Технология производства сажи. Классификация саж. Строение и свойства сажи

Сажа—разновидность углеродного полимера, дисперсный углеродный материал, получаемый при высокотемпературном термическом разложении или неполном горении углеводоро­дов.

Единой международной классификации саж не су­ществует, и в разных странах она различна.

¯ По влиянию на прочностные свойства и износостойкости резин:

Ø Активные сажи.

Ø Полуактивные сажи.

Ø Малоактивные сажи.

¯ По дисперсности:

Ø Активные ().

Ø Полуактивные ().

Ø Малоактивные ().

¯ По способу производства:

Ø Печные сажи.

Ø Канальные сажи.

Ø Термические сажи.

¯ По применяемому сырью:

Ø Газовые сажи.

Ø Из жидких углеводородов.

Ø Из смешанного сырья.

 

Сажа представляет собой промежуточную ступень кристаллической ориентации атомов углерода и является переходом между аморфным и кристаллическим состоянием - частицы любого типа сажи состоят из мельчайших кристалликов, строе­ние которых напоминает кристаллическую структуру частиц графита, но отличается значительно меньшей упорядоченностью.

Важнейшими свойствами сажи являются:

Œ Дисперсность.

Дисперсными называют материалы, состоящие из большо­го числа весьма малых частиц коллоидных (10—1000А) или близких к ним размеров.

Форма частиц сажи сферическая, поверхность не иде­ально гладкая, а величина частицы характеризуется не одним диаметром, а целым набором размеров диаметров, т. е. сажа является полидисперсной системой.

 

 Структурность.

Отдельные частицы сажи не изолированы друг от друга, а имеют тенденцию группиро­ваться в цепочки связанных между собой частиц, образую­щих своеобразную неправиль­ную структуру, различную у разных саж. Цепочки имеют линейную или разветвленную форму. Отдельные частицы касаются друг друга не в одной точке, а имеют общую плоскость соприкосновения, что возможно лишь при совместном росте частиц в процессе сажеобразования. Эта структура называется первичной. Прочность первичной структуры обеспечивается валентными связями, возникающими на участке касания.

Наличие первичных агрегатов, их размер и форма обуслов­ливают свойство сажи, называемое структурностью или пер­вичной структурой сажи. Первичная структура обусловлена процессом производства сажи и используемым углеводородным сырьем, вторичная структура определяется свойствами самой сажи.

Ž Поверхность частиц сажи и ее свойства.

Поверхностный слой сажевых частиц резко различается по составу и строению от остального объема. Взаимодействие са­жи с другими ингредиентами осуществляется на поверхности контакта, и поэтому особое значение приобретают рельеф по­верхности, химический состав и энергия активации поверхност­ного слоя.

Рельеф поверхности. Шероховатый рельеф можно создать на поверхности любой сажи, если подвергнуть ее окислению, такая стимулирован­ная шероховатость может в несколько раз увеличить адсорб­ционную поверхность сажи.

Химический состав поверхностного слоя. В поверхностном слое сажи помимо углерода содержатся водород, сера и кислород, входящие в состав различных хими­ческих групп.

Энергия поверхности. Образование шероховатости при окислении сажи является прямым следствием и доказательством энергетической неодно­родности поверхности сажи. Преимущественно окисляются де­фектные участки, что обусловлено их повышенной энергией по сравнению с участками, занятыми нормальными базисными плоскостями. Химические группы, являющиеся следствием окисления, еще более увеличивают неоднородность поверхнос­ти.

 Элементный состав.

Элементарный анализ показывает, что, помимо углерода, сажа содержит водород, серу, кислород и золу.

Чистота сажи зависит от качества применяемого сырья, состояния технологического оборудования, правильности ве­дения технологического процесса.

 Объемный вес.

Объемный вес сажи зависит от степени ее уплотнения, по­этому не является характерной физической константой.

Однако объемный вес представляет важную техничес­кую величину, так как определяет необходимые объемы при транспорте и хранении сажи. Для увеличения объемного веса сажи ее подвергают уплотнению и гранулированию.

‘ Истинная плотность сажевых частиц.

Плотность сажевых частиц является физической константой, не связанной со степенью уплотнения сажи и зависящей от кристаллической структуры частицы.

’ Теплопроводность.

Из-за малой насыпной плотности сажа имеет очень невысо­кую теплопроводность — 0,02—0,03 ккал/м² час°С, которая сильно зависит от степени уплотнения: чем выше насыпная плотность, тем больше теплопроводность.

Сажа является эффективным теплоизоляционным материа­лом. Гранулированная сажа обладает также высокой теку­честью, что позволяет применять ее при термоизоляции больших поверхностей.

“ Электропроводность.

По характеру электропроводности сажа является полупроводником, т. е. нагре­вание увеличивает ее электропроводность в отличие от про­водников-металлов, проводимость которых при нагревании уменьшается.

” Адсорбционные свойства.

Количество адсорбированного вещества определяется величиной поверхности сажи, а характер адсорбции зависит от химического состава поверхностного слоя. Промышленные сажи - это адсорбенты сложной природы, и адсорбция зависит от состояния поверхности сажевых частиц.

Сажа может адсорбировать самые различные вещества — от инертных газов до больших полимерных молекул.

• Каталитические свойства.

Сажа является катализатором ряда химических процессов, особенно свободнорадикальных. К числу этих процессов мож­но отнести полимеризацию, реакции поперечного сшивания при гелеобразовании, реакции вулканизации и реакции окислительной деструкции. Каталитическая активность сажи, как и ее адсорб­ционные свойства, обусловлена в основном величиной и приро­дой поверхности частиц.