Le carbone technique, sa production

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-17 18:50

Le noir de carbone (GOST 7885-86) est un type de produits de carbone industriels utilisés principalement dans la production de caoutchouc comme charge qui améliore ses propriétés de performance utiles. Contrairement au coke et au brai, il se compose de presque un carbone, il ressemble à de la suie.

Champ d'application

Environ 70 % du noir de carbone produit est utilisé pour la fabrication de pneus, 20 % - pour la production de produits en caoutchouc. En outre, le carbone technique est utilisé dans la production de peintures et de vernis et dans la production d'encres d'imprimerie, où il agit comme un pigment noir.

Un autre domaine d'application est la production de plastiques et de gaines de câbles. Ici, le produit est ajouté en tant que charge et pour donner aux produits des propriétés spéciales. Le noir de carbone est également utilisé en petites quantités dans d'autres industries.

Caractéristique

Le noir de carbone est le produit d'un processus qui intègre les dernières techniques d'ingénierie et de contrôle. En raison de sa pureté et de son ensemble strictement définipropriétés physiques et chimiques, cela n'a rien à voir avec la suie produite en tant que sous-produit pollué de la combustion du charbon et du mazout, ou du fonctionnement de moteurs à combustion interne non réglementés. Selon la classification internationale généralement acceptée, le noir de carbone est désigné Carbon Black (noir de carbone traduit de l'anglais), la suie en anglais est la suie. Autrement dit, ces concepts ne sont actuellement en aucun cas mélangés.

L'effet de renforcement dû au remplissage des caoutchoucs avec du noir de carbone n'a pas été moins important pour le développement de l'industrie du caoutchouc que la découverte du phénomène de vulcanisation du caoutchouc avec du soufre. Dans les composés de caoutchouc, le carbone d'un grand nombre d'ingrédients utilisés en poids prend la deuxième place après le caoutchouc. L'influence des indicateurs de qualité du noir de carbone sur les propriétés des produits en caoutchouc est bien plus importante que les indicateurs de qualité de l'ingrédient principal - le caoutchouc.

Propriétés de renforcement

L'amélioration des propriétés physiques d'un matériau en introduisant une charge est appelée renforcement (renforcement), et ces charges sont appelées amplificateurs (noir de carbone, oxyde de silicium précipité). Parmi tous les amplificateurs, le carbone technique possède des caractéristiques vraiment uniques. Même avant la vulcanisation, il se lie au caoutchouc et ce mélange ne peut pas être complètement séparé en noir de carbone et en caoutchouc avec des solvants.

La résistance des caoutchoucs basée sur les élastomères les plus importants:

Élastomère	Résistance à la traction, MPa
	Vulcanisat non rempli	Vulcanisat rempli de noir de carbone
Caoutchouc Styrène Butadiène	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Caoutchouc polyacrylate	2, 1	17, 6
Caoutchouc polybutadiène	5, 6	21, 1

Le tableau montre les propriétés des vulcanisats obtenus à partir de différents types de caoutchouc sans remplissage et remplis de noir de carbone. À partir des données ci-dessus, on peut voir comment le remplissage de carbone affecte de manière significative la résistance à la traction du caoutchouc. Soit dit en passant, d'autres poudres dispersées utilisées dans les composés de caoutchouc pour donner la couleur souhaitée ou réduire le coût du mélange - craie, kaolin, talc, oxyde de fer et autres n'ont pas de propriétés de renforcement.

Structure

Les carbones naturels purs sont les diamants et le graphite. Ils ont une structure cristalline très différente les unes des autres. La similitude dans la structure du graphite naturel et du noir de carbone artificiel a été établie par diffraction des rayons X. Les atomes de carbone dans le graphite forment de grandes couches de systèmes cycliques aromatiques condensés, avec une distance interatomique de 0,142 nm. Ces couches de graphiteles systèmes aromatiques condensés sont appelés plans basaux. La distance entre les plans est strictement définie et est de 0,335 nm. Toutes les couches sont parallèles les unes aux autres. La densité du graphite est de 2,26 g/cm3.

Contrairement au graphite, qui a un ordre tridimensionnel, le carbone technique se caractérise uniquement par un ordre bidimensionnel. Il se compose de plans de graphite bien développés, situés à peu près parallèles les uns aux autres, mais décalés par rapport aux couches adjacentes - c'est-à-dire que les plans sont orientés arbitrairement par rapport à la normale.

La structure en graphite est comparée au sens figuré à un jeu de cartes soigneusement plié, et la structure en noir de carbone est comparée à un jeu de cartes dans lequel les cartes sont décalées. Dans celui-ci, la distance interplanaire est supérieure à celle du graphite et est de 0,350 à 0,365 nm. Par conséquent, la densité du noir de carbone est inférieure à la densité du graphite et se situe entre 1,76 et 1,9 g/cm³, selon la marque (le plus souvent 1,8 g/cm ^3).

Coloration

Les grades pigmentés (colorants) de noir de carbone sont utilisés dans la production d'encres d'imprimerie, de revêtements, de plastiques, de fibres, de papier et de matériaux de construction. Ils sont classés en:

• noir de carbone de haute couleur (HC);
• moyen (MS);
• coloration normale (RC);
• faible couleur (LC).

La troisième lettre indique la méthode d'obtention - four (F) ou canal (C). Exemple de désignation: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

Le pouvoir colorant d'un produit est lié à sa granulométrie. Selon leur taille, les carbones techniques sont divisés en groupes:

Taille moyenne des particules, nm	Grade noir fournaise
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Classement

Le carbone technique pour le caoutchouc selon le degré d'effet de renforcement est divisé en:

• Très renforçant (bande de roulement, dur). Il est attribué à la durabilité accrue et à la résistance à l'usure. La taille des particules est petite (18-30 nm). Utilisé dans les bandes transporteuses, les bandes de roulement des pneus.
• Semi-renforçant (armature, souple). La taille des particules est moyenne (40-60 nm). Ils sont utilisés dans divers produits en caoutchouc, carcasses de pneus.
• Gain faible. La taille des particules est grande (plus de 60 nm). Utilisation limitée dans l'industrie du pneumatique. Fournit la résistance nécessaire tout en maintenant une grande élasticité dans les produits en caoutchouc.

La classification complète du noir de carbone est donnée dans la norme ASTM D1765-03, acceptée par tous les fabricants et utilisateurs mondiaux de produits. Dans celui-ci, la classification, en particulier, est effectuée en fonction de la plage de la surface spécifique des particules:

Groupe	Zone spécifique moyennesurface par adsorption d'azote, 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

Production de noir de carbone

Il existe trois technologies de production de noir de carbone industriel utilisant un cycle de combustion incomplet des hydrocarbures:

• four;
• canal;
• tube;
• plasma.

Il existe également une méthode thermique qui décompose l'acétylène ou le gaz naturel à haute température.

Plusieurs qualités produites par différentes technologies ont des caractéristiques différentes.

Technologie de production

Théoriquement, il est possible d'obtenir du noir de carbone par toutes les méthodes ci-dessus, cependant, plus de 96 % du produit fabriqué est obtenu par la méthode du four à partir de matières premières liquides. Le procédé permet d'obtenir différentes qualités de noir de carbone avec un certain ensemble de propriétés. Par exemple, l'usine de noir de carbone d'Omsk produit plus de 20 qualités de noir de carbone à l'aide de cette technologie.

La technologie générale est la suivante. Le réacteur, garni de matériaux hautement réfractaires, est alimenté en gaz naturel et en air chauffé à 800°C. En raison de la combustion du gaz naturel, des produits de combustion complète se forment à une température de 1820-1900 ° C, contenant une certaine quantité d'oxygène libre. Les matières premières liquides d'hydrocarbures sont injectées dans les produits à haute température de la combustion complète, soigneusement mélangés au préalable et chauffés à 200-300 °C. La pyrolyse des matières premières a lieu à une température strictement contrôlée qui, selon la marque de noir de carbone produit, a des valeurs différentes de 1400 à 1750 ° С.

À une certaine distance du lieu d'approvisionnement en matières premières, la réaction thermo-oxydative est stoppée par l'injection d'eau. Le noir de carbone et les gaz de réaction formés à la suite de la pyrolyse pénètrent dans le réchauffeur d'air, où ils cèdent une partie de leur chaleur à l'air utilisé dans le processus, tandis que la température du mélange carbone-gaz diminue de 950-1000 °С à 500-600 °С.

Après refroidissement à 260-280 °C grâce à une injection d'eau supplémentaire, le mélange de noir de carbone et de gaz est envoyé vers le filtre à manches, où le noir de carbone est séparé des gaz et pénètre dans la trémie du filtre. Le noir de carbone séparé du bac du filtre est acheminé à travers le gazoduc par un ventilateur (turbo soufflant) jusqu'à la section de granulation.

Producteurs de noir de carbone

La production mondiale de noir de carbone dépasse les 10 millions de tonnes. Une telle demande pour le produit s'explique tout d'abord par ses propriétés de renforcement uniques. Les locomotives de l'industrie sont:

• Aditya Birla Group (Inde) - environ 15 % du marché.
• Cabot Corporation (USA) - 14 % du marché.
• Orion Engineered Carbons (Luxembourg) - 9%.

Les plus grands producteurs de carbone russes:

• Omsktehuglerod LLC – 40 % du marché russe. Usines à Omsk, Volgograd, Moguilev.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.