحة السطح (إجمالي مساحة السطح النوعية ومساحة السطح النوعية الخارجية) تتميز مساحة السطح عادةً بمساحة السطح النوعية لامتصاص النيتروجين (NSA) ومساحة السطح النوعية الخارجية (STSA):
  • NSA (إجمالي المساحة السطحية النوعية): تعكس إجمالي مساحة السطح للكربون الأسود؛
  • STSA (المساحة السطحية الخارجية النوعية): تقيس فقط مساحة السطح خارج الجسيم.
  • مع زيادة المسامية، تتسع الفجوة بين NSA وSTSA. وهذا يؤدي أيضًا إلى زيادة الطلب على الناقلات واللزوجة.
• ④كيمياء السطح هناك مجموعات وظيفية مختلفة (مثل الأكاسيد والكبريتيدات) على سطح الكربون الأسود، والتي يمكنها:
  • زيادة معدل امتصاص الرطوبة للكربون الأسود؛
  • تعزيز توافق الكربون الأسود مع الراتنجات والطلاءات وما إلى ذلك.

معدات سحق الكربون الأسود الموصى بها

تعد معدات التكسير والتصنيف أساسية في تصنيع الكربون الأسود. فهي تساعد في إنشاء جزيئات الكربون الأسود فائقة الدقة والموحدة والوظيفية. فيما يلي عدة أنواع من المعدات الموصى بها.

آلة الطحن والتصنيف الميكانيكية فائقة الدقة (سلسلة ACM)

المميزات: ملحمي ماكينات المسحوق'س مطحنة تصنيف الهواء MJW يمكن لهذه السلسلة طحن الكربون الأسود إلى D100 < 45μm. بقايا المنخل 325 شبكة < 0.001%. كما أنها تدعم الدقة المخصصة من 600 شبكة إلى 2000 شبكة. تدعم عملية تعديل التنشيط لتعزيز تقارب الكربون الأسود والبوليمر.

التطبيق: معالجة الكربون الأسود المتشقق بشكل عميق لإنشاء حشوات عالية القيمة أو مواد موصلة.

مصنف تدفق الهواء (سلسلة HTS)

المميزات: تستخدم EPIC Powder Machinery عملية الضغط السلبي المغلق بالكامل. تسمح هذه الطريقة بالسحق في درجات حرارة منخفضة، مما يساعد على تجنب تلوث المواد. يصل معدل العائد إلى 80% للبارود الأسود. تعمل المصنفات متعددة المراحل في سلسلة. يساعد هذا الإعداد في إنشاء توزيع مركّز لحجم الجسيمات. إنه مثالي لإنتاج أسود الكربون عالي النقاء.

التطبيق: حبر الطابعة، مواد أقطاب البطارية وغيرها من المشاهد ذات متطلبات الدقة الصارمة.