Технический углерод (Carbon Black) — общее название семейства мелких, преимущественно аморфных или паракристаллических углеродных частиц, которые срастаются, образуя агрегаты различных форм и размеров. Это специально получаемая форма углерода с высоким отношением площади поверхности к объёму. Он образуется в газовой фазе при термическом разложении различного углеводородного сырья. Коммерческие марки различаются размером первичных частиц, размером и формой агрегатов, пористостью, площадью и химией поверхности.
Технический углерод преимущественно используется как усиливающий наполнитель в шинах и других резиновых изделиях. Специальные марки также применяются в качестве чёрного пигмента в пластмассах, красках и чернилах, а также как наполнитель для придания полимерам электропроводности.
История
Использование технического углерода в качестве пигмента для красок и чернил восходит к ранним цивилизациям. С момента изобретения печатного станка в XV веке, сыгравшего важную роль в развитии коммуникации и передаче информации, спрос на высококачественные чёрные пигменты постоянно рос. Традиционной разновидностью была ламповая сажа. При первоначальном способе её получения древесина тлела без открытого пламени при очень низком содержании кислорода, а образующийся дым направляли в конусообразную камеру. Сажа оседала на металлических, льняных или шерстяных поверхностях, а обугленная древесина использовалась в качестве древесного угля.
В 1900 году производитель ламповой сажи Binney продал технический углерод шинной компании Goodrich Tire, которая первоначально использовала его для окрашивания белой резины в чёрный цвет. Позднее выяснилось, что добавление технического углерода улучшает свойства резины. Постепенно преимущества его применения стали общеизвестными, а сам он стал важным компонентом в производстве шин. Помимо усиления резины, устойчивость технического углерода к УФ-излучению и его способность связывать озон защищают шины от УФ-излучения и окисления, предотвращая растрескивание. Он также предотвращает накопление электростатического заряда и способствует отводу тепла из отдельных участков, особенно протектора, что может продлить срок службы шин за счёт снижения тепловых повреждений.
Внедрение синтетических каучуков, особенно SBR, во время Второй мировой войны способствовало росту потребления технического углерода. В частности, было установлено, что синтетические каучуки, усиленные техническим углеродом, значительно превосходят натуральный каучук по стойкости к истиранию. Тепло- и электропроводность, устойчивость к УФ-излучению, антиоксидантное действие и применение в качестве пигмента сделали технический углерод важным материалом в полимерной промышленности.
Технический углерод для защиты от УФ-излучения
Различные погодные факторы способствуют разрушению полимеров, включая излучение, температуру, влажность и ветер. Из-за малой длины волны УФ-излучение может взаимодействовать с органическими цепями полимеров, вызывая образование свободных радикалов, участвующих в их разрушении. Поэтому ультрафиолетовая составляющая солнечного света существенно влияет на атмосферное старение. Многие полимеры сами по себе непригодны для эксплуатации на открытом воздухе из-за быстрого разрушения под действием света, особенно УФ-излучения. Составляющие солнечного излучения могут ускорять разрушение, особенно в сочетании с озоном и другими агрессивными химическими веществами окружающей среды.
Изделия, подвергающиеся воздействию света, можно защищать зонтообразными навесами, однако такой способ обычно малоэффективен и дорог. Поэтому необходимо простое и недорогое решение. Эффективным решением являются внутренние стабилизаторы, вводимые в изделие вместе с исходным сырьём. Стабилизаторы поглощают или пропускают вредное УФ-излучение и преобразуют его энергию в тепло. Тепло безопасно рассеивается внутри изделия и отводится наружу.
Технический углерод поглощает видимое и УФ-излучение и преобразует его в тепло, тем самым стабилизируя изделие и делая его пригодным для эксплуатации на открытом воздухе. Основными характеристиками, влияющими на его стабилизирующее действие, являются размер частиц, размер агрегатов и химия поверхности. УФ-стабилизация полимеров техническим углеродом зависит от его способности поглощать свет и рассеивать его в обратном направлении. Чем меньше первичные частицы и агрегаты, тем выше поглощение и ниже обратное рассеяние. Для эффективного действия размер частиц должен быть менее 20–25 нм. Химия поверхности также важна: кислородсодержащие группы повышают эффективность, поскольку действуют как ловушки радикалов.
Пример:
Отказом обычно считается снижение исследуемого показателя, например прочности при растяжении, до уровня менее 50% от первоначального значения. Результаты исследований показывают, что исходные материалы без технического углерода достигают этого состояния менее чем за шесть месяцев пребывания на открытом воздухе. В то же время изделия, содержащие технический углерод, даже после 30 месяцев воздействия окружающей среды сохраняют более 90% первоначальной прочности. Этот результат демонстрирует высокую эффективность технического углерода в качестве УФ-стабилизатора.
Технический углерод может применяться в следующих областях производства пластмасс:
- Оболочки проводов и кабелей.
- Пластмассовые автомобильные детали.
- Сельскохозяйственные плёнки.
- Трубы и покрытия труб.
- Пигментация и окрашивание в чёрный цвет.
