ХИМИЯ НЕФТИ

Понятие технического углерода

Технический углерод (сажа) - это разновидность углеродного материала, представляющего собой полидисперсный порошок черного цвета, получаемый при неполном сгорании или при термическом разложении углеродсодержащих веществ, преимущественно углеводородов, в интервале температур от 1200 до 1700°С. Технический углерод может получаться и при более высоких температурах, например, в низкотемпературной плазме. Основным элементом ТУ является углерод (95-99,5%), кроме того, в ТУ содержатся водород (0,2-0,9%), сера (0,01-1,2%), кислород (0,1-5%) и зола до 0,3% в зависимости от состава сырья и технологии получения.

Получение технического углерода

Частицы ТУ в зависимости от способа получения (прежде всего от температуры и продолжительности процесса) имеют размеры в диапазоне от 9 до 300 нм и более. Частицы химически связаны между собой в цепочки и образуют агрегаты, которые, в свою очередь, могут связываться в рыхлые цепные образования - агломераты. Линейные размеры агрегатов в зависимости от структурности ТУ могут достигать нескольких сотен и тысяч нанометров. По строению агрегатов, по плотности упаковки судят о структурности ТУ, количественно оцениваемой абсорбцией дибутилфталата. Частицы слагаются из кристаллитов (до 60-80%) и структурно-неупорядоченного углерода. Краевые атомы кристаллитов насыщены водородом или углеводородными радикалами и функциональными группами. В зависимости от типа ТУ размеры кристаллитов определяются набором значений в направлении, параллельном слою, в пределах 1,5-3,0 нм, перпендикулярном слою - 1,0-2,0 нм.

Наиболее распространенным способом получения ТУ является печной (свыше 90%), осуществляемый в реакторах в течение нескольких миллисекунд. Процесс заключается в испарении и горении углеводородного сырья и топлива, их термическом разложении и последующем взаимодействии частиц ТУ с газообразными продуктами реакций.

Менее распространенным является термический способ, в котором происходит разложение углеводородов без доступа воздуха (окислителя). Выход ТУ в зависимости от сырья и технологии составляет до 70% (масс.) на сырье.

Сырьем для производства ТУ служат высокоароматизованные фракции переработки нефти и коксохимии, а также природные и попутные газы. Основным жидким сырьем являются газойли термического и каталитического крекинга, смолы пиролиза и ароматические экстракты, а также продукты переработки угля (антраценовая и хризеновая фракции, антраценовое масло и пековые дистилляты). Процесс удается существенно интенсифицировать, а свойства ТУ модифицировать использованием различных присадок и добавок.

Свойства и применение технического углерода

Основные показатели ТУ:

• размер частиц (оцениваемых дисперсностью);
• структурность;
• химические свойства поверхности

Свойства ТУ в первую очередь определяются параметрами процесса и сырьевыми факторами. С увеличением ароматизованности сырья (числа ароматических колец и содержания углерода в циклических структурах) возрастает выход и повышается качество ТУ. Дисперсность ТУ является функцией температуры, с повышением которой увеличивается дисперсность и снижается выход. ТУ с повышенной дисперсностью (до определенного предела) обладает большим усиливающим действием, что используется при производстве резин. В настоящее время в мире производится более 7 млнт/год ТУ различного назначения.

Основными потребителями являются резиновая промышленность и промышленность пластических масс (свыше 90%).

Остальное приходится на использование:

• в качестве пигмента в полиграфической, лакокрасочной промышленности;
• в копировальной и множительной технике;
• для получения бумаги специальных сортов;
• в производстве сплавов;
• в производстве электроугольных изделий;
• в производстве гальванических элементов, карандашей, взрывчатых веществ и др.