مادة مسحوقية سوداء تتكون من الاحتراق غير الكامل أو الانحلال الحراري للهيدروكربونات في الطور الغازي تحت ظروف عملية خاضعة لرقابة صارمة. يتكون تكوينه بشكل أساسي من الكربون الأولي ويحتوي على كمية صغيرة من الأكسجين والهيدروجين والكبريت. تكون جزيئات أسود الكربون كروية تقريبًا، ويتراوح حجمها بين 10 و500 ميكرومتر. يتم دمج العديد من الجزيئات أو تكتلها في مجاميع شجرية أو ليفية ثلاثية الأبعاد. في معالجة المطاط، يتم إضافته إلى المطاط كعامل تقوية وحشو من خلال الخلط. يعتبر أسود الكربون من أقدم المنتجات الصناعية.
الخصائص الفيزيائية والكيميائية لأسود الكربون
تكمن الاختلافات بين أسود الكربون المتنوع بشكل رئيسي في مساحة السطح (أو حجم الجسيمات)، وتشكل الركام، والتوزيع الشامل للجزيئات والركام، والتركيب الكيميائي.
مساحة السطح
ومن الخصائص الهامة المستخدمة لتحديد وتصنيف أسود الكربون المسمى. يتم قياس مساحة السطح عن طريق امتزاز الطور الغازي أو السائل. الطريقة الأكثر كلاسيكية للتحديد هي طريقة امتزاز النيتروجين ذات درجة الحرارة المنخفضة (أي طريقة BET). نظرًا لأن جزيئات النيتروجين صغيرة نسبيًا ويمكن أن تدخل المسام الدقيقة لأسود الكربون، فإن النتائج المقاسة بهذه الطريقة تميز المساحة السطحية الإجمالية لأسود الكربون. في السنوات الأخيرة، نجح البحث في طريقة امتزاز الجزيئات الكبيرة (مثل CTAB)، نظرًا لعدم قدرة الجزيئات الكبيرة على الدخول إلى المسام الصغيرة، تميز النتائج مساحة السطح الخارجية لأسود الكربون، وهي مساحة السطح "الناعمة". معظم أسود الكربون المطاطي غير مسامي، لذا فإن نتائج BET وCTAB متسقة. بالنسبة لبعض أسود الكربون المصبوغ، فإن الفرق بين قياسات مساحة السطح يميز خشونة أو مسامية أسود الكربون. كما يتم استخدام طريقة قياس أخرى - وهي طريقة امتصاص اليود - على نطاق واسع في مراقبة الإنتاج وتصنيف المنتجات، وتتميز بالبساطة والسرعة. ومع ذلك، فإن النتائج تتأثر بدرجة الأكسدة على سطح أسود الكربون.
بناء
الخاصية الثانية المهمة لأسود الكربون. يعتمد هيكل أسود الكربون على حجم الركام وشكله، بالإضافة إلى عدد الجزيئات ومتوسط الكتلة لكل ركام. كل هذه الخصائص تؤثر على حالة تكديس الركام وحجم فراغ المسحوق. عادةً، يتم التعبير عن بنية أسود الكربون من حيث قيمة امتصاص زيت DBP (ثنائي بوتيل الفثالات). تُسمى عادةً قيمة DBP لأسود الكربون بعد الضغط تحت 170MPa أربع مرات بقيمة امتصاص زيت الضغط أو قيمة 24M4DBP. تعكس قيمة امتصاص الزيت المضغوط حالة الركام الأسود الكربوني الموجود في المطاط.
التطبيقات الصناعية لأسود الكربون
يتم استخدامه بشكل أساسي كعامل تقوية وحشو للمطاط، ويصل استهلاكه إلى حوالي نصف استهلاك المطاط. ويمثل أسود الكربون للمطاط 94% من إجمالي أسود الكربون، ويستخدم حوالي 60% منه في تصنيع الإطارات. كما أنه يستخدم كعامل تلوين للأحبار والدهانات والبلاستيك وكعامل حماية من الأشعة فوق البنفسجية للمنتجات البلاستيكية. كما أنه مادة مضافة مهمة في العديد من المنتجات الأخرى، مثل الأقطاب الكهربائية، والخلايا الجافة، والمقاومات، والمتفجرات، ومستحضرات التجميل، وكريمات التلميع.
يستخدم أسود الكربون بشكل رئيسي في منتجات المطاط. كلما كان حجم جسيمات أسود الكربون أصغر، زادت خصائصه التعزيزية تفوقًا؛ كلما ارتفعت الدرجة الهيكلية لأسود الكربون، زاد إجهاد الشد الثابت ومعامله. يتم استخدام أنواع التعزيز ذات حجم الجسيمات الدقيقة بشكل أساسي في مداس الإطار، مما يمنح الإطارات مقاومة ممتازة للتآكل. بالنسبة للأجزاء الأخرى من الإطار، مثل الجدران الجانبية، وطبقة الحبل، وطبقة توسيد الحزام، والبطانة الداخلية، يكون المطاط مطلوبًا لمقاومة التشقق المرن، وأكسدة الأوزون، والمرونة الجيدة، والخصائص الحرارية المنخفضة، ويستخدم بشكل عام حجم جسيم أكثر سمكًا النوع شبه التعويضي (مساحة سطحية محددة أقل من 40 م2/جم) فرن أسود.
يتم استخدام الصباغ ذو الأخدود الأسود على نطاق واسع في الأحبار والطلاءات والبلاستيك. الحبر، وخاصة حبر الأخبار، يستخدم بشكل رئيسي في فتحة الصباغ الأسود. في صناعة الطلاء، يمنح اللون الأسود ذو الفتحات عالية الصبغ السواد واللمعان لتشطيبات السيارات عالية الجودة، بينما يتم استخدام اللون الأسود ذو الفتحات ذات الصبغة المتوسطة في الطلاءات الصناعية العامة. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم أيضًا اللون الأسود متوسط الصبغة بشكل شائع كعوامل حماية من الأشعة فوق البنفسجية للبولي أوليفينات ويستخدم لتحسين مقاومة المنتجات البلاستيكية للعوامل الجوية. يستخدم الأخدود المطاطي الأسود بشكل رئيسي في الإطارات، وخاصة مطاط المداس للإطارات على الطرق الوعرة والإطارات الهندسية، مما يمنح المداس قوة عالية ومقاومة جيدة للتآكل.
يستخدم الكراك الأسود الساخن بشكل رئيسي في منتجات المطاط. بسبب حجم الجسيمات الخشنة وأداء التسليح الضعيف، يتم استخدامه فقط لمناسبات الحشو القصوى القصوى، مثل تصنيع الحصائر المطاطية، الخراطيم، منتجات الإسفنج، الأختام، بطانات الإطارات، المطاط الخرزي، منتجات العزل، وما إلى ذلك.
