Saze

Saze ( technický uhlík , TU, anglicky  Carbon black ) jsou vysoce disperzní amorfní uhlíkový produkt vyráběný v průmyslovém měřítku.

Pro pojmenování sazí se někdy používá výraz „ saze “ , který je nepřesný, protože (na rozdíl od výrazu „saze“) popisuje uhlíkové produkty získané za nekontrolovaných podmínek, které nemají pevnou sadu vlastností.

Struktura

Částice sazí jsou globule skládající se z degradovaných grafitových struktur. Mezirovinná vzdálenost mezi vrstvami podobnými grafitu je 0,35–0,365 nm (pro srovnání u grafitu 0,335 nm).

Velikost částic (13-120 nm) určuje "jemnost " sazí. Fyzikálním a chemickým indikátorem charakterizujícím disperzi je specifický povrch . Povrch částic má drsnost způsobenou vrstvami, které se na sebe dotvarují. Mírou drsnosti je poměr mezi měrným povrchem sazí a jejich jodovým číslem (protože jodové číslo určuje celkový povrch částic s přihlédnutím k drsnosti).

Částice se v procesu získávání spojují v tzv. "agregáty" charakterizované " strukturalitou " - větvením - jejímž měřítkem je index absorpce oleje .

Kamenivo se slepuje do méně odolných útvarů – „vloček“.

Kromě atomů uhlíku obsahují saze atomy síry , kyslíku a dusíku .

Saze mají vysoce vyvinutý povrch (5-150 m2/g), s významnou aktivitou . Na povrchu se nacházejí tzv. koncové skupiny (-COOH, -CHO, -OH, -C(O)-O-, -C(O)-), stejně jako sorbované zbytky nerozložených uhlovodíků. Jejich počet přímo závisí na způsobu získávání a následného zpracování uhlíkových částic. K získání pigmentů se částice sazí často podrobují oxidačnímu zpracování kyselinami.

Skutečná hustota částic sazí je 1,76-1,9 g/cm³. Sypná hustota flokulentních ("prašných") sazí je 330-420 kg/m³. Pro snadnou přepravu a použití jsou saze granulovány na hustotu 300-600 kg/m³.

Aplikace

Saze se používají jako výztužná složka při výrobě pryží a plastů . Asi 70 % všech vyrobených sazí se používá při výrobě pneumatik , ~ 20 % při výrobě pryžových výrobků . Zbytek najde použití jako černý pigment ; zpomalovač " stárnutí " plastů; součást, která dává plastům speciální vlastnosti: ( vodivé , antistatické , schopnost pohlcovat ultrafialové záření, radarové záření ).

Výztužná pryž

Zesilující účinek sazí ve složení polymerů je z velké části způsoben jejich povrchovou aktivitou. Stupeň změny vlastností kaučukových vulkanizátů obsahujících 50 % hmotnostních sazí různých jakostí lze posoudit na základě následujících údajů (jako základ je použit SBR - styren-butadienový kaučuk ):

Kromě fyzikálních vlastností propůjčují saze plněným polymerům černou barvu. V této souvislosti se pro výrobu plastů, u kterých je důležitá konečná barva (např. směs na plasty na boty ), používá jako zpevňující plnivo tzv. armovací plnivo. " bílé saze " (aerosil) - vysoce disperzní oxid křemičitý .

Podíl „bílých sazí“ se zvyšuje i při výrobě pneumatik pro automobily, protože pryžové vulkanizáty na jejich bázi mají výrazně nižší ztráty valivým třením , což vede k úspoře paliva . Ztužující účinek „bílých sazí“ a odolnost vulkanizátů proti oděru jsou však stále výrazně horší než při použití sazí.

Způsoby získání

Existuje několik průmyslových způsobů, jak získat saze. Všechny jsou založeny na termickém ( pyrolýzním ) nebo tepelně-oxidačním rozkladu kapalných nebo plynných uhlovodíků . V závislosti na použitých surovinách a způsobu jejího rozkladu se rozlišují:

• pec  - kontinuální proces prováděný v uzavřených cylindrických průtokových reaktorech . Kapalné uhlovodíkové suroviny jsou vstřikovány mechanickými nebo pneumatickými tryskami do proudu plynu úplného spálení paliva ( zemní plyn , motorová nafta ) a průtoky všech materiálových toků jsou udržovány na dané úrovni. Výsledná reakční směs pro zastavení zplyňovacích reakcí se ochladí vstřikováním vody do proudu. Saze se oddělí od odpadního plynu a granulují;
• lampa  - kontinuální proces prováděný ve speciálních průtokových reaktorech. Tekutá uhlovodíková surovina se odpařuje díky přívodu tepla do misky, ve které se nachází. Páry suroviny strhávají vnější vzduch do reaktoru prstencovou mezerou mezi vstupním krytem reaktoru a miskou suroviny. Materiálové toky jsou řízeny pouze částečně. Reakční kanál v ocasní části reaktoru je chlazen vodou přes stěnu. Saze se oddělují od odpadního plynu a balí;
• tepelný  - proces se provádí v párových reaktorech objemového typu, pracujících střídavě. Do jednoho z reaktorů je přiváděn plyn ( přírodní , acetylen ) smíchaný se vzduchem, který při spalování ohřívá vyzdívku reaktoru . Do druhého předehřátého reaktoru se v této době přivádí pouze plyn (bez vzduchu), v průběhu reakce se vyzdívka ochlazuje, přívod plynu se převádí do připraveného reaktoru a ochlazený se zahřívá výše popsaným způsobem;
• kanál  - periodický proces prováděný ve speciálních komorách s periodickým působením, v jejichž podlaze jsou instalovány štěrbinové (kanálové) hořáky. Plamen hořící suroviny (zemního plynu) na výstupu z hořáků naráží na vodou chlazený kovový skluz, proces oxidace se zastaví s uvolňováním sazí, které se shromažďují uvnitř komory. Výsledný produkt je pravidelně ručně vykládán.

Klasifikace

V Ruské federaci se používají dvě klasifikace sazí podle GOST 7885 a normy Americké společnosti pro testování a materiály ASTM D1765.

V souladu s klasifikací podle GOST bylo stanoveno 10 druhů sazí. V závislosti na způsobu výroby (pec, kanál, termální) jsou značkám přiřazeny písmenové indexy "P", "K", "T". Číselný index za písmenem charakterizuje průměrnou velikost částic sazí až v desítkách nanometrů . Poslední dva digitální indexy byly vybrány při schvalování značky.
Hlavní fyzikální a chemické vlastnosti indikátorů sazí podle GOST jsou uvedeny níže:

Klasifikace ASTM D1765 je založena na schopnosti určitých druhů sazí měnit rychlost vytvrzování kaučukových směsí . Podle čeho jsou značkám přiřazeny písmenné indexy „N“ (s normální rychlostí vulkanizace) a „S“ (s pomalou rychlostí vulkanizace, z anglického „slow“ – pomalý). Digitální index za písmenem je číslo skupiny značek podle průměrné specifické plochy povrchu . Poslední dva digitální indexy byly vybrány při schvalování značky.
Norma popisuje (od roku 2006 ) 43 druhů sazí, z nichž index „S“ má 2.
Hlavní fyzikální a chemické vlastnosti indikátorů typických druhů sazí podle ASTM jsou uvedeny níže:

Vliv člověka

Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny v současnosti posuzuje, že saze jsou možným lidským karcinogenem, a proto jsou klasifikovány jako karcinogen skupiny 2B. Krátkodobé vystavení vysokým koncentracím sazího prachu může způsobit nepříjemné pocity v horních cestách dýchacích v důsledku mechanického podráždění.

Přední výrobci

• Podíl předních výrobců sazí na světové produkci je: " Birla " - 14,8 %; " Cabot Corporation " - 14,2 %; Orion Engineered Carbons ( dříve Degussa ) - 9,5 %;

• Hlavní domácí výrobci: " Rostlina na saze (Omsk) " - 40 %; " Yaroslavsky saze " - 32%; Nizhnekamsktehuglerod - 17%.

Celosvětová produkce sazí v roce 2009 byla asi 10 000 000 tun.

Viz také

• Uhlík
• Saze
• bílé saze
• Aktivní uhlí

Poznámky

Literatura

• V. I. Ivanovský. Technický uhlík. Procesy a přístroje: učebnice. - Omsk: OAO "Tekhuglerod", 2004.
• V. I. Beryozkin. Uhlík: uzavřené nanočástice, makrostruktury, materiály. - Petrohrad: ARTEGO, 2013. - 450 s. — ISBN 978-5-91014-051-0