Carbon đen: Làm thế nào để chọn đúng cho loại nhựa?

Carbon đen là một dạng carbon được chế tạo kỹ lưỡng, được sử dụng rộng rãi trong nhựa và cao su. Sắc tố đen này sẽ giúp đạt được phổ màu từ xám đến đen sẫm.

Bạn có thể thay đổi các đặc tính của sắc tố carbon đen để có được sản phẩm cuối cùng theo ý muốn. Một số tính năng cần lưu ý khi lựa chọn carbon đen bao gồm:

• Cường độ pha màu, mức độ phản chiếu hoặc tông màu xanh lam và độ dẫn điện
• Kích thước hạt, cấu trúc và hóa học bề mặt

Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ giới thiệu quy trình sản xuất chất tạo màu carbon black trong nhiều ứng dụng khác nhau. Ngoài ra, hãy tìm hiểu các đặc tính cần cân nhắc khi lựa chọn đúng loại carbon blacl cho công thức của bạn.

Vai trò của Carbon Black trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau

Carbon đen được sử dụng trong nhiều sản phẩm và vật dụng mà chúng ta sử dụng và nhìn thấy hàng ngày, chẳng hạn như:

• Nhựa, cao su và lốp xe
• Lớp phủ & mực

Mỗi sản phẩm có một tính chất cụ thể có thể được sửa đổi và tăng cường bằng các chất phụ gia carbon đen. Vai trò quan trọng nhất của carbon đen là:

• Gia cố vật liệu đàn hồi để tăng cường các tính chất cơ học của chúng (mô đun, độ bền kéo và độ bền xé, khả năng chống mài mòn…)
• Bảo vệ ánh sáng
• Tô màu
• Tăng cường độ dẫn điện
• Để giảm chi phí
  • Bằng cách giảm trọng lượng cao su (và chi phí của nó) được sử dụng để đạt được hiệu suất cơ học tương tự
  • Bằng cách tăng hiệu suất chức năng như khả năng chống mài mòn

Do đó, các yêu cầu đối với carbon đen là khác nhau đối với từng ứng dụng và ảnh hưởng đến các đặc tính cụ thể trong ứng dụng cuối cùng. Đối với nhựa và cao su, có nhiều loại carbon đen khác nhau . Điều này có thể khiến bạn khó chọn được loại carbon black phù hợp nhất cho ứng dụng cuối cùng của mình.

Ví dụ, khi hướng đến “màu đen piano” để có lớp hoàn thiện sang trọng, phong phú trong nội thất ô tô, thì chất tạo màu carbon black thường là vật liệu được lựa chọn. Tuy nhiên, thông thường các loại carbon black này là loại khó phân tán chính xác nhất thành kích thước hạt mong muốn.

Các nhà sản xuất carbon black đang giải quyết những vấn đề này bằng cách phát triển các loại than đen đặc biệt đã được biến tính bề mặt và/hoặc được xử lý trước để khắc phục những khó khăn này.

Bạn nên cân nhắc các thông số quan trọng khi lựa chọn loại than đen phù hợp. Việc nghiên cứu cách các thông số này ảnh hưởng đến các tính chất khác cũng rất cần thiết. Chúng ta hãy bắt đầu bằng cách thảo luận về các quy trình được sử dụng trong sản xuất bột màu than đen.

Carbon đen được sản xuất như thế nào?

Tính chất của than đen bị ảnh hưởng bởi phương pháp chế biến. Các quy trình khác nhau được sử dụng để sản xuất than đen được thảo luận dưới đây.

Quá trình đen lò hay Phương pháp sản xuất lò carbon đen

Quá trình đen lò là phương pháp phổ biến nhất sử dụng dầu hydrocarbon (thơm) làm nguyên liệu thô. Do năng suất cao và khả năng kiểm soát kích thước và cấu trúc hạt, phương pháp này phù hợp nhất để sản xuất hàng loạt than đen.

Trong lò phản ứng, các điều kiện (ví dụ áp suất và nhiệt độ) được kiểm soát để tạo ra một số phản ứng. Các phản ứng quan trọng nhất bao gồm:

• Sự hình thành hạt
• Sự phát triển của hạt
• Sự hình thành tổng hợp

Việc phun nước làm giảm nhanh nhiệt độ và kết thúc phản ứng. Kích thước hạt chính và cấu trúc của than đen được kiểm soát theo hai cách. Cách thứ nhất là điều chỉnh các điều kiện trong lò phản ứng. Cách thứ hai là điều chỉnh thời gian cho phép trước khi phản ứng bị dập tắt.

Quá trình nhiệt đen

Đây là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để sản xuất carbon đen sau quá trình sản xuất muội than trong lò. Đây là một quá trình không liên tục hoặc tuần hoàn. Quá trình này sử dụng khí mê-tan tự nhiên làm nguyên liệu thô. Khi khí thiên nhiên được đưa vào lò trong bầu khí trơ, khí này phân hủy thành muội than và hydro.

Muội than được sản xuất bằng phương pháp này có:

• Kích thước hạt lớn nhất và
• Mức độ thấp nhất của các tập hợp hoặc cấu trúc

Do tính chất của nguyên liệu thô, loại carbon đen này là dạng tinh khiết nhất có sẵn ở quy mô công nghiệp.

Xử lý kênh

Quá trình này sử dụng nhiên liệu đốt cháy một phần được đưa vào tiếp xúc với thép kênh hình chữ H. Đây không còn là phương pháp được sử dụng nhiều nhất nữa vì:

• Các vấn đề về môi trường
• Giá khí đốt tự nhiên tăng
• Năng suất thấp

Lợi ích của quá trình này là nó cung cấp cho cacbon đen rất nhiều nhóm chức năng.

Quy trình đen axetilen

Quá trình này sử dụng khí axetilen làm nguyên liệu thô. Nó chủ yếu tạo ra cấu trúc cao và độ kết tinh cao hơn. Điều này làm cho loại cacbon đen này phù hợp cho các ứng dụng dẫn điện .

Quá trình làm đen đèn

Đây là quy trình công nghiệp lâu đời nhất để sản xuất carbon đen. Quy trình này sử dụng dầu khoáng/thực vật làm nguyên liệu thô.

Thu hồi Carbon đen từ lốp xe hết hạn sử dụng

Carbon đen thu hồi hoặc (r)CB là một thị trường đang phát triển nhanh chóng. Carbon đen thu hồi được thu được thông qua quá trình nhiệt phân lốp xe hết hạn sử dụng. Tầm quan trọng của các công ty trong sản xuất và sử dụng carbon đen thu hồi là ba phần:

• Các vấn đề toàn cầu ngày càng gia tăng phát sinh do lốp xe hết hạn sử dụng (ELT)
• Các công ty thay đổi chiến lược để hoàn thành mục tiêu đảm bảo nền kinh tế xanh
• Giá than đen thông thường thay đổi do giá dầu biến động

Tùy thuộc vào thành phần, hàm lượng carbon đen trong lốp xe có thể lên tới 30%. Bên cạnh carbon đen, lốp xe bao gồm:

• Cao su
• Phụ gia chế biến cao su
• Kim loại
• Dệt may
• Chất độn như silica

Lượng silica phụ thuộc vào loại lốp, ví dụ như lốp mùa đông hoặc mùa hè, lốp xe đua hoặc lốp xe nông nghiệp và sẽ không tách khỏi muội than trong quá trình nhiệt phân, điều này sẽ dẫn đến hàm lượng tro cao hơn.

Trong một chiếc lốp xe thông thường , có thể sử dụng tới 15 loại muội than khác nhau, mỗi loại có các đặc tính khác nhau cần thiết. Hỗn hợp muội than này sau đó cũng sẽ tạo nên thành phần (r)CB cuối cùng. Bên cạnh lốp xe, các nguồn khác có thể sử dụng là băng tải cao su hoặc các sản phẩm cao su kỹ thuật khác .

Sự hiện diện của các điều kiện trơ trong quá trình nhiệt phân rất quan trọng để không tạo ra thêm muội than.

Những điểm khác biệt chính về đặc tính của muội than thu hồi là:

• Hàm lượng tro cao hơn đối với (r)CB do chất độn được sử dụng trong sản xuất lốp xe.
• Sự pha trộn các tính chất của carbon đen do carbon đen được sử dụng trong lốp xe.
• Lượng hydrocacbon còn lại trên bề mặt than đen, tùy thuộc vào chất lượng của quá trình nhiệt phân.

Để hiểu cách các tính chất của (r)CB ảnh hưởng đến các ứng dụng cuối cùng và biết loại cacbon đen nào được sử dụng trong danh mục nào, bạn cần hiểu những khác biệt cơ bản giữa các loại cacbon đen hiện có .

Tính chất chính của Carbon Black

Kích thước hạt sơ cấp

Tham số đầu tiên cần xem xét là kích thước hạt chính của than đen. Kích thước hạt chính có thể thay đổi từ 15 nm đến 300 nm. Một số loại than đen lò có kích thước hạt thậm chí nhỏ tới 8 nm.

Carbon đen có kích thước hạt nhỏ hơn

Các hạt nhỏ tạo ra độ phun cao hơn do diện tích bề mặt lớn. Chúng cũng cung cấp:

• Khả năng chịu thời tiết tốt hơn
• Độ bền tia cực tím
• Độ dẫn điện tốt hơn

Mặt hạn chế là kích thước hạt nhỏ hơn dẫn đến độ nhớt cao hơn và cần nhiều năng lượng hơn để phân tán. Các loại này thường có tông màu xanh lam và được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô, nơi cần độ phun cao .

Carbon đen có kích thước hạt lớn

Kích thước hạt lớn hơn cải thiện độ nhớt và tính chất phân tán trong ứng dụng. Chúng có tông màu nâu hơn. Chúng thường phù hợp hơn cho các ứng dụng cao su và lốp xe.

Kết cấu (cấu trúc)

Về mặt vật lý, cacbon đen được phân chia thành ba cấp độ cấu trúc:

• Các hạt sơ cấp có kích thước từ 10 đến 500 nm.
• Các tập hợp hạt có kích thước đặc trưng từ 40 đến 600 nm.
• Các tập hợp của các chất kết tụ.

Về mặt hóa học, muội than là cacbon tinh khiết ít nhiều như thể hiện trong bảng dưới đây.

Hóa chất	Kênh	Lò nung	Nhiệt
Cacbon, %	96	98	99
Oxy, %	3	<1	Không đáng kể
Hydro, %	0,5	<0,4	0,4
Lưu huỳnh, %	<0,1	0,5 đến 1,8	<0,05