When it comes to carbon black, most people may think it is just a pigment. Carbon black is an essential industrial raw material. It is commonly found in daily life. So how is carbon black closely related to our lives? What role does carbon black play in industry? What is the role of carbon black and what is its main use?
ต่อไปบรรณาธิการจะกล่าวถึงประเด็นสำคัญ 10 ประการเกี่ยวกับคาร์บอนแบล็ก:
- คาร์บอนแบล็คคืออะไร
- การพัฒนาทางประวัติศาสตร์ของมัน
- การเติบโตของอุตสาหกรรมคาร์บอนแบล็ค
- คาร์บอนแบล็คนำมาใช้อย่างไร?
- คาร์บอนแบล็คประเภทต่างๆ
- โครงสร้างและหน้าที่ของมัน
- ขั้นตอนการผลิต
- โอกาสและความท้าทายในอุตสาหกรรม
- การพัฒนาอุตสาหกรรม
- วิธีการเลือกคาร์บอนแบล็คและการใช้งานหลัก
นี่จะช่วยให้คุณเข้าใจเกี่ยวกับคาร์บอนแบล็ก วัตถุดิบทางอุตสาหกรรมที่สำคัญ
คาร์บอนแบล็คคืออะไร?
คาร์บอนแบล็กเป็นคาร์บอนอสัณฐานชนิดหนึ่ง เป็นผงสีดำที่เบา หลวม และละเอียดมาก อาจดูเหมือนเถ้าก้นหม้อ คาร์บอนแบล็กมาจากการเผาไหม้หรือการสลายตัวที่ไม่สมบูรณ์ของวัสดุที่มีคาร์บอนสูง ได้แก่ ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ น้ำมันหนัก และน้ำมันเชื้อเพลิง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออากาศไม่เพียงพอ
Carbon black is mainly composed of carbon. It is the earliest developed, applied and currently produced nanomaterial by humans. Its basic particle size is between 10-100nm. It has excellent rubber reinforcement, coloring, conductivity or antistatic and ultraviolet absorption functions. It is listed as one of the 25 basic chemical products and fine chemical products in the international chemical field. The carbon black industry plays a key role in the tire and dyeing industries. It also enhances the quality of everyday products.
พัฒนาการทางประวัติศาสตร์ของคาร์บอนแบล็ก
คาร์บอนแบล็กเป็นผลิตภัณฑ์ปิโตรเคมีที่สำคัญอย่างหนึ่งที่ผู้คนรู้จักในปัจจุบัน ในสมัยโบราณ คาร์บอนแบล็กถูกเรียกว่า “tái” หรือ “เขม่าควัน” หรือ “ควันสน” ชื่อ “tái” ถูกใช้จนถึงปลายศตวรรษที่ 19 ตั้งแต่การเกิดขึ้นของอุตสาหกรรมคาร์บอนแบล็กในปี 1872 คำนี้ค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยคำว่า “คาร์บอนแบล็ก”
คาร์บอนแบล็กมีประวัติศาสตร์ยาวนานมาก ตามบันทึกระบุว่าจีนเป็นหนึ่งในประเทศแรกๆ ของโลกที่ผลิตคาร์บอนแบล็ก ในสมัยโบราณ ผู้คนเผาสัตว์และพืชด้วยน้ำมัน รวมถึงกิ่งสน พวกเขารวบรวมขี้เถ้าสีดำที่ได้จากควัน จากนั้นขี้เถ้าเหล่านี้จะถูกนำไปใช้ทำหมึกและเม็ดสีดำ จารึกกระดูกพยากรณ์ของราชวงศ์ซางมีอายุกว่าสามพันปี พวกเขาใช้ "เขม่าควัน" แทนหมึก แผ่นไม้ไผ่โบราณในประเทศของฉันก็เขียนด้วยหมึกเช่นกัน
รอยประทับของคาร์บอนแบล็คในประวัติศาสตร์จีน
ในช่วงสามก๊ก Cao Zhi ได้บันทึกไว้ว่า “หมึกมาจากควันของต้นสนเขียว” ในสมัยราชวงศ์จิ้น การผลิตควันสนและคาร์บอนแบล็กด้วยมือได้กลายเป็นเรื่องธรรมดาไปแล้ว ในสมัยราชวงศ์ถังใต้ ประเทศของฉันได้เริ่มใช้น้ำมันทังและน้ำมันจากสัตว์และพืชอื่นๆ เมื่ออากาศไม่เพียงพอ น้ำมันก็จะไม่เผาไหม้หมด ทำให้คาร์บอนแบล็กก่อตัวและสะสมอยู่ใต้ชามควันเซรามิก ทำให้เกิดคาร์บอนแบล็กคุณภาพสูง ในบทประพันธ์ “Yunlu Manchao” ของ Zhao Yanwei จากสมัยราชวงศ์ซ่ง ระบุว่าเมื่อไม่นานนี้ คนงานหมึกใช้รางน้ำ
พวกเขาใส่น้ำไว้ในนั้นแล้ววางกะละมังและชามไว้ตรงกลาง จากนั้นพวกเขาจุดน้ำมันทังและปิดทับด้วยชาม คนพิเศษคนหนึ่งกวาดไม้ขีดไฟ ผสมกับกาววัว และนวด วิธีนี้รวดเร็วและสะดวกมาก และเรียกว่าควันน้ำมัน นี่คือกระบวนการเผาน้ำมันทังเพื่อทำหมึก จะเห็นได้ว่าในสมัยนั้นมีโรงงานหัตถกรรมที่เชี่ยวชาญในการเผาควันเพื่อทำหมึก ในเวลานั้นผลผลิตต่ำ ซึ่งหมายความว่าการผลิตหมึกไม่มีประสิทธิภาพ ทำให้มีราคาแพงมาก ซู่ตงโพถ่ายทอดสิ่งนี้ไว้ในบทกวีของเขา: “เก็บถ่านเบา ๆ จากหน้าต่างหนังสือ กวาดกลิ่นหอมที่เหลืออยู่ในเต็นท์ของพระพุทธเจ้า” “ทำงานหนักมาพันคืน ฉันก็จะได้หยกหนึ่งนิ้วนี้”
การเติบโตของอุตสาหกรรมคาร์บอนแบล็ค
ในปี พ.ศ. 2364 ผู้คนใช้ก๊าซธรรมชาติเป็นวัตถุดิบในการผลิตคาร์บอนแบล็กเป็นครั้งแรกในอเมริกาเหนือ ตั้งแต่นั้นมา คาร์บอนแบล็กไม่ได้เป็นเพียง "เขม่า" อีกต่อไป
ในปี พ.ศ. 2415 โลกได้ตระหนักถึงการผลิตคาร์บอนแบล็กในระดับอุตสาหกรรม และคำว่า "คาร์บอนแบล็ก" ก็ปรากฏขึ้นในเวลาเดียวกัน แหล่งน้ำมันและก๊าซถูกขุดขึ้นมาทีละแห่ง การจัดหาวัตถุดิบอย่างต่อเนื่องนี้ทำให้การผลิตคาร์บอนแบล็กเปลี่ยนไป จากการทำงานด้วยมือเป็นอุตสาหกรรมขนาดใหญ่
ในปีพ.ศ. 2447 British Mote ค้นพบว่าคาร์บอนแบล็กมีประสิทธิภาพดีกว่าซิงค์ออกไซด์ในการเสริมแรงยาง
ในปีพ.ศ. 2455 บริษัท Goodyear แห่งสหรัฐอเมริกาได้นำคาร์บอนแบล็กเป็นวัสดุเสริมแรงสำหรับยางรถยนต์เป็นครั้งแรก
ในช่วงต้นปี ค.ศ. 1900 ยางส่วนใหญ่มักเป็นสีขาวหรือสีแดง ยางสามารถใช้งานได้ประมาณ 3,000 กม. จากนั้นคาร์บอนแบล็กก็เข้ามาเปลี่ยนแปลงทุกสิ่งทุกอย่าง ปัจจุบันยางสามารถใช้งานได้มากกว่า 60,000 กม. คาร์บอนแบล็กทำให้ยางมีความแข็งแรงขึ้น ซึ่งช่วยให้การผลิตจำนวนมากเติบโตได้มาก
กระบวนการที่เฉพาะเจาะจงสามารถอธิบายสั้นๆ ได้ดังนี้:
1. ในช่วงต้นของอุตสาหกรรมคาร์บอนแบล็ก ก๊าซธรรมชาติใช้เป็นวัตถุดิบ วิธีการผลิตหลักคือกระบวนการผ่านช่องทาง อุปกรณ์มีขนาดใหญ่และมีผลผลิตต่ำ
2. คาร์บอนแบล็กจากเตาเผาในช่วงทศวรรษปี 1940 รวมถึงวิธีเตาเผาน้ำมันและวิธีเตาเผาแก๊ส วิธีการผลิตนี้ใช้อุปกรณ์น้อยกว่าและเพิ่มผลผลิต อย่างไรก็ตาม คุณภาพจะไม่สูงเท่ากับคาร์บอนแบล็กจากช่องทาง
3. ประเทศของฉันเริ่มผลิตคาร์บอนแบล็คในฟู่ชุนและเสฉวนในช่วงทศวรรษปี 1950 จากนั้นในช่วงทศวรรษปี 1960 เราได้เริ่มผลิตคาร์บอนแบล็คในเตาเผา ในปี 1985 โรงงานคาร์บอนแบล็คเทียนจินได้นำคอนติเนนตัลคาร์บอนแบล็คขนาด 15,000 ตันจากสหรัฐอเมริกาเข้ามา ซึ่งเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษปี 1980 และ 1990 ต่อมา โรงงานคาร์บอนแบล็คเทียนจิน โรงงานเคมีฟู่ชุน และสถาบันวิจัยคาร์บอนแบล็คได้เข้ามาปรับปรุงสายการผลิตใหม่
การใช้คาร์บอนแบล็ก
การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมยาง
มากกว่า 90% ของคาร์บอนแบล็กทั้งหมดที่ผลิตขึ้นจะถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมยาง คาร์บอนแบล็กส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตยางประเภทต่างๆ ได้แก่ ยางรถยนต์ รถแทรกเตอร์ เครื่องบิน และจักรยาน ยางรถยนต์ทั่วไปต้องการคาร์บอนแบล็กประมาณ 10 กิโลกรัม คาร์บอนแบล็กส่วนใหญ่ที่ใช้ในยางจะถูกนำไปใช้ในการผลิตยาง โดยมีปริมาณมากกว่า 75% ส่วนที่เหลือจะถูกนำไปใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ยางอื่นๆ เช่น เทป ท่อยาง และรองเท้า ในอุตสาหกรรมยาง การบริโภคคาร์บอนแบล็กอยู่ที่ประมาณ 40-50% ของการใช้ยางทั้งหมด
เหตุใดจึงใช้คาร์บอนแบล็คมากที่สุดในยาง?
เหตุผลที่ใช้คาร์บอนแบล็กในปริมาณมากในยางก็เพราะคาร์บอนแบล็กมีคุณสมบัติที่เรียกว่า “การเสริมแรง” ที่ยอดเยี่ยม คาร์บอนแบล็กพบครั้งแรกในยางธรรมชาติในปี 1914 ปัจจุบันได้รับการยืนยันแล้วว่าคาร์บอนแบล็กมีความสำคัญมากกว่าในการเสริมแรงยางสังเคราะห์ ประโยชน์หลักของคาร์บอนแบล็กในยางคือประสิทธิภาพการสึกหรอที่ดีขึ้นสำหรับดอกยาง ยางที่มีคาร์บอนแบล็ก 30% สามารถอยู่ได้ระหว่าง 48,000 ถึง 64,000 กิโลเมตร ในทางตรงกันข้าม ยางที่ใช้สารตัวเติมที่ไม่เสริมแรงในปริมาณเท่ากันจะมีอายุเพียง 4,800 กิโลเมตร คาร์บอนแบล็กเสริมแรงยังช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของผลิตภัณฑ์ยาง ซึ่งรวมถึงการปรับปรุงความแข็งแรงในการดึงและความแข็งแรงในการฉีกขาด
การเติมคาร์บอนแบล็กลงในยางผลึก เช่น ยางธรรมชาติหรือคลอโรพรีน สามารถเพิ่มความแข็งแรงในการดึงของยางที่ผ่านการวัลคาไนซ์ได้ 1 ถึง 1.7 เท่า สำหรับยางที่ไม่เป็นผลึก เช่น สไตรีนบิวทาไดอีน หรือยางไนไตรล์ ความแข็งแรงอาจเพิ่มขึ้นได้ 4 ถึง 12 เท่า
ในอุตสาหกรรมยาง ควรเลือกประเภทของคาร์บอนแบล็กและปริมาณให้เหมาะสมกับการใช้งานของผลิตภัณฑ์และเงื่อนไขที่ผลิตภัณฑ์จะเผชิญ สำหรับดอกยาง ความทนทานต่อการสึกหรอเป็นสิ่งสำคัญที่สุด คุณต้องใช้คาร์บอนแบล็กเสริมแรงสูง ตัวเลือก ได้แก่ คาร์บอนแบล็กที่ทนทานต่อการสึกหรอสูง คาร์บอนแบล็กที่ทนทานต่อการสึกหรอปานกลางถึงสูง หรือคาร์บอนแบล็กที่ทนทานต่อการสึกหรอสูง นอกจากนี้ ยางดอกยางและโครงยางควรใช้คาร์บอนแบล็กที่มีการสูญเสียฮิสเทอรีซิสต่ำและสร้างความร้อนได้น้อย
การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมหมึก
คาร์บอนแบล็คเป็นวัตถุดิบหลักของหมึกพิมพ์สีดำ หมึกพิมพ์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้คาร์บอนแบล็คคุณภาพสูง หมึกพิมพ์ที่ทำจากคาร์บอนแบล็คคุณภาพสูงจะมีลายมือที่ชัดเจนและสีสันสดใส หมึกเหล่านี้ส่งผลต่อคุณภาพการพิมพ์หนังสือพิมพ์และนิตยสารเป็นอย่างมาก ซึ่งสิ่งนี้เชื่อมโยงกับชีวิตทางวัฒนธรรมของผู้คน หมึกพิมพ์สมัยใหม่มีหลายประเภทซึ่งมีการใช้งานที่หลากหลาย ในจำนวนนั้น คาร์บอนแบล็คสำหรับหมึกข่าวคิดเป็นประมาณ 70% ของคาร์บอนแบล็คสำหรับหมึกทั้งหมด หมึกข่าวมีคาร์บอนแบล็ค 11-13% หมึกข่าวประมาณ 16 กิโลกรัมถูกบริโภคสำหรับหนังสือพิมพ์หนึ่งตันที่พิมพ์
คุณสมบัติพื้นฐานของคาร์บอนแบล็ก เช่น ขนาดของอนุภาคและพื้นที่ผิว มีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพและกระบวนการของหมึก
อุตสาหกรรมหมึกต้องการคาร์บอนแบล็กเพื่อตอบสนองความต้องการหลักหลายประการ:
- ความมืดดำ
- สีสัน
- ความคล่องตัว
- ความหนืด
- การอบแห้ง
- ทิกโซทรอปี
เนื่องจากวัตถุประสงค์การใช้งานที่แตกต่างกัน หมึกแต่ละชนิดจึงมีข้อกำหนดสำหรับคาร์บอนแบล็กที่แตกต่างกัน
การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมเคลือบผิว
Coating is what we usually call paint. Carbon black stands out for its stability against chemicals, light, and heat. This makes it better than other black inorganic pigments and organic black dyes. Carbon black is used in coatings. It has low reactivity, high blackness, good weather resistance, and strong tinting power. High-grade pigment carbon black is great for synthetic resin paint. It serves as a topcoat for cars. You can also use it as decorative paint for bicycles, sewing machines, and instruments. Conductive carbon black can serve as the primer for water-soluble electrophoretic coating.
การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมพลาสติก
คาร์บอนแบล็กส่วนใหญ่ใช้เป็นสีในพลาสติก พลาสติกที่มีคาร์บอนแบล็กจะทนต่อการเสื่อมสภาพจากความร้อน นอกจากนี้ ขนาดยังเปลี่ยนแปลงน้อยกว่า คาร์บอนแบล็กยังช่วยเพิ่มความแข็งแรง ความแข็ง การนำไฟฟ้า การนำความร้อน และความต้านทานการกัดกร่อน ที่สำคัญกว่านั้น คาร์บอนแบล็กยังช่วยป้องกันรังสี UV และมีฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระอีกด้วย โดยทั่วไปแล้ว ปริมาณคาร์บอนแบล็กในพลาสติกจะอยู่ที่ 1~2.75%
การใช้งานอื่น ๆ
คาร์บอนแบล็กมีประโยชน์หลายอย่าง นอกจากประโยชน์หลักแล้ว ยังพบได้ในแบตเตอรี่แห้งและผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีบทบาทในส่วนประกอบไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์อีกด้วย คุณจะพบคาร์บอนแบล็กได้ในโลหะผสมแข็ง กราไฟท์ที่มีความบริสุทธิ์สูง การพิมพ์และการย้อมสี นอกจากนี้ คาร์บอนแบล็กยังใช้ในการถ่ายภาพไฟฟ้าสถิตย์ ฟิล์มถ่ายภาพ และดินปืน คาร์บอนแบล็กยังพบได้ในซีเมนต์ หนัง จารบี การหล่อ การเกษตร และอื่นๆ อีกมากมาย ในภาคส่วนเหล่านี้ แม้ว่าคาร์บอนแบล็กที่ใช้จะมีปริมาณน้อย แต่ก็มักมีบทบาทสำคัญอย่างมาก
การจำแนกประเภทของคาร์บอนแบล็ก
การแบ่งประเภทตามการผลิต
แบ่งออกเป็นสีดำหลอด สีดำก๊าซ สีดำเตา และสีดำช่อง
การจำแนกตามการใช้งาน
คาร์บอนแบล็คมักจำแนกประเภทตามการใช้งาน:
- เม็ดคาร์บอนแบล็ค
- ยางคาร์บอนแบล็ค
- คาร์บอนแบล็คนำไฟฟ้า
- คาร์บอนแบล็คพิเศษ
คาร์บอนแบล็กสำหรับเม็ดสีจะถูกแบ่งประเภททั่วโลกตามความสามารถในการให้สี มี 3 ประเภท ได้แก่ คาร์บอนแบล็กที่มีเม็ดสีสูง คาร์บอนแบล็กที่มีเม็ดสีปานกลาง และคาร์บอนแบล็กที่มีเม็ดสีต่ำ การจำแนกประเภทนี้ใช้ตัวอักษรภาษาอังกฤษ 3 ตัว ตัวอักษร 2 ตัวแรกแสดงให้เห็นว่าคาร์บอนแบล็กสามารถให้สีได้ดีเพียงใด ตัวอักษรตัวสุดท้ายระบุว่าผลิตขึ้นอย่างไร
การจำแนกตามหน้าที่
แบ่งออกเป็น คาร์บอนแบล็กเสริมแรง คาร์บอนแบล็กระบายสี คาร์บอนแบล็กนำไฟฟ้า เป็นต้น
การจำแนกตามรุ่น
แบ่งออกเป็น N220, N330, N550, N660, N990, N110, N115, N234, N326, N339, N375, N539, N550, N880 เป็นต้น
| หมายเลขซีเรียล | ขนาดอนุภาคเฉลี่ย (นาโนเมตร) | ความหลากหลาย | คำย่อ |
| 1 | 1-10 | ||
| 2 | 11-19 | ทนทานต่อการสึกหรอเป็นพิเศษ | เซฟ |
| 3 | 20-25 | ทนทานต่อการสึกหรอปานกลาง | ไอซาฟ |
| 4 | 26-30 | ทนทานต่อการสึกหรอสูง | เอชเอเอฟ |
| 5 | 31-39 | อนุภาคละเอียด | เอฟเอฟ |
| 6 | 40-48 | การอัดรีดอย่างรวดเร็ว | ฟฟฟ |
| 7 | 49-60 | วัตถุประสงค์ทั่วไป | กบข. |
| 8 | 61-100 | กึ่งเสริมแรง | ส.รฟ. |
| 9 | 101-200 | อนุภาคละเอียดแตกร้าวจากความร้อน | เอฟที |
| 10 | 201-500 | อนุภาคขนาดกลางแตกร้าวเนื่องจากความร้อน | เอ็มที |
มาตรฐานการตั้งชื่อสากลสำหรับคาร์บอนแบล็ก:
คาร์บอนแบล็กสำหรับยางเคยถูกจำแนกตามขนาดอนุภาค แต่ปัจจุบันจำแนกตามพื้นที่ผิวไนโตรเจน นอกจากนี้ ความเร็วในการวัลคาไนเซชันและโครงสร้างของเม็ดสีคาร์บอนแบล็กก็มีความสำคัญเมื่อตั้งชื่อ โดยมี 4 ระบบ ตัวอักษรแรกในภาษาอังกฤษแสดงความเร็วในการวัลคาไนเซชันของสารประกอบยาง N หมายถึงความเร็วปกติ ส่วน S หมายถึงความเร็วช้า 3 ตัวถัดไปเป็นตัวเลขอาหรับ ตัวเลขแรกแสดงช่วงพื้นที่ผิวไนโตรเจนของคาร์บอนแบล็ก โดยมีตั้งแต่ 0 ถึง 9 คณะกรรมการ D24.41 จากสมาคมการทดสอบและวัสดุแห่งอเมริกาให้ตัวเลขที่สองและสาม ตัวเลขเหล่านี้แสดงระดับโครงสร้างของคาร์บอนแบล็ก ซึ่งสะท้อนถึงโครงสร้างสูงและต่ำโดยประมาณ โดยพิจารณาจากระดับการเลือก เมื่อเทียบกันแล้ว ยิ่งตัวเลขมากขึ้น โครงสร้างก็จะสูงขึ้น
แสดงภาพประกอบ:
คาร์บอนแบล็ก N330 เป็นคาร์บอนแบล็กที่ทนทานต่อการสึกหรอสูง N330 เป็นคาร์บอนแบล็กที่ทนทานต่อการสึกหรอสูงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ความต้านทานการสึกหรอของผลิตภัณฑ์นี้จะต่ำกว่าคาร์บอนแบล็กซีรีส์ที่ทนทานต่อการสึกหรอสูงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ดีกว่าคาร์บอนแบล็กแบบช่อง ผลิตภัณฑ์นี้ใช้สำหรับดอกยาง ยางเส้น แก้มยาง และผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมยางต่างๆ ผลิตภัณฑ์นี้เป็นคาร์บอนแบล็กที่เสริมความแข็งแรงให้กับยาง ช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการดึง ความต้านทานการฉีกขาด ความต้านทานการสึกหรอ และความยืดหยุ่น การสูญเสียการกลิ้งของยางสำหรับผู้โดยสารที่ใช้ผลิตภัณฑ์นี้มากกว่า N351 ในซีรีส์ N300 อย่างไรก็ตาม น้อยกว่าประเภทอื่นๆ มีคุณสมบัติในการกระจายและการอัดรีดที่ดีในสารประกอบยาง ทำงานได้ดีกับทั้งยางสังเคราะห์และยางธรรมชาติ
โครงสร้างและหน้าที่ของคาร์บอนแบล็ก
โครงสร้างของคาร์บอนแบล็กแสดงโดยระดับที่อนุภาคคาร์บอนแบล็กรวมตัวกันเป็นโซ่หรือองุ่น คาร์บอนแบล็กที่มีโครงสร้างสูงประกอบด้วยมวลรวม มวลรวมเหล่านี้มีขนาด รูปร่าง และจำนวนอนุภาคที่แตกต่างกัน ค่าการดูดซับน้ำมันมักใช้เพื่อระบุโครงสร้าง ค่าการดูดซับน้ำมันที่สูงขึ้นหมายความว่าคาร์บอนแบล็กมีโครงสร้างที่ใหญ่กว่า โครงสร้างนี้สร้างช่องทางเครือข่ายเชิงพื้นที่ได้ง่าย ทำให้เสถียรยิ่งขึ้น
การก่อตัวของคาร์บอนแบล็ค
โดยทั่วไปคาร์บอนแบล็กหมายถึงอนุภาคคาร์บอน การเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ของสารอินทรีย์มักทำให้เกิดสิ่งนี้ ในกระบวนการนี้ ไฮโดรเจนและออกซิเจนจะเปลี่ยนเป็นน้ำ อย่างไรก็ตาม คาร์บอนจะไม่เผาไหม้อย่างสมบูรณ์ แต่จะแยกตัวออกจากโมเลกุลและกลายเป็นคาร์บอนแบล็ก
รูปแบบต่างๆ
คาร์บอนแบล็กประกอบด้วยคาร์บอน แต่โดยปกติจะจัดอยู่ในประเภทเม็ดสีอนินทรีย์ คาร์บอนแบล็กเป็นผงสีดำที่เกิดจากการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์หรือการแตกตัวด้วยความร้อนของไฮโดรคาร์บอนในรูปก๊าซ กระบวนการผลิตที่แตกต่างกันนำไปสู่ผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ใช้
โครงสร้างจุลภาคของคาร์บอนแบล็ค
อนุภาคคาร์บอนแบล็กมีโครงสร้างผลึกขนาดเล็ก ในคาร์บอนแบล็ก การจัดเรียงของอะตอมคาร์บอนจะคล้ายกับกราไฟต์ โดยสร้างระนาบหกเหลี่ยม โดยทั่วไป ระนาบดังกล่าว 3 ถึง 5 ระนาบจะสร้างเป็นผลึกขนาดเล็ก อะตอมคาร์บอนในแต่ละชั้นกราไฟต์ของผลึกคาร์บอนแบล็กจะจัดเรียงกันอย่างเป็นระเบียบ อย่างไรก็ตาม การจัดเรียงระหว่างชั้นจะไม่เป็นระเบียบ ดังนั้น ผลึกขนาดเล็กเหล่านี้จึงเรียกอีกอย่างว่าผลึกควาซิกราไฟต์
ขนาดอนุภาคคาร์บอนแบล็ก
ขนาดของอนุภาคของคาร์บอนแบล็กอาจมีขนาดเล็กถึง 5 นาโนเมตร อนุภาคคาร์บอนแบล็กมักไม่ได้มีอยู่เพียงลำพัง ในทางกลับกัน อนุภาคจำนวนมากเชื่อมต่อกันผ่านชั้นผลึกคาร์บอน ซึ่งก่อตัวเป็นรูปร่างคล้ายโซ่ กระบวนการผลิตที่แตกต่างกันสามารถผลิตอนุภาคคาร์บอนแบล็กที่มีขนาดอนุภาคที่หลากหลายได้ การผลิตแลมป์แบล็กทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดหยาบ ในทางตรงกันข้าม การผลิตแก๊สแบล็กทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีความละเอียดกว่า
หมายเหตุ: กระบวนการผลิตคาร์บอนแบล็กสามารถผลิตคาร์บอนแบล็กที่มีขนาดอนุภาคเกือบทุกช่วงขนาด คาร์บอนแบล็กประเภทเดียวกันจะมีขนาดอนุภาคที่แตกต่างกันไป โดยจะแสดงการกระจายขนาดอนุภาคในช่วงต่างๆ โดยทั่วไปแล้ว ประเภทที่มีอนุภาคละเอียดกว่าจะมีการกระจายขนาดอนุภาคที่แคบกว่า
กระบวนการผลิตคาร์บอนแบล็ค
หลักการผลิตคาร์บอนแบล็กโดยทั่วไปหมายถึงอนุภาคธาตุคาร์บอน การเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ของสารอินทรีย์จะเปลี่ยนไฮโดรเจนและออกซิเจนให้กลายเป็นน้ำ อย่างไรก็ตาม คาร์บอนจะไม่เผาไหม้อย่างสมบูรณ์และแยกตัวออกจากโมเลกุล ทำให้เกิดคาร์บอนแบล็ก คาร์บอนแบล็กเป็นผงสีดำ ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อไฮโดรคาร์บอนเผาไหม้ไม่สมบูรณ์หรือเกิดการแตกร้าวเนื่องจากความร้อน
วิธีการผลิตที่แตกต่างกันทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว ซึ่งขึ้นอยู่กับเงื่อนไขกระบวนการเฉพาะที่ใช้
วัตถุดิบการผลิตคาร์บอนแบล็ค
วัตถุดิบหลักในการผลิตคาร์บอนแบล็ก ได้แก่:
- น้ำมันดินถ่านหิน
- เอทิลีนทาร์
- น้ำมันแอนทราซีน
- ก๊าซธรรมชาติ
- เตาเผาแก๊ส
วัสดุอื่นๆ ที่ใช้ ได้แก่ ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม ยางมะตอย และน้ำมันไนโตรเจน ซึ่งล้วนมีปริมาณคาร์บอนสูงมาก
กระบวนการผลิตทั่วไปมีดังนี้:
- วิธีการเผา
- วิธีการฉีดพ่น
- วิธีการรมควันด้วยโคมไฟ
- วิธีการสล็อต
- วิธีลูกกลิ้ง
- วิธีผสมก๊าซ
- วิธีการแตกร้าวด้วยความร้อน
- วิธีอะเซทิลีน
- วิธีพลาสม่า
วิธีการเผาไหม้แบบไม่สมบูรณ์มีดังนี้:
- วิธีการเผา
- วิธีการฉีดพ่น
- วิธีการรมควันด้วยโคมไฟ
- วิธีการสล็อต
- วิธีลูกกลิ้ง
- วิธีผสมก๊าซ
วิธีการแตกร้าวด้วยความร้อนมีดังนี้:
- วิธีการแตกร้าวด้วยความร้อน
- วิธีอะเซทิลีน
- วิธีพลาสม่า
ขั้นตอนการผลิตโคมไฟสีดำ
วิธีที่เก่าแก่ที่สุดในการผลิตคาร์บอนแบล็กคือวิธีโคมไฟแบล็ก ในกระบวนการนี้ วัตถุดิบจะถูกเผาบนแผ่นเหล็กแบนซึ่งอาจกว้างได้ถึง 1.5 เมตร เครื่องดูดควันจะรวบรวมก๊าซจากการเผาไหม้พร้อมกับคาร์บอนแบล็ก จากนั้นจะไหลผ่านส่วนโค้ง 1/4 และท่อดับเพลิงเพื่อไปยังอุปกรณ์การสะสม เพื่อควบคุมคุณสมบัติของคาร์บอนแบล็ก ให้แน่ใจว่าวัตถุดิบส่วนใหญ่ถูกเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ ซึ่งควรเกิดขึ้นใกล้กับช่องว่างระหว่างแผ่นเผาและเครื่องดูดควัน
ในขั้นตอนต่อไป การเผาไหม้จะเกิดขึ้นพร้อมกับการแตกร้าวจากความร้อน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อไม่มีออกซิเจนเพียงพอ ส่งผลให้อนุภาคคาร์บอนแบล็กมีขนาดใหญ่ขึ้น ด้วยเหตุนี้ จึงเกิดการกระจายตัวของขนาดอนุภาคที่หลากหลาย โดยส่วนใหญ่มีลักษณะเป็นอนุภาคขนาดใหญ่ อนุภาคเพียงส่วนเล็กน้อยที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นเผาไหม้และปล่องระบายอากาศเท่านั้นที่สามารถโต้ตอบกับออกซิเจนในอากาศได้ ดังนั้น คาร์บอนแบล็กเหล่านี้จึงมีออกไซด์บนพื้นผิวเพียงเล็กน้อย ค่า pH เป็นกลาง และมีสารระเหยได้เพียงเล็กน้อย
กระบวนการผลิตก๊าซแบล็ค
แก๊สแบล็กได้ชื่อมาจากวิธีการผลิต ขั้นแรก ไฮโดรคาร์บอนดิบจะถูกให้ความร้อนและระเหย จากนั้น แก๊สที่ติดไฟเองจะนำไอเข้าไปในเตาเผาเพื่อจ่ายพลังงาน คาร์บอนแบล็กก่อตัวเป็นเปลวไฟรูปพัดที่เกิดจากเตาเผารูปค้างคาวเหล่านี้
เปลวไฟแต่ละอันมีขนาดเล็กและเผาไหม้ในอากาศ ดังนั้นวิธีการก่อตัวของคาร์บอนแบล็กจึงแตกต่างจากวิธีการผลิตแลมป์แบล็ก แลมป์แบล็กเกิดจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ อนุภาคคาร์บอนแบล็กมีขนาดเล็กมาก ขนาดเฉลี่ยของอนุภาคจะอยู่ระหว่าง 10 ถึง 30 นาโนเมตร ขึ้นอยู่กับประเภท สำหรับก๊าซแบล็ก ขนาดอนุภาคเฉลี่ยอยู่ที่ 13 นาโนเมตร เหนือเปลวไฟที่เผาไหม้คือกลองที่เต็มไปด้วยน้ำซึ่งหมุนช้าๆ ซึ่งจะสะสมคาร์บอนแบล็กไว้แล้วขูดออกด้วยการขูด เมื่อยังร้อนอยู่ คาร์บอนแบล็กใหม่จะสัมผัสกับออกซิเจนของอากาศ ทำให้เกิดออกซิเดชันบางส่วนและสร้างกลุ่มกรดจำนวนมาก ค่า pH ของก๊าซแบล็กที่สอดคล้องกันจะอยู่ในช่วงกรด และสามารถได้สารระเหยได้ประมาณ 6% ซึ่งแสดงถึงปริมาณออกไซด์บนพื้นผิว
ขั้นตอนการผลิตช่องดำ
กระบวนการผลิตนี้ใช้ก๊าซธรรมชาติเป็นวัตถุดิบ กระบวนการของแชนเนลแบล็กนั้นคล้ายคลึงกับกระบวนการเผาไหม้ก๊าซของกระบวนการผลิตก๊าซแบล็ก ก๊าซธรรมชาติถูกเผาไหม้ด้วยเปลวไฟรูปพัด ผลลัพธ์ที่ได้นั้นดูคล้ายกับก๊าซแบล็กมาก ความแตกต่างก็คือ มีการใช้แอ่งแบนรูปตัว U ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำเป็นแอ่งสำหรับการสะสมคาร์บอนแบล็ก เนื่องด้วยเหตุผลทางนิเวศวิทยาและเศรษฐกิจ วิธีการนี้จึงถูกยกเลิกไปเมื่อหลายปีก่อน การผลิตก๊าซแบล็กไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม กระบวนการคาร์บอนแบล็กที่ใช้ก๊าซนี้ยังคงใช้อยู่
ขั้นตอนการผลิตเตาเผาสีดำ
ก๊าซดำจะเกิดขึ้นในอากาศเปิด ในทางตรงกันข้าม ก๊าซดำจากเตาเผาจะเกิดขึ้นในเตาเผาแบบปิดที่มีออกซิเจนจำกัด เปลวไฟขนาดใหญ่จะเข้ามาแทนที่เปลวไฟขนาดเล็กจำนวนมาก เปลวไฟดังกล่าวจะใช้เชื้อเพลิงน้ำมันและเพิ่มก๊าซที่ติดไฟได้เพื่อให้ความร้อนแก่เตาเผาจนถึงอุณหภูมิที่เหมาะสม คุณสามารถได้เม็ดสีดำที่ต้องการได้โดยการปรับกระบวนการผลิตก๊าซดำจากเตาเผา ตัวอย่างเช่น คาร์บอนแบล็กอาจมีขนาดอนุภาคเฉลี่ยหลายขนาด ซึ่งอาจมีขนาดตั้งแต่ 80 นาโนเมตรลงมาจนถึง 15 นาโนเมตร และมีขนาดเล็กกว่านั้น เช่น อนุภาคก๊าซดำ อย่างไรก็ตาม สำหรับขนาดอนุภาคเดียวกัน ก๊าซดำและก๊าซดำจากเตาเผาจะยังคงแตกต่างกัน โดยส่วนใหญ่เกิดจากเคมีพื้นผิวที่แตกต่างกัน ผลิตภัณฑ์ก๊าซดำจากเตาเผาจะหยาบกว่า โดยมีขนาดอนุภาคเฉลี่ยอยู่ที่ 40 นาโนเมตร
คุณสามารถเพิ่มสารประกอบด่างหรือสารเติมแต่งอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อยได้เมื่อใช้กระบวนการผลิตแบบเผาดำ การกระทำดังกล่าวจะเปลี่ยนประเภทและการรวมตัวของมวลรวม เป็นผลให้คุณสามารถเลือกใช้คาร์บอนแบล็กที่มีโครงสร้างสูงหรือโครงสร้างต่ำได้
เนื่องจากสีดำจากเตาเผาถูกผลิตขึ้นภายใต้ความดันเกือบต่ำกว่าบรรยากาศและมีอากาศไม่เพียงพอ ส่วนใหญ่มักไม่มีออกไซด์บนพื้นผิวที่เป็นกรด แต่พบโครงสร้างไพโรนที่ทำปฏิกิริยากับด่างดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ค่า pH ที่เป็นด่างของสีดำจากเตาเผาเกิดจากการเติมดินด่างลงในน้ำเย็น ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการดับแบบพ่นในการผลิตคาร์บอนแบล็ก นอกจากนี้ยังเติมเกลือด่างเพื่อช่วยลดโครงสร้าง นอกจากนี้ หากสีดำจากเตาเผาไม่ได้รับการบำบัดหลังออกซิเดชัน ปริมาณการระเหยก็จะต่ำ
วิธีการเลือกคาร์บอนแบล็ค
เลือกคาร์บอนแบล็กอย่างชาญฉลาด ก่อนตัดสินใจเลือก ให้คิดถึงเป้าหมายของคุณก่อน: คุณต้องการบรรลุอะไรด้วยคาร์บอนแบล็ก การลงสี การลงสี ความต้านทานต่อรังสี UV หรือค่าการนำไฟฟ้า ขั้นตอนสำคัญคือการพูดคุยกับวิศวกรคาร์บอนแบล็กมืออาชีพ ทำงานร่วมกันเพื่อประเมินระบบวัสดุ จากนั้นเลือกคาร์บอนแบล็กประเภทที่ดีที่สุด สำหรับการลงสี ให้เลือกคาร์บอนแบล็กที่ดำมากและมีอนุภาคขนาดเล็ก นอกจากนี้ ให้แน่ใจว่ามีการกระจายตัวที่ดี หากไม่เป็นเช่นนั้น แสดงว่าไม่เป็นไปตามข้อกำหนดเดิม สำหรับการจับคู่สี ให้เลือกคาร์บอนแบล็กที่มีความดำต่ำ ควรมีขนาดอนุภาคใหญ่และกระจายตัวได้ง่าย สำหรับความต้านทานต่อรังสี UV ในพลาสติกและยาง ให้ใช้คาร์บอนแบล็ก เลือกคาร์บอนแบล็กที่มีขนาดอนุภาคปานกลางและโครงสร้างสูงกว่าเล็กน้อย ซึ่งจะให้การป้องกันรังสี UV ได้ดี
คุณสมบัติพื้นฐานของคาร์บอนแบล็ก
คุณสมบัติของคาร์บอนแบล็กกำหนดการใช้งานเฉพาะในด้านอุตสาหกรรมต่างๆ ต่อไปนี้คือพารามิเตอร์ประสิทธิภาพหลัก:
- ① ขนาดอนุภาค (ขนาดอนุภาคหลัก)
- ขนาดของอนุภาคเป็นคุณสมบัติหลักของคาร์บอนแบล็ก ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของมัน
- ยิ่งอนุภาคมีขนาดเล็กเท่าไร ก็ยิ่งมีสีดำมากขึ้นเท่านั้น และมีพื้นที่ผิวมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม อาจทำให้การกระจายตัวแย่ลง
- ยิ่งขนาดอนุภาคใหญ่ขึ้น ความดำก็จะยิ่งน้อยลง แต่กระจายตัวได้ง่ายขึ้น
- ②โครงสร้าง (ค่าการดูดซับ DBP) โครงสร้างของคาร์บอนแบล็กขึ้นอยู่กับวิธีการรวมตัวระหว่างอนุภาค ค่าโครงสร้างที่สูงขึ้นมักหมายถึงรูปร่างของอนุภาคที่ซับซ้อนมากขึ้น:
- คาร์บอนแบล็คโครงสร้างสูง: ปรับปรุงการกระจายตัวและการนำไฟฟ้า แต่ก็อาจลดความดำได้
- คาร์บอนแบล็คโครงสร้างต่ำ: แสดงความดำที่มากขึ้น แต่การกระจายตัวที่อ่อนแอกว่า
- ③พื้นที่ผิว (พื้นที่ผิวจำเพาะทั้งหมดและพื้นที่ผิวจำเพาะภายนอก) พื้นที่ผิวโดยทั่วไปจะมีลักษณะเฉพาะด้วยพื้นที่ผิวจำเพาะของการดูดซับไนโตรเจน (NSA) และพื้นที่ผิวจำเพาะภายนอก (STSA):
- NSA (พื้นที่ผิวจำเพาะทั้งหมด) : สะท้อนถึงพื้นที่ผิวรวมของคาร์บอนแบล็ก
- STSA (พื้นที่ผิวจำเพาะภายนอก): วัดเฉพาะพื้นที่ผิวภายนอกอนุภาคเท่านั้น
- เมื่อความพรุนเพิ่มขึ้น ช่องว่างระหว่าง NSA และ STSA ก็จะกว้างขึ้น นอกจากนี้ยังทำให้ความต้องการตัวพาและความหนืดเพิ่มขึ้นด้วย
- ④เคมีพื้นผิว มีกลุ่มฟังก์ชันต่างๆ (เช่น ออกไซด์และซัลไฟด์) บนพื้นผิวของคาร์บอนแบล็ก ซึ่งสามารถ:
- เพิ่มอัตราการดูดซับความชื้นของคาร์บอนแบล็ก
- เพิ่มความเข้ากันได้ของคาร์บอนแบล็คกับเรซิน สารเคลือบ ฯลฯ
อุปกรณ์บดคาร์บอนแบล็คที่แนะนำ
อุปกรณ์บดและคัดเกรดเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตคาร์บอนแบล็ก ช่วยสร้างอนุภาคคาร์บอนแบล็กที่ละเอียดเป็นพิเศษ สม่ำเสมอ และใช้งานได้จริง ต่อไปนี้เป็นอุปกรณ์ที่แนะนำหลายประเภท
เครื่องเจียรและจำแนกโลหะละเอียดแบบกลไก (รุ่น ACM)
Features: EPIC Powder Machinery’s เครื่องแยกอากาศ MJW ซีรีส์นี้สามารถบดคาร์บอนแบล็กให้ละเอียดถึง D100 < 45μm กากตะแกรงขนาด 325 เมชมีค่า < 0.001% นอกจากนี้ยังรองรับความละเอียดที่กำหนดเองได้ตั้งแต่ 600 เมชถึง 2000 เมช รองรับกระบวนการปรับเปลี่ยนการเปิดใช้งานเพื่อเพิ่มความสัมพันธ์ระหว่างคาร์บอนแบล็กและโพลีเมอร์
การใช้งาน: แปรรูปคาร์บอนแบล็คที่แตกร้าวให้ลึกเพื่อสร้างสารตัวเติมที่มีมูลค่าสูงหรือวัสดุที่มีสภาพนำไฟฟ้า
เครื่องจำแนกการไหลเวียนของอากาศ (ซีรีย์ HTS)
คุณสมบัติ: เครื่องจักรสำหรับบดผง EPIC ใช้การทำงานภายใต้แรงดันลบแบบปิดสนิท วิธีนี้ช่วยให้บดได้ที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งช่วยหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของวัสดุ อัตราผลผลิตจะสูงถึง 80% สำหรับผงสีดำ เครื่องแยกแบบหลายขั้นตอนทำงานแบบอนุกรม การตั้งค่านี้ช่วยสร้างการกระจายขนาดอนุภาคที่ตรงจุด เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตคาร์บอนแบล็กที่มีความบริสุทธิ์สูง
การใช้งาน: โทนเนอร์เครื่องพิมพ์ วัสดุอิเล็กโทรดแบตเตอรี่ และฉากอื่นๆ ที่มีข้อกำหนดด้านความละเอียดที่เข้มงวด