Технический углерод или сажа используется в лакокрасочной промышленности в качестве черного пигмента. Состоит из 88 – 99,9% элементного углерода. Технические характеристики и свойства технического углерода определяются исходным сырьем и методом производства.
Производство технического углерода
Технический углерод (сажу) можно получить двумя способами: пиролизом (термическим распадом) исходного материала либо его сжиганием. Как исходный материал (сырье), используется топливо: жидкое, газообразное, иногда твердое. Технический углерод ацетиленовый получается в результате переработки ацетилена, газовый – природного газа. Форсуночный и ламповый технический углерод производят из жидкого топлива. Кроме того, форсуночный и ламповый технический углерод является отходом производства при коксовании угля и пиролизе нефти.
Наиболее широко используется технический углерод форсуночный, ацетиленовый, ламповый и газовый (специальный, термический, канальный и печной).
Свойства технического углерода
Пигментный технический углерод может иметь первичную либо вторичную структуры. Первичная – это основная структура, множество частиц сферической (или близкой к таковой) формы. Первичная структура может под воздействием определенных факторов переходить во вторичную. Частички углерода прочно соединяются меду собой, образуя цепочки, разветвления. При взаимосоединении цепочек возможно образование вторичной сетчатой структуры. При использовании технического углерода в качестве черного пигмента для производства лакокрасочных материалов наличие вторичных структур крайне нежелательно, т.к. они понижают пигментные свойства сажи.
Технический углерод обладает исключительно высокой степенью дисперсности. Размер частиц пигмента составляет от 0,01 до 0,6 мкм. Благодаря высокой степени дисперсности удельная поверхность порошка может достигать 300 м2/г. От дисперсности зависит и глубина цвета, маслоемкость пигмента. Чем меньше размер частиц порошка, тем черный цвет более глубокий. И, соответственно, тем выше маслоемкость технического углерода. Зависимость интенсивности от дисперсности имеет несколько иной характер. Возрастает интенсивность пигмента при уменьшении размера частиц вплоть до 0,025 мкм, далее идет постепенное снижение интенсивности.
Технический углерод является хорошим адсорбентом. Химическим состоянием поверхности частиц порошка во многом определяются свойства пигмента. В процессе производства частицы технического углерода реагируют с кислородом воздуха, образуя сложные соединения. Если в пигментном техническом углероде содержится небольшое количество комплексов, величина рН водной вытяжки может достигать значений 9,0 – 11,0. В этом случае рН определяется примесями солей щелочноземельных и щелочных металлов, которые остаются на поверхности частиц углерода после его промывки (охлаждения). Высокое содержание комплексов свидетельствует о кислотном характере водной вытяжки технического углерода. рН при этом составляет 3,5 – 4,6.
Адсорбированный кислород на поверхности частиц пигмента может послужить причиной самовоспламенения технического углерода. Этой угрозе подвержены и долго хранящиеся пасты технического углерода на основе растительных масел и олиф, которые легко окисляются. Для предотвращения образования комплексов с кислородом, при диспергировании технический углерод обрабатывают поверхностно-активными соединениями (ПАВ). Благодаря обработкой ПАВ повышается глубина цвета пигмента. После диспергирования в присутствии поверхностно-активных соединений получают водные дисперсии или суховальцованные пасты (СВП). Поверхность каждой частички в этих пастах и дисперсиях очищена от лишнего кислорода. На лакокрасочные производства технический углерод поступает в виде дисперсий и суховальцованных паст. Непосредственно в процессе производства лакокрасочных материалов технический углерод разбавляют при помощи растворителей и вводят в необходимой концентрации в будущую эмаль или краску.
Распределение в пленкообразующем веществе технического углерода – довольно сложный процесс и чем частички мельче, тем добиться однородности эмульсии труднее. Образование дисперсии происходит легче при наличии соединений кислорода и углерода. Улучшается смачиваемость порошка, лакокрасочный материал приобретает большую стабильность и окрашенная поверхность – глянец.
Технический углерод передает ценные свойства лакокрасочному материалу. Сажа обладает высокой термостойкостью, устойчива к воздействию света и многих химических соединений. Технический углерод обладает способностью поглощать ультрафиолетовое, инфракрасное излучение и свет видимой части спектра. Благодаря этому эмали и краски на его основе отличаются высокой атмосферной стойкостью, защищая поверхность от коррозии.
Применение технического углерода
Подавляющее большинство технического углерода, производимого промышленностью, используется для производства пластических масс и резин. Материал служит усиливающим компонентом. Около 70 % всего выпускаемого технического углерода применяется в изготовлении резины для автомобилей (шин). Незначительную часть материала использует полиграфическая промышленность.
В лакокрасочной отрасли технический углерод применяется при производстве серых и черных атмосферостойких эмалей и красок.