Электропроводящий технический углерод

Технический углерод, состоящий из первичного углерода , имеет сферическую форму и собран в агрегаты и агломераты. Он отличается от других форм углерода ( алмаза , графита , кокса ) сложной конфигурацией, коллоидными размерами и квазиграфитовой структурой. Чистота и состав технического углерода практически не содержат неорганических загрязнителей и экстрагируемых органических веществ. ^[1]^[2]^[3]

Между этими двумя терминами проводится различие:

Углеродная сажа – специально полученный вид углерода методом неполного сгорания с ограниченным доступом кислорода. В статье рассматривается этот вид углерода .
Сажа – продукт сгорания вспомогательного топлива (угля, углеводородов, сырой нефти), который считается опасным веществом с канцерогенными свойствами. ^[4]

Технический углерод можно охарактеризовать как вещество с содержанием аморфного углерода более 97%. Он широко используется во многих областях промышленной химии. Его часто используют в промышленности по производству пластмасс и резины, где он улучшает электропроводность и электромагнитные или термопроводящие характеристики пластмасс и резин. Благодаря своим пигментирующим свойствам его также используют для производства специальных печатных красок, красок и лаков. Благодаря своей развитой пористой структуре он также используется в качестве носителя катализатора, а его выдающиеся сорбционные свойства используются, например, для улавливания газообразных загрязняющих веществ на мусоросжигательных заводах. ^[3]^[2]^[1]^[5]

Технический углерод преимущественно включает в себя проводящий тип углерода, который сочетает в себе чрезвычайно высокую удельную поверхность и широко развитую структуру – микропористость . В то же время он состоит из частиц первичного углерода и отличается высокой степенью агрегации. Группировка технического углерода облегчает образование проводящей структуры в пластмассах, резинах и других композитах. Эти характеристики предопределяют основную область применения электропроводящего технического углерода – модификацию электропроводности практически всех видов пластмасс путем добавления относительно небольшого количества технического углерода. Такие модификации можно использовать для множества целей: от установления антистатических свойств до регулирования проводимости полимера. Еще одним ценным свойством электропроводящей сажи является ее превосходная способность поглощать УФ-излучение видимого спектра, например, в качестве УФ-стабилизатора для пластмассовых материалов, пигментов в чернилах для принтеров, красках и лаках или для окраски пластмасс, резин и герметиков. ^[3]^[2]^[1]^[5]

Производство

Углеродная сажа возникает как побочный продукт так называемого частичного окисления, процесса, во время которого остатки сырой нефти, такие как вакуумные остатки перегонки сырой нефти или остатки процесса термического крекинга, расщепляются под воздействием смеси кислорода и водяной пар при высоких температурах около 1300 °C. ^[3]^[5]^[4]^[6]

Частичное окисление различного сырья всегда создает газовую смесь, содержащую CO, CO ₂ , H ₂ O, H ₂ , CH ₄ и H ₂ S и COS, образующийся из сернистых соединений. Углеродная сажа образуется как нежелательный побочный продукт. Количество технического углерода растет по мере увеличения молекулярной массы впрыска. Газификация метана дает ок. 0,02% масс., остатки газификации сырой нефти ок. 1-3% масс. ^[3]^[4]^[5]^[6]

Во время соответствующего процесса углеродная сажа улавливается в воду методом очистки, в результате чего образуется сажа. Образующаяся техуглеродная вода с содержанием сажи 7–15 г/л далее перерабатывается на производстве в несколько видов углеродсодержащих субстратов. Основной принцип производства заключается в выделении углерода из воды с помощью грануляционного бензина, при котором интенсивная гомогенизация приводит к переходу углерода из водной фазы в органическую, т.е. превращению водно-углеродной суспензии в бензино-углеродную суспензию в виде углеродистых гранул. . Углеродистые гранулы впоследствии перерабатываются в готовый продукт – углеродистый субстрат. Пропорциональность двух сред в первую очередь зависит от содержания углерода, а также физико-химических свойств сажевой воды и грануляционного бензина. ^[5]^[4]

Виды электропроводящего технического углерода


Технический углерод ^[4]	НО	НА
проводящий (ок.)	120	100
сверхпроводящий (ок.	250	180
внепроводящий (около)	800–1200	300–400
сверхпроводящий	1300–1400	> 600

Физико-химические характеристики электропроводного технического углерода

Структура

Технический углерод в основном образуется из первичного углерода, но его структура гораздо менее упорядочена, чем, например, у графита. Углеродная сажа существует в виде дискретных частиц, однако в процессе производства ее сферические частицы, также называемые первичными частицами, группируются (агрегируют) в цепочки или кластеры. Эти агрегаты затем образуют мельчайшие единицы технического углерода. Они определяют так называемую первичную структуру. Первичная структура характеризуется следующим: размером первичных частиц, размером поверхности, размером и структурой агрегатов или химическим «составом» поверхности технического углерода. Эти характеристики определяют другие характеристики технического углерода, такие как адсорбционные свойства, плотность, электропроводность и поглощение УФ-излучения или видимого света. ^[3]^[2]^[1]^[5]^[7]

Поверхность

Наиболее важной характеристикой технического углерода является размер его первичных частиц и связанная с ними площадь поверхности. Размер первичных частиц описывает размер отдельных сферических частиц, образующих первичную структуру. Размер отдельных частиц определяют с помощью электронного микроскопа . Установлено, что чем мельче частицы, тем больше размер их поверхности. Размер частиц технического углерода составляет от 10 до 100 нм, а размер поверхностных частиц - от 20 до 1500 мкм. ²/г. Вообще говоря, мелкие частицы технического углерода с большой площадью поверхности темнее, имеют более высокую вязкость и меньшую смачиваемость, труднее диспергируются, сохраняют большую проводимость и хорошо поглощают УФ-излучение. ^[1]^[2]^[3]^[7]^[8]

Текстура

Другой важной характеристикой технического углерода является его структура и размер агрегатов. Размер и сложность агрегатной структуры определяются объемом сферических первичных частиц технического углерода, которые группируются вместе в процессе производства. Очень сложная структура технического углерода состоит из разветвленных цепей со множеством вторично созданных пространств в совокупности. С другой стороны, агрегатная структура, которая развита лишь немного, представляет собой меньшие скопления сферических частиц и, следовательно, также меньшие пространства внутри агрегата. Агрегатная структура не зависит от размера частиц. Установлено, что частицы одного и того же размера могут иметь агрегаты совершенно разной структуры. Вообще говоря, технический углерод, имеющий высокоразвитую и сложную структуру, легче диспергируется, имеет меньшую смачиваемость, более высокую электропроводность и более высокую вязкость. ^[3]^[2]^[1]^[5]

Характеристики поверхности

Еще одной примечательной характеристикой является химический состав поверхности технического углерода. хемосорбированные комплексы, содержащие кислород, например карбоксильные , хиноновые или фенольные На поверхности сажи появляются группы. Эти группы, содержащие кислород, могут существенно влиять на химическую реакционную способность, смачиваемость, каталитические характеристики технического углерода, электропроводность и т. д. ^[3]^[2]^[1]

Изображение: Схема структуры технического углерода и создания текстуры.

Приложения

Композитные приложения ^[9]^[4]^[7]^[10]^[11]

полимеры (компаунды, концентраты)
смолы
резины
лаки , краски, клеи , такие как электрическая краска Bare Conductive, которую можно использовать в качестве окрашенного резисторного элемента, емкостного электрода или в качестве проводника в конструкциях, допускающих высокое удельное сопротивление при создании цепей, а также наносить краской на перчатки, чтобы обеспечить люди будут использовать сенсорные экраны в холодную погоду.

Производители электропроводящего технического углерода

В число основных мировых производителей электропроводящего технического углерода входят UNIPETROL (Chezacarb), CABOT Corporation (Vulcan), DEGUSSA (Printex), AKZO-Nobel (Ketjenblack), TIMCAL (Ensaco), BIRLA CARBON (Conductex) и ORION ENGINEERED CARBONS (XPB). ). ^[11]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Пантеа, Дана; Дармштадт, Ганс; Калиагин, Серж; Рой, Кристиан (15 июля 2003 г.). «Электрическая проводимость проводящих саж: влияние химии поверхности и топологии». Прикладная наука о поверхности . 217 (1): 181–193. Бибкод : 2003ApSS..217..181P . дои : 10.1016/S0169-4332(03)00550-6 . ISSN 0169-4332 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Пробст, Николаус; Гривей, Эусебиу (01 февраля 2002 г.). «Структура и электрические свойства технического углерода». Карбон . Третья международная конференция по саже. 40 (2): 201–205. Бибкод : 2002Carbo..40..201P . дои : 10.1016/S0008-6223(01)00174-9 . ISSN 0008-6223 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Бурра, Ксавье (1 января 1993 г.). «Электропроводящие марки технического углерода: Структура и свойства». Карбон . 31 (2): 287–302. Бибкод : 1993Carbo..31..287B . дои : 10.1016/0008-6223(93)90034-8 . ISSN 0008-6223 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Климент, Йозеф (2008). Углеродная сажа . Злин: Чешская ассоциация промышленной химии. ISBN 978-80-02-02004-2 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Херинк, Томас; Рашка, Станислав; Необходимость, Фрэнсис; Кубал, Питер (2008). «Возможности применения сажи Чезакарб производства НПП «Юнипетрол». Химические листы: Химическая промышленность : 102.
^ Jump up to: ^а ^б "petroleum.cz, Производство водорода частичным окислением" . www.petroleum.cz . Архивировано из оригинала 11 марта 2019 г. Проверено 11 февраля 2019 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Уайли, Джон (1997). «Агломерация и электрическая перколяция технического углерода, диспергированного в эпоксидной смоле». Журнал прикладной науки: Прикладная наука о полимерах .
^ Чудаков Р.; Брейер, О.; Наркис, М.; Зигманн, А. (1996). «Смеси проводящих полимеров с низким содержанием технического углерода: полипропилен / полиамид». Журнал полимерной инженерии . 36 (10): 1336–1346. дои : 10.1002/pen.10528 . ISSN 0032-3888 .
^ Губбельс, Ф.; Джером, Р.; Тейсси, доктор философии; Ванлатем, Э.; Дельтур, Р.; Кальдероне, А.; Паренте, В.; Бредас, Дж.Л. (1 мая 2002 г.). «Селективная локализация технического углерода в несмешивающихся полимерных смесях: полезный инструмент для создания электропроводных композитов». Макромолекулы . 27 (7): 1972–1974. дои : 10.1021/ma00085a049 .
^ Губбельс, Р.; и коллективный (1994). «Селективная локализация технического углерода в несмешивающихся полимерных смесях: полезный инструмент для создания электропроводных композитов». Макромолекулы . 27 (7): 1972–1974. Бибкод : 1994МаМол..27.1972Г . дои : 10.1021/ma00085a049 .
^ Jump up to: ^а ^б «Мировой рынок проводящих углеродных саж». Консалтинговая группа Нотч . 2012.

Внешние ссылки

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Пантеа, Дана; Дармштадт, Ганс; Калиагин, Серж; Рой, Кристиан (15 июля 2003 г.). «Электрическая проводимость проводящих саж: влияние химии поверхности и топологии». Прикладная наука о поверхности . 217 (1): 181–193. Бибкод : 2003ApSS..217..181P . дои : 10.1016/S0169-4332(03)00550-6 . ISSN 0169-4332 .

[:1-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Пробст, Николаус; Гривей, Эусебиу (01 февраля 2002 г.). «Структура и электрические свойства технического углерода». Карбон . Третья международная конференция по саже. 40 (2): 201–205. Бибкод : 2002Carbo..40..201P . дои : 10.1016/S0008-6223(01)00174-9 . ISSN 0008-6223 .

[:2-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Бурра, Ксавье (1 января 1993 г.). «Электропроводящие марки технического углерода: Структура и свойства». Карбон . 31 (2): 287–302. Бибкод : 1993Carbo..31..287B . дои : 10.1016/0008-6223(93)90034-8 . ISSN 0008-6223 .

[:3-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Климент, Йозеф (2008). Углеродная сажа . Злин: Чешская ассоциация промышленной химии. ISBN 978-80-02-02004-2 .

[:4-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Херинк, Томас; Рашка, Станислав; Необходимость, Фрэнсис; Кубал, Питер (2008). «Возможности применения сажи Чезакарб производства НПП «Юнипетрол». Химические листы: Химическая промышленность : 102.

[:5-6] Jump up to: ^а ^б "petroleum.cz, Производство водорода частичным окислением" . www.petroleum.cz . Архивировано из оригинала 11 марта 2019 г. Проверено 11 февраля 2019 г.

[:6-7] Jump up to: ^а ^б ^с Уайли, Джон (1997). «Агломерация и электрическая перколяция технического углерода, диспергированного в эпоксидной смоле». Журнал прикладной науки: Прикладная наука о полимерах .

[8] Чудаков Р.; Брейер, О.; Наркис, М.; Зигманн, А. (1996). «Смеси проводящих полимеров с низким содержанием технического углерода: полипропилен / полиамид». Журнал полимерной инженерии . 36 (10): 1336–1346. дои : 10.1002/pen.10528 . ISSN 0032-3888 .

[9] Губбельс, Ф.; Джером, Р.; Тейсси, доктор философии; Ванлатем, Э.; Дельтур, Р.; Кальдероне, А.; Паренте, В.; Бредас, Дж.Л. (1 мая 2002 г.). «Селективная локализация технического углерода в несмешивающихся полимерных смесях: полезный инструмент для создания электропроводных композитов». Макромолекулы . 27 (7): 1972–1974. дои : 10.1021/ma00085a049 .

[10] Губбельс, Р.; и коллективный (1994). «Селективная локализация технического углерода в несмешивающихся полимерных смесях: полезный инструмент для создания электропроводных композитов». Макромолекулы . 27 (7): 1972–1974. Бибкод : 1994МаМол..27.1972Г . дои : 10.1021/ma00085a049 .

[:7-11] Jump up to: ^а ^б «Мировой рынок проводящих углеродных саж». Консалтинговая группа Нотч . 2012.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]