Тема 2.2. Строение сажи

Сажа состоит из сажевых частиц. Их размер составляет 100-3000 А (ангстрем - 10^-10 м). Между собой частицы объединены в сажевую структуру.

Сферическая сажа состоит из графита и является непористой. Состав сажи отличается от состава кокса: углерода - 92-99 %, водорода – 0,3-0,5% , кислорода – до 10%, серы – 0,1- 1,1%, минеральные примеси – до 0,5%

Истинная плотность ТУ довольно высока и составляет 1,760-1,900 кг/м³, тогда как насыпная плотность от 30 до 70 кг/м³, т.е. в 1 м³порошка ТУ объем самого ТУ – 5-20%, а остальное – воздух. Для удобства транспортирования и использования технический углерод гранулируют до плотности 300—600 кг/м³.

Структура сажи представляет собой беспорядочный набор отдельных кристаллитов, состоящих из 3-7 параллельных плоских решеток атома углерода. В каждом слое кристаллита атомы углерода расположены в вершинах 6-ти угольников. Расстояние между противоположными вершинами 2,45-2,58 ^оА, а между слоями 3,45-3,65 ^оА. К атомам углерода, расположенным на краях плоскостей и имеющих свободные валентности могут присоединяться цепи неупорядоченных в кристаллическую структуру атомы С, а также водород, кислород, сера. Таким образом, технический углерод кроме кристаллической фазы содержит и аморфную часть.

Размер частиц (13—120 нм) определяет «дисперсность» техуглерода. Физико-химическим показателем, характеризующим дисперсность, является удельная поверхность. Поверхность частиц обладает шероховатостью, за счёт наползающих друг на друга слоёв. Мерой шероховатости служит соотношение между показателями удельной поверхности техуглерода и его йодным числом (поскольку йодное число определяет полную поверхность частиц с учётом шероховатостей).

Частицы в процессе получения объединяются в так называемые «агрегаты», характеризуемые «структурностью» — разветвлённостью — мерой которой служит показатель абсорбции масла (масляное число). Агрегаты слипаются в менее прочные образования — «хлопья».

Техуглерод обладает высокоразвитой поверхностью (5—150 м²/г), со значительной активностью. На поверхности обнаруживаются так называемые концевые группы (-COOH, -CHO, -OH, -C(O)-O-, -C(O)-), а также сорбированные остатки неразложившихся углеводородов. Их количество напрямую зависит от способа получения и последующей обработки углеродных частиц. Для получения пигментов часто частицы техуглерода подвергают окислительной обработке кислотами.

Тема 2.3. Физико-химические свойства технического углерода

В первую очередь для технического углерода оцениваются размер сажевых частиц (дисперсность) и степень разветвленности сажевых структур (структурированность).

Масляное число. Масляное число характеризует степень разветвленности сажевых цепочек или структурированности сажи. Определяется по количеству нелетучей жидкости, химически не взаимодействующей с техническим углеродом, поглощаемой 100 г технического углерода при растирании с этой жидкостью до однородной пасты. Масляное число выражается в мл/100 г технического углерода.

Структурированность сажевых цепочек зависит от качества сырья и условий проведения технологического процесса. Так, структурированность повышается с увеличением температуры процесса сажеобразования, с уменьшением количества воздуха, подаваемого на распыление, с увеличением содержания ароматических углеводородов в сырье и степени их ароматизированности. В то же время, структурированность снижается с увеличением продолжительности пребывания технического углерода в зоне высоких температур, с увеличением коксуемости сырья и повышением в нем содержания минеральных примесей.

По степени структурированности технический углерод классифицируется следующим образом:

-высокоструктурированный (сажевая цепочка включает более 100 частиц);

-среднеструктурированный (сажевая цепочка включает от 60 до 100 частиц);

-низкоструктурированный (сажевая цепочка включает менее 60 частиц, обычно 40-60).

Удельная поверхность. Удельная поверхность – основной показатель качества технического углерода, т. к. она характеризует усиливающее действие сажи на каучук. Технический углерод состоит из шарообразных частиц, объединенных между собой в сажевые цепочки. Удельная поверхность непосредственно связана с величиной частиц, составляющих сажевую цепочку или степенью дисперсности технического углерода . Чем меньше размер частиц технического углерода, тем больше его удельная поверхность.

Удельной поверхностью углеродных материалов называется суммарная поверхность (м²) всех частиц, содержащихся в 1 г исследуемого материала [м²/г]. Величина частиц и, соответственно, удельная поверхность для различных марок ТУ изменяется в широких пределах:

-высокодисперсные ТУ - средний диаметр частиц 90-110 А^о, удельная поверхность – 200-250 м²/г;

-низкодисперсные ТУ - средний диаметр частиц 2800-3200 А^о, удельная поверхность – 12-20 м²/г.

Дисперсность связана с усиливающим действием сажи: чем меньше размер сажевых частиц, тем выше удельная поверхность. При размере частиц 150 А удельная поверхность S_уд=160 м²/г; при размере частиц 300 А - S_уд=100 м²/г; при размере частиц 1000 А - S_уд=20 м²/г.

По усиливающему действию сажа делится на три типа:

1. Активная. Прочность на разрыв более 200 кг/см²

2. Полуактивная. Прочность на разрыв 140-200 кг/см².

3. Малоактивная. С ее помощью получают каучуки с прочностью на разрыв менее 40 кг/см². О степени дисперсности судят по величине адсорбции.

По степени структурированности различают:

1. Низкоструктурированная сажа. Масляное число 70-80. Это обычно термическая сажа.

2. Среднеструктурированная сажа. Масляное число 80-100. Печные, канальные сажи.

3. Высокоструктурированная сажа. Масляное число выше 100. Печная, канальная, форсуночная, ацетиленовая сажа.

рН водной суспензии. Этот показатель характеризует свойства поверхности сажевых частиц (шероховатость), наличие на их поверхности соединений кислорода. рН водной суспензии сажи уменьшается с увеличением продолжительности пребывания в зоне высоких температур и возрастает с повышением содержания солей в воде, подаваемой на охлаждение в зону закалки.

Содержание серы. Сера в техническом углероде (ТУ) содержится в виде химических соединений с углеродом и зависит от ее содержания в сырье. В ТУ может переходить до 40% серы сырья. Допустимое содержание серы в сырье – не более 2,2%.

Содержание влаги. Влага в ТУ содержится в небольших количествах и зависит от способа гранулирования порошка сажи. При сухом гранулировании ≈ 0,1%, при мокром ≈ 1,0%.

Содержание золы. Этот показатель определяет содержание минеральных

примесей в сырье, но главным образом, в технической воде, идущей на охлаждение сажи. Содержание золы не должно превышать 0,1-0,5%.

Оптическая плотность толуольного экстракта. Этот показатель характеризует наличие следов неразложившегося сырья на поверхности сажи и свидетельствует о характере протекания технологического процесса получения ТУ.