ما هو الكربون الأسود؟ ستزودك هذه المقالة بكل المعلومات حول الكربون الأسود.

عندما نتحدث عن الكربون الأسود، قد يظن معظم الناس أنه مجرد صبغة. لكن في الواقع، يُعد الكربون الأسود مادة خام صناعية أساسية، وهو شائع الاستخدام في حياتنا اليومية. فكيف يرتبط الكربون الأسود بحياتنا؟ ما هو دوره في الصناعة؟ وما هي أهم استخداماته؟

بعد ذلك، سيتناول المحرر عشر نقاط رئيسية حول الكربون الأسود:

• ما هو الكربون الأسود؟.
• تطورها التاريخي.
• نمو صناعة الكربون الأسود.
• كيفية استخدام الكربون الأسود.
• الأنواع المختلفة من الكربون الأسود.
• هيكلها ووظيفتها.
• عملية الإنتاج.
• الفرص والتحديات في هذا القطاع.
• تطوير الصناعة.
• كيفية اختيار الكربون الأسود ومجالات استخدامه الرئيسية.

سيساعدك هذا على فهم الكربون الأسود، وهو مادة خام صناعية مهمة.

ما هو الكربون الأسود؟

الكربون الأسود نوع من الكربون غير المتبلور. وهو مسحوق أسود خفيف الوزن، ناعم جدًا، ومتناثر. يمكن تشبيهه برماد قاع القدر. ينتج عن الاحتراق غير الكامل أو التحلل غير الكامل للمواد الغنية بالكربون، مثل الفحم والغاز الطبيعي والنفط الثقيل وزيت الوقود. يحدث هذا عندما لا يتوفر ما يكفي من الهواء.

يتكون الكربون الأسود بشكل أساسي من الكربون. وهو أقدم مادة نانوية طُوِّرت وطُبِّقت ولا تزال تُنتَج حتى اليوم. يتراوح حجم جسيماته الأساسية بين 10 و100 نانومتر. يتميز الكربون الأسود بقدرته الفائقة على تقوية المطاط، وتلوينه، وتوصيله للكهرباء، ومقاومته للكهرباء الساكنة، وامتصاصه للأشعة فوق البنفسجية. يُصنَّف الكربون الأسود ضمن 25 منتجًا كيميائيًا أساسيًا ومنتجات كيميائية دقيقة في المجال الكيميائي العالمي. وتلعب صناعة الكربون الأسود دورًا محوريًا في صناعات الإطارات والصباغة، كما تُسهم في تحسين جودة المنتجات اليومية.

التطور التاريخي للكربون الأسود

يُعدّ الكربون الأسود من أوائل المنتجات البتروكيماوية الرئيسية المعروفة اليوم. في العصور القديمة، كان يُطلق عليه اسم "تاي" أو "سخام الدخان" أو "دخان الصنوبر". استُخدم اسم "تاي" حتى نهاية القرن التاسع عشر. ومنذ ظهور صناعة الكربون الأسود عام ١٨٧٢، استُبدل تدريجيًا بمصطلح "الكربون الأسود".

للكربون الأسود تاريخ عريق. تشير السجلات إلى أن الصين من أوائل دول العالم التي أنتجته. في العصور القديمة، كان الناس يحرقون زيوت الحيوانات والنباتات، بالإضافة إلى أغصان الصنوبر، ويجمعون الرماد الأسود الناتج عن الدخان. ثم استخدموا هذا الرماد لصنع الحبر والأصباغ السوداء. تعود نقوش عظام التنبؤات في عهد أسرة شانغ إلى ثلاثة آلاف عام، حيث استخدموا "سخام الدخان" كحبر. كما كُتبت شرائح الخيزران القديمة في بلادي بالحبر.

بصمة الكربون الأسود في التاريخ الصيني

خلال فترة الممالك الثلاث، دوّن تساو تشي أن "الحبر يُستخرج من دخان الصنوبر الأخضر". وبحلول عهد أسرة جين، شاع إنتاج الحبر المصنوع يدويًا من دخان الصنوبر والكربون الأسود. وفي عهد أسرة تانغ الجنوبية، بدأت بلادي باستخدام زيت التونغ وزيوت حيوانية ونباتية أخرى. وعندما لا يتوفر هواء كافٍ، لا يحترق الزيت احتراقًا كاملًا، مما يؤدي إلى تكوّن الكربون الأسود وتجمعه أسفل وعاء الدخان الخزفي، مُنتجًا كربونًا أسود عالي الجودة. وفي كتاب "يونلو مانتشاو" لتشاو يانوي من عهد أسرة سونغ، ذُكر أن صانعي الحبر كانوا يستخدمون حوضًا مائيًا في ذلك الوقت.

كانوا يضعون الماء في وعاء، ثم يضعون أحواضًا وأوعية في وسطه. بعد ذلك، كانوا يحرقون زيت التونغ ويغطونه بوعاء. يقوم شخصٌ ما بتنظيف عود الثقاب، وخلطه بغراء البقر، وعجنه. هذه الطريقة سريعة ومريحة للغاية، وتُسمى "دخان الزيت". هذا وصف لعملية حرق زيت التونغ لصنع الحبر. يتضح من ذلك وجود ورش حرفية متخصصة في حرق الدخان لصنع الحبر في ذلك الوقت. في ذلك الوقت، كانت الإنتاجية منخفضة، مما يعني أن إنتاج الحبر لم يكن فعالًا، وبالتالي كان مكلفًا للغاية. وقد عبّر سو دونغبو عن ذلك في قصيدته: "ألتقط جمرًا خفيفًا من نافذة الكتاب، وأكنس عبير خيمة بوذا المتبقي". "أعمل بجد لألف ليلة، فأحصل على هذه اليشم الصغيرة".”

صعود صناعة الكربون الأسود

في عام 1821، استخدم الناس الغاز الطبيعي كمادة خام لإنتاج الكربون الأسود لأول مرة في أمريكا الشمالية. ومنذ ذلك الحين، لم يعد الكربون الأسود مجرد "سخام".

في عام 1872، أدرك العالم إمكانية إنتاج الكربون الأسود على نطاق صناعي، وظهر مصطلح "الكربون الأسود" في الوقت نفسه. وبدأ استخراج النفط والغاز تباعاً. أدى هذا الإمداد المستمر بالمواد الخام إلى تغيير جذري في إنتاج الكربون الأسود، حيث انتقل من العمل اليدوي إلى صناعة واسعة النطاق.

في عام 1904، وجد البريطانيون أن الكربون الأسود يعمل بشكل أفضل من أكسيد الزنك كعامل تقوية للمطاط.

في عام 1912، استخدمت شركة جوديير الأمريكية لأول مرة الكربون الأسود كمادة تقوية للإطارات.

في أوائل القرن العشرين، كانت الإطارات في الغالب بيضاء أو حمراء، وتدوم حوالي 3000 كيلومتر. ثم غيّر الكربون الأسود كل شيء، فأصبحت الإطارات الآن تدوم لأكثر من 60000 كيلومتر! يُقوّي الكربون الأسود الإطارات، مما ساهم في زيادة إنتاجها بشكل كبير.

يمكن وصف العملية المحددة بإيجاز على النحو التالي:

1. في بدايات صناعة الكربون الأسود، كان الغاز الطبيعي يُستخدم كمادة خام. وكانت طريقة الإنتاج الأساسية هي عملية القناة. وكانت المعدات ضخمة والإنتاج منخفضاً.

٢- إنتاج الكربون الأسود في الأفران خلال أربعينيات القرن العشرين، بما في ذلك طريقة فرن الزيت وطريقة فرن الغاز. تستخدم هذه الطريقة معدات أقل وتزيد الإنتاج. مع ذلك، فإن الجودة ليست بنفس جودة الكربون الأسود المُنتَج في القنوات.

3. بدأ بلدي إنتاج الكربون الأسود المُنتَج في قنوات الاحتراق في فوشون وسيتشوان خلال خمسينيات القرن الماضي. ثم، في ستينيات القرن نفسه، بدأنا إنتاج الكربون الأسود المُنتَج في الأفران. وفي عام 1985، استورد مصنع تيانجين للكربون الأسود خط إنتاج الكربون الأسود القاري الصلب من الولايات المتحدة الأمريكية، بسعة 15000 طن. وقد حدث ذلك خلال ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي. وفي وقت لاحق، استوعب مصنع تيانجين للكربون الأسود، ومصنع فوشون الكيميائي، ومعهد أبحاث الكربون الأسود خط الإنتاج الجديد وقاموا بتطويره.

استخدامات الكربون الأسود

التطبيق في صناعة المطاط

يُستخدم أكثر من 901 طن من الكربون الأسود المُنتَج في صناعة المطاط. ويُستخدم الكربون الأسود بشكل رئيسي في أنواع مختلفة من الإطارات، بما في ذلك إطارات السيارات والجرارات والطائرات والدراجات. يحتاج إطار السيارة العادي إلى حوالي 10 كيلوغرامات من الكربون الأسود. يُخصَّص معظم الكربون الأسود المُستخدَم في صناعة المطاط لإنتاج الإطارات، حيث يُشكِّل أكثر من 751 طن. أما الباقي فيُستخدَم في منتجات مطاطية أخرى مثل الأشرطة والخراطيم والأحذية. في صناعة المطاط، يُقدَّر استهلاك الكربون الأسود بحوالي 40-501 طن من إجمالي استهلاك المطاط.

لماذا يُستخدم الكربون الأسود بكثرة في صناعة المطاط؟

يُستخدم الكربون الأسود بكميات كبيرة في صناعة المطاط نظرًا لقدرته الفائقة على تعزيز خصائصه. وقد اكتُشفت هذه الخاصية لأول مرة في المطاط الطبيعي عام ١٩١٤، وثبت الآن أنها أكثر أهمية في تعزيز المطاط الصناعي. وتتمثل الفائدة الرئيسية للكربون الأسود في الإطارات في تحسين مقاومة التآكل لسطح الإطار. إذ يمكن لإطار مُعزز بالكربون الأسود 30% أن يدوم ما بين ٤٨٠٠٠ و ٦٤٠٠٠ كيلومتر، بينما لا يدوم إطار يستخدم نفس الكمية من مواد مالئة غير مُعززة سوى ٤٨٠٠ كيلومتر. كما يُحسّن الكربون الأسود المُعزز الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لمنتجات المطاط، بما في ذلك زيادة قوة الشد ومقاومة التمزق.

يمكن أن تؤدي إضافة الكربون الأسود إلى المطاط البلوري، مثل المطاط الطبيعي أو الكلوروبرين، إلى زيادة قوة الشد للمطاط المُفلكن بمقدار يتراوح بين 1 و1.7 ضعف. أما في المطاط غير البلوري، مثل مطاط الستايرين-بوتادين أو مطاط النتريل، فيمكن أن تزداد القوة بمقدار يتراوح بين 4 و12 ضعفًا.

في صناعة المطاط، يُختار نوع وكمية الكربون الأسود وفقًا للاستخدام المقصود للمنتج والظروف التي سيواجهها. بالنسبة لمداس الإطارات، تُعد مقاومة التآكل أولوية قصوى، لذا يلزم استخدام كربون أسود عالي التعزيز. تشمل الخيارات كربون أسود فائق المقاومة للتآكل، وكربون أسود متوسط المقاومة للتآكل، وكربون أسود عالي المقاومة للتآكل مُصنّع في الأفران. كما يُفضل استخدام كربون أسود ذي فقد منخفض في التخلف المغناطيسي ويُنتج حرارة قليلة في مطاط المداس والهيكل.

التطبيق في صناعة الأحبار

يُعدّ الكربون الأسود المادة الخام الرئيسية لحبر الطباعة الأسود. وتستخدم معظم الأحبار الحديثة صبغة الكربون الأسود عالية الجودة. تتميز أحبار الطباعة المصنوعة من الكربون الأسود عالي الجودة بوضوح الكتابة وألوانها الزاهية، مما يؤثر بشكل كبير على جودة طباعة الصحف والمجلات، وبالتالي على الحياة الثقافية للناس. تتعدد أنواع الأحبار الحديثة ذات الاستخدامات المتنوعة، ومن بينها يُشكّل الكربون الأسود المستخدم في حبر الصحف حوالي 701 طن من إجمالي الكربون الأسود المستخدم في الأحبار. يحتوي حبر الصحف على ما بين 11 و131 طن من الكربون الأسود. ويُستهلك حوالي 16 كيلوغرامًا من حبر الصحف لكل طن مطبوع من الصحف.

تؤثر الخصائص الأساسية للكربون الأسود، مثل حجم الجسيمات ومساحة السطح، بشكل كبير على كيفية أداء الحبر ومعالجته.

تحتاج صناعة الأحبار إلى الكربون الأسود لتلبية العديد من المتطلبات الرئيسية:

• سواد
• لون
• سيولة
• اللزوجة
• تجفيف
• الانسيابية

نظراً لاختلاف أغراض الاستخدام، فإن أنواع الأحبار المختلفة لها متطلبات مختلفة من الكربون الأسود.

التطبيق في صناعة الطلاء

الطلاء هو ما نسميه عادةً بالدهان. يتميز الكربون الأسود بثباته العالي ضد المواد الكيميائية والضوء والحرارة، مما يجعله أفضل من أصباغ الكربون الأسود غير العضوية الأخرى والأصباغ السوداء العضوية. يُستخدم الكربون الأسود في الطلاءات، فهو يتميز بانخفاض تفاعليته، وسواده الشديد، ومقاومته الجيدة للعوامل الجوية، وقدرته العالية على التلوين. يُعدّ الكربون الأسود عالي الجودة مثاليًا لطلاء الراتنجات الصناعية، حيث يُستخدم كطبقة نهائية للسيارات. كما يُمكن استخدامه كطلاء زخرفي للدراجات الهوائية، وآلات الخياطة، والآلات الموسيقية. يُمكن استخدام الكربون الأسود الموصل كطبقة أساسية للطلاء الكهربائي القابل للذوبان في الماء.

التطبيق في صناعة البلاستيك

يُستخدم الكربون الأسود بشكل أساسي كمُلوّن في البلاستيك. يُقاوم البلاستيك المُضاف إليه الكربون الأسود التلف الناتج عن الحرارة، كما أنه يُحافظ على حجمه بشكل أقل. يُعزز الكربون الأسود أيضًا الصلابة، والمتانة، والتوصيل الكهربائي والحراري، ومقاومة التآكل. والأهم من ذلك، أنه يُوفر حماية من الإشعاع والأشعة فوق البنفسجية، بالإضافة إلى خصائص مضادة للأكسدة. تتراوح كمية الكربون الأسود في البلاستيك عادةً بين 1 و2.751 طن متري.

تطبيقات أخرى

للكربون الأسود استخدامات عديدة. فإلى جانب استخداماته الرئيسية، يدخل في صناعة البطاريات الجافة ومنتجات الكربون الكهربائية. كما يُستخدم في المكونات الكهربائية والإلكترونية، وفي السبائك الصلبة، والجرافيت عالي النقاء، والطباعة والصباغة. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم الكربون الأسود في التصوير الكهروستاتيكي، وأفلام التصوير، والبارود. كما يدخل في صناعة الإسمنت، والجلود، والشحوم، والصب، والزراعة، وغيرها. وفي هذه القطاعات، ورغم قلة كمية الكربون الأسود المستخدمة، إلا أنه غالباً ما يكون له دور بالغ الأهمية.

تصنيف الكربون الأسود

التصنيف حسب الإنتاج

ينقسم بشكل رئيسي إلى أسود المصابيح، وأسود الغاز، وأسود الأفران، وأسود القنوات.

التصنيف حسب الاستخدام

غالباً ما يتم تصنيف الكربون الأسود بناءً على استخداماته:

• صبغة الكربون الأسود
• أسود الكربون المطاطي
• الكربون الأسود الموصل
• أسود الكربون الخاص

يُصنّف الكربون الأسود المستخدم في الصبغات عالميًا بناءً على قدرته على التلوين. يوجد ثلاثة أنواع: الكربون الأسود عالي الصبغة، والكربون الأسود متوسط الصبغة، والكربون الأسود منخفض الصبغة. يستخدم هذا التصنيف ثلاثة أحرف إنجليزية. يشير الحرفان الأولان إلى مدى جودة تلوين الكربون الأسود، بينما يشير الحرف الأخير إلى طريقة تصنيعه.

التصنيف حسب الوظيفة

وينقسم بشكل رئيسي إلى الكربون الأسود المقوي، والكربون الأسود الملون، والكربون الأسود الموصل، وما إلى ذلك.

التصنيف حسب النموذج

وهي تنقسم بشكل رئيسي إلى N220، N330، N550، N660، N990، N110، N115، N234، N326، N339، N375، N539، N550، N880، إلخ.

رقم سري	متوسط حجم الجسيمات (نانومتر)	متنوع	الاختصارات
1	1-10
2	11-19	مقاومة فائقة للتآكل	القوات المسلحة السنغافورية
3	20-25	متوسط مقاوم للتآكل بشكل فائق	قوة المساعدة الدولية لإرساء الأمن في أفغانستان (إيساف)
4	26-30	مقاومة عالية للتآكل	HAF
5	31-39	الجسيمات الدقيقة	FF
6	40-48	البثق السريع	FFF
7	49-60	عام	GPF
8	61-100	شبه معزز	SRF
9	101-200	التكسير الحراري للجسيمات الدقيقة	FT
10	201-500	التكسير الحراري للجسيمات المتوسطة	MT

المعايير الدولية لتسمية الكربون الأسود:

كان يُصنَّف الكربون الأسود المستخدم في صناعة المطاط سابقًا حسب حجم الجسيمات، أما الآن فيُصنَّف حسب مساحة سطح النيتروجين. كما تُؤخذ سرعة الفلكنة وبنية صبغة الكربون الأسود في الاعتبار عند التسمية. يوجد أربعة أنظمة تصنيف. يُشير الحرف الأول باللغة الإنجليزية إلى سرعة فلكنة مركب المطاط، حيث يرمز الحرف N إلى السرعة العادية، بينما يرمز الحرف S إلى السرعة البطيئة. أما الأرقام الثلاثة التالية فهي أرقام عربية. يُشير الرقم الأول إلى نطاق مساحة سطح النيتروجين في الكربون الأسود، ويتراوح من 0 إلى 9 مستويات. وتُحدد لجنة D24.41 التابعة للجمعية الأمريكية للاختبار والمواد الرقمين الثاني والثالث، واللذان يُشيران إلى درجات البنية في الكربون الأسود، ويعكسان بنيته العالية والمنخفضة تقريبًا، بناءً على معايير محددة. وبشكل عام، كلما زاد الرقم، زادت درجة البنية.

يوضح:

يُعدّ الكربون الأسود N330 نوعًا عالي المقاومة للتآكل من الكربون الأسود المستخدم في أفران الصهر. وهو الأكثر استخدامًا على نطاق واسع. مع أن مقاومته للتآكل أقل قليلًا من سلسلة الكربون الأسود فائقة المقاومة للتآكل، إلا أنه أفضل من الكربون الأسود المستخدم في القنوات. يُستخدم هذا المنتج في صناعة مداسات الإطارات، والمطاط المُقوّى، والجدران الجانبية، والعديد من المنتجات الصناعية المطاطية. يُعزز هذا النوع من الكربون الأسود المطاط، حيث يُحسّن قوة الشد، ومقاومة التمزق، ومقاومة التآكل، والمرونة. يُلاحظ أن فقدان التدحرج في إطارات سيارات الركاب عند استخدام هذا المنتج أكبر من نظيره في N351 ضمن سلسلة N300، ولكنه أقل من الأنواع الأخرى. يتميز هذا المنتج بخصائص تشتت وبثق ممتازة في مركبات المطاط، وهو مناسب للاستخدام مع كل من المطاط الصناعي والطبيعي.

بنية ووظيفة الكربون الأسود

تُحدد بنية الكربون الأسود بدرجة تجمع جزيئاته في سلاسل أو عناقيد عنقودية. يتكون الكربون الأسود عالي البنية من تجمعات تختلف في حجمها وشكلها وعدد جزيئاتها. غالبًا ما تُستخدم قيمة امتصاص الزيت كمؤشر على البنية، فكلما ارتفعت هذه القيمة، دلّ ذلك على بنية أكبر للكربون الأسود، مما يُسهّل تكوين شبكة فراغية، وبالتالي يجعله أكثر استقرارًا.

تكوين الكربون الأسود

يشير مصطلح الكربون الأسود عمومًا إلى جزيئات الكربون. وينتج هذا عادةً عن الاحتراق غير الكامل للمواد العضوية. في هذه العملية، يتحول الهيدروجين والأكسجين إلى ماء، بينما لا يحترق الكربون احتراقًا كاملًا، بل ينفصل عن الجزيئات مكونًا الكربون الأسود.

أشكال مختلفة

يتكون الكربون الأسود من الكربون، ولكنه يُصنف عادةً كصبغة غير عضوية. وهو مسحوق أسود يُصنع من الاحتراق غير الكامل أو التكسير الحراري للهيدروكربونات في حالتها الغازية. وتؤدي عمليات الإنتاج المختلفة إلى منتجات متنوعة ذات خصائص فريدة تبعًا للظروف المستخدمة.

البنية المجهرية للكربون الأسود

تتميز جزيئات الكربون الأسود ببنية بلورية دقيقة. في الكربون الأسود، يكون ترتيب ذرات الكربون مشابهًا لترتيبها في الجرافيت، حيث تشكل مستويات سداسية. عادةً ما تتكون البلورة الدقيقة من 3 إلى 5 مستويات من هذا النوع. تكون ذرات الكربون في كل طبقة من طبقات الجرافيت في بلورات الكربون الأسود الدقيقة مرتبة بدقة. مع ذلك، يكون الترتيب بين الطبقات غير منتظم. لذلك، تُعرف هذه البلورات الدقيقة أيضًا باسم بلورات شبه الجرافيت.

حجم جزيئات الكربون الأسود

قد يصل حجم جزيئات صبغة الكربون الأسود إلى 5 نانومتر. لا توجد جزيئات الكربون الأسود عادةً منفردة، بل تتصل العديد منها عبر طبقة بلورات الكربون، مُشكّلةً بذلك بنيةً شبيهةً بالسلسلة. تُنتج عمليات الإنتاج المختلفة جزيئات الكربون الأسود بأحجام متنوعة. ينتج عن إنتاج الكربون الأسود باستخدام الفحم منتج خشن، بينما ينتج عن إنتاج الكربون الأسود باستخدام الغاز منتجًا أكثر نعومة.

ملاحظة: يمكن لعملية إنتاج الكربون الأسود في الأفران إنتاج أنواع من الكربون الأسود بأحجام جسيمات متنوعة. وتختلف أحجام جسيمات النوع الواحد من الكربون الأسود، حيث تُظهر نطاقًا واسعًا في توزيع أحجام الجسيمات. وبشكل عام، يتميز النوع ذو الجسيمات الدقيقة بتوزيع أضيق لأحجام الجسيمات.

عملية إنتاج الكربون الأسود

يعتمد مبدأ إنتاج الكربون الأسود عمومًا على جزيئات عنصر الكربون. يؤدي الاحتراق غير الكامل للمواد العضوية إلى تحويل الهيدروجين والأكسجين إلى ماء. ومع ذلك، لا يحترق الكربون احتراقًا كاملًا، بل ينفصل عن جزيئاته، مُكَوِّنًا الكربون الأسود. الكربون الأسود عبارة عن مسحوق أسود اللون، يتكون عندما تحترق الهيدروكربونات احتراقًا غير كامل أو عندما تخضع للتكسير الحراري.

تؤدي طرق الإنتاج المختلفة إلى منتجات متنوعة ذات خصائص فريدة. ويحدث هذا بناءً على ظروف العملية المحددة المستخدمة.

المواد الخام لإنتاج الكربون الأسود

المواد الخام الرئيسية لصنع الكربون الأسود هي:

• قطران الفحم
• قطران الإيثيلين
• زيت الأنثراسين
• الغاز الطبيعي
• غاز الفرن العالي

تشمل المواد الأخرى المستخدمة منتجات البترول، وقطران الفحم الإسفلتي، وزيت النيتروجين. جميع هذه المواد تحتوي على نسبة عالية جداً من الكربون.

من عمليات الإنتاج الشائعة ما يلي:

• طريقة الفرن
• طريقة الرش
• طريقة دخان المصباح
• طريقة الفتحة
• طريقة البكرة
• طريقة الغاز المختلط
• طريقة التكسير الحراري
• طريقة الأسيتيلين
• طريقة البلازما

طرق الاحتراق غير الكامل هي:

• طريقة الفرن
• طريقة الرش
• طريقة دخان المصباح
• طريقة الفتحة
• طريقة البكرة
• طريقة الغاز المختلط

تشمل طرق التكسير الحراري ما يلي:

• طريقة التكسير الحراري
• طريقة الأسيتيلين
• طريقة البلازما

عملية إنتاج السخام

أقدم طريقة لإنتاج الكربون الأسود هي طريقة حرق الفحم. في هذه العملية، تُحرق المادة الخام على صفيحة حديدية مسطحة قد يصل عرضها إلى 1.5 متر. يجمع غطاء العادم غاز الاحتراق المحتوي على الكربون الأسود، ثم يتدفق عبر أنبوب منحني بزاوية 1/4 بوصة وأنبوب الاحتراق ليصل إلى جهاز الترسيب. وللتحكم في خصائص الكربون الأسود، يجب التأكد من احتراق المادة الخام بشكل غير كامل تقريبًا، ويحدث ذلك بالقرب من الفجوة بين صفيحة الاحتراق وغطاء العادم.

في المرحلة التالية، يحدث الاحتراق مع التكسير الحراري. ويحدث هذا عندما يكون الأكسجين غير كافٍ، مما يؤدي إلى تكوّن جزيئات أكبر من الكربون الأسود. ولهذه الأسباب، يتكوّن نطاق واسع من أحجام الجزيئات، يتميز في الغالب بالجزيئات الخشنة. لا يتفاعل سوى جزء صغير من الجزيئات المتكوّنة بين صفيحة الاحتراق وغطاء العادم مع أكسجين الهواء. لذا، يحتوي هذا الكربون الأسود على القليل من أكاسيد السطح، وقيمة الرقم الهيدروجيني له متعادلة، ويحتوي على كمية ضئيلة جدًا من المواد المتطايرة.

عملية إنتاج الغاز الأسود

يُستمد اسم "الكربون الأسود" من طريقة تصنيعه. ففي البداية، تُسخّن الهيدروكربونات الخام وتُبخّر. ثم يحمل غازٌ ذاتي الاشتعال البخار إلى الموقد، مُزوّداً إياه بالطاقة. ويتشكّل الكربون الأسود في العديد من اللهب المروحي الشكل الذي تُنتجه هذه المواقد ذات الشكل المخروطي.

كل لهب صغير يحترق في الهواء. لذا، تختلف طريقة تكوّن الكربون الأسود عن طريقة تكوّن السخام. ينتج السخام عن احتراق غير كامل. جزيئات الكربون الأسود دقيقة للغاية، ويتراوح متوسط حجمها بين 10 و30 نانومترًا، حسب النوع. أما بالنسبة للغاز الأسود، فيبلغ متوسط حجم الجزيئات 13 نانومترًا. فوق اللهب المشتعل، توجد أسطوانة مملوءة بالماء تدور ببطء، حيث يترسب الكربون الأسود عليها، ثم يُكشط. عندما يكون الكربون الأسود لا يزال ساخنًا، يلامس أكسجين الهواء، مما يُسبب أكسدة جزئية وتكوين العديد من المجموعات الحمضية. قيمة الرقم الهيدروجيني للغاز الأسود تقع ضمن النطاق الحمضي. ويمكن الحصول على حوالي 6% من المواد المتطايرة، والتي تمثل محتوى أكسيد السطح.

عملية إنتاج اللون الأسود من شانيل

تستخدم هذه العملية الإنتاجية الغاز الطبيعي كمادة خام. تشبه عملية إنتاج الكربون الأسود عملية احتراق الغاز المستخدمة في إنتاج الكربون الأسود الغازي. يحترق الغاز الطبيعي بلهب على شكل مروحة، والنتيجة النهائية تشبه إلى حد كبير الكربون الأسود الغازي. الفرق هو استخدام حوض مسطح على شكل حرف U مبرد بالماء كحوض لترسيب الكربون الأسود. ولأسباب بيئية واقتصادية، توقف استخدام هذه الطريقة منذ سنوات عديدة. لا يضر إنتاج الكربون الأسود الغازي بالبيئة، ولا تزال هذه العملية القائمة على الغاز مستخدمة حتى اليوم.

عملية إنتاج السخام الناتج عن الأفران

يتشكل السخام الغازي في الهواء الطلق. في المقابل، يُصنع السخام الفرني في فرن مغلق بكمية محدودة من الأكسجين. ويحل لهب كبير محل العديد من اللهب الصغيرة. ويُستخدم الزيت كوقود، ويُضاف إليه غاز قابل للاشتعال لتسخين الفرن إلى درجة الحرارة المطلوبة. ويمكن الحصول على اللون الأسود المطلوب من خلال تعديل عملية إنتاج السخام الفرني. فعلى سبيل المثال، يمكن أن يكون للسخام الكربوني أحجام جسيمات متوسطة متعددة، تتراوح من 80 نانومتر إلى 15 نانومتر، وحتى أصغر من ذلك، مثل جسيمات السخام الغازي. ومع ذلك، حتى مع تساوي حجم الجسيمات، يظل السخام الغازي والسخام الفرني مختلفين، ويعود ذلك أساسًا إلى اختلاف التركيب الكيميائي للسطح. فمنتجات السخام الفرني أكثر خشونة، ويبلغ متوسط حجم جسيماتها 40 نانومتر.

يمكنك إضافة كمية صغيرة من المركبات القلوية أو مواد مضافة أخرى عند استخدام عملية إنتاج الكربون الأسود. يؤدي ذلك إلى تغيير نوع وتكتل الجزيئات. ونتيجة لذلك، يمكنك الحصول على كربون أسود عالي البنية أو منخفض البنية.

نظرًا لأن الكربون الأسود يُنتج تحت ضغط منخفض جدًا (أقل من الضغط الجوي) وبكمية هواء غير كافية، فإن معظمه يفتقر إلى أكاسيد سطحية حمضية، ولكنه يحتوي على بنية البيرون المتفاعلة مع الوسط القلوي المذكورة سابقًا. ويعود الرقم الهيدروجيني القلوي للكربون الأسود إلى إضافة تربة قلوية إلى الماء البارد، وهو ما يحدث أثناء عملية التبريد بالرش في إنتاج الكربون الأسود. كما تُضاف أملاح قلوية للمساعدة في اختزال البنية. بالإضافة إلى ذلك، إذا لم يخضع الكربون الأسود لمعالجة ما بعد الأكسدة، فإن محتواه من المواد المتطايرة يكون منخفضًا.

كيفية اختيار الكربون الأسود

اختر الكربون الأسود بعناية. قبل الاختيار، فكّر في أهدافك: ما الذي ترغب بتحقيقه باستخدام الكربون الأسود؟ هل هو التلوين، أم مقاومة الأشعة فوق البنفسجية، أم التوصيل الكهربائي؟ الخطوة الأساسية هي استشارة مهندسين متخصصين في الكربون الأسود. تعاونوا معًا لتقييم نظام المادة، ثم اختاروا أفضل أنواع الكربون الأسود. للتلوين، اختر كربونًا أسود داكنًا جدًا بجزيئات صغيرة، وتأكد من تشتته الجيد. إذا لم يكن كذلك، فلن يفي بالمتطلبات المطلوبة. لمطابقة الألوان، اختر كربونًا أسود باهتًا، بجزيئات كبيرة الحجم وسهلة التشتت. لمقاومة الأشعة فوق البنفسجية في البلاستيك والمطاط، استخدم كربونًا أسود متوسط الحجم بجزيئات ذات بنية أكثر كثافة، فهو يوفر حماية جيدة من الأشعة فوق البنفسجية.

الخصائص الأساسية للكربون الأسود

تحدد خصائص الكربون الأسود استخداماته المحددة في مختلف المجالات الصناعية. وفيما يلي أهم معايير أدائه:

• ① حجم الجسيمات (حجم الجسيمات الأولية)
  • يُعد حجم الجسيمات خاصية أساسية للكربون الأسود، فهو يؤثر بشكل مباشر على أدائه.
  • الجزيئات الأصغر حجماً تعني مزيداً من السواد ومساحة سطح أكبر. مع ذلك، قد يؤدي ذلك إلى تدهور قابلية التشتت.
  • كلما زاد حجم الجسيمات: قل السواد، ولكن يصبح من الأسهل تشتيتها.
• ٢- البنية (قيمة امتصاص ثنائي بوتيل الفثالات): تعتمد بنية الكربون الأسود على طريقة تجميع الجزيئات. عادةً ما تشير قيم البنية الأعلى إلى أشكال جزيئات أكثر تعقيدًا.
  • الكربون الأسود عالي البنية: يحسن قابلية التشتت والتوصيل، ولكنه قد يقلل من السواد؛;
  • أسود الكربون ذو البنية المنخفضة: يُظهر درجة سواد أعلى، ولكنه أقل قابلية للتشتت.
• ③ مساحة السطح (مساحة السطح النوعية الكلية ومساحة السطح النوعية الخارجية) عادةً ما يتم تحديد مساحة السطح من خلال مساحة السطح النوعية لامتصاص النيتروجين (NSA) ومساحة السطح النوعية الخارجية (STSA):
  • NSA (المساحة السطحية النوعية الكلية): تعكس المساحة السطحية الكلية للكربون الأسود؛;
  • مساحة السطح النوعية الخارجية (STSA): تقيس فقط مساحة السطح خارج الجسيم.
  • مع ازدياد المسامية، تتسع الفجوة بين NSA وSTSA. وهذا بدوره يزيد من الطلب على الحامل واللزوجة.
• ④ كيمياء السطح: توجد مجموعات وظيفية متنوعة (مثل الأكاسيد والكبريتيدات) على سطح الكربون الأسود، والتي يمكنها:
  • زيادة معدل امتصاص الرطوبة للكربون الأسود؛;
  • تحسين توافق الكربون الأسود مع الراتنجات والطلاءات وما إلى ذلك.

معدات تكسير الكربون الأسود الموصى بها

تُعدّ معدات التكسير والفرز أساسية في صناعة الكربون الأسود، إذ تُساعد على إنتاج جزيئات كربون أسود فائقة النعومة ومتجانسة وذات خصائص وظيفية عالية. فيما يلي بعض أنواع المعدات الموصى بها.

آلة الطحن والتصنيف الميكانيكية فائقة الدقة (سلسلة ACM)

الميزات: EPIC Powder Machinery مطحنة تصنيف الهواء MJW تستطيع هذه السلسلة طحن الكربون الأسود إلى حجم حبيبات أقل من 45 ميكرومتر (D100). ويبلغ حجم بقايا المنخل ذي مقاس 325 مش أقل من 0.001%. كما تدعم هذه السلسلة درجات نعومة مخصصة تتراوح من 600 مش إلى 2000 مش. وتدعم أيضًا عملية تعديل التنشيط لتعزيز التجاذب بين الكربون الأسود والبوليمر.

التطبيق: معالجة الكربون الأسود المتشقق بعمق لإنشاء مواد مالئة عالية القيمة أو مواد موصلة.

مصنف تدفق الهواء (سلسلة HTS)

الميزات: تستخدم آلات EPIC Powder Machinery نظام تشغيل مغلق بالكامل بضغط سلبي. تتيح هذه الطريقة التكسير في درجات حرارة منخفضة، مما يساعد على تجنب تلوث المواد. يصل معدل الإنتاج إلى 80% للمسحوق الأسود. تعمل المصنفات متعددة المراحل على التوالي، مما يساعد على إنشاء توزيع دقيق لحجم الجسيمات. إنه مثالي لإنتاج أسود الكربون عالي النقاء.

التطبيق: حبر الطابعة، ومواد أقطاب البطارية، وغيرها من التطبيقات التي تتطلب دقة عالية.