Sadza przewodząca prąd elektryczny

Składająca się z pierwotnego węgla sadza ma kulisty kształt i jest ułożona w agregaty i aglomeraty. Od innych form węgla ( diamentu , grafitu , koksu ) różni się złożoną konfiguracją, wymiarami koloidalnymi i quasi-grafitową strukturą. Czystość i skład sadzy jest praktycznie wolny od zanieczyszczeń nieorganicznych i ekstrahowalnych substancji organicznych.

Rozróżnia się te dwa terminy:

Sadza – specjalnie produkowany rodzaj węgla wykorzystujący proces niecałkowitego spalania przy ograniczonym dostępie tlenu. Artykuł dotyczy tego rodzaju węgla .
Sadza – produkt spalania paliwa pomocniczego (węgiel, węglowodory, ropa naftowa), który uważany jest za substancję niebezpieczną o właściwościach rakotwórczych.

Sadzę można scharakteryzować jako substancję o ponad 97% zawartości węgla amorficznego. Jest szeroko stosowany w wielu dziedzinach chemii przemysłowej. Jest często stosowany w przemyśle wytwórczym tworzyw sztucznych i gumy, gdzie poprawia przewodność elektryczną oraz właściwości elektromagnetyczne lub termoprzewodzące tworzyw sztucznych i gum. Ze względu na swoje zdolności pigmentacyjne jest również wykorzystywany do produkcji specjalnych farb drukarskich, farb i lakierów. Dzięki zaawansowanej strukturze porowatej znajduje również zastosowanie jako nośnik katalizatora, a jego wybitne właściwości sorpcyjne wykorzystywane są m.in. do wychwytywania zanieczyszczeń gazowych w spalarniach odpadów.

W skład sadzy wchodzi przede wszystkim przewodzący rodzaj węgla, który łączy w sobie niezwykle wysoką powierzchnię właściwą oraz silnie rozwiniętą strukturę – mikroporowatość . Jednocześnie składa się z pierwotnych cząstek węgla i charakteryzuje się wysokim stopniem agregacji. Grupowanie sadzy ułatwia tworzenie przewodzącej struktury w tworzywach sztucznych, gumach i innych kompozytach. Te właściwości z góry określają główny obszar zastosowania sadzy przewodzącej prąd elektryczny, tj. modyfikację przewodności elektrycznej prawie wszystkich rodzajów tworzyw sztucznych poprzez dodanie stosunkowo małej ilości sadzy. Takie modyfikacje można wykorzystać do wielu celów, od ustalenia właściwości antystatycznych po dostosowanie przewodności polimeru. Inną cenną właściwością sadzy elektroprzewodzącej jest jej doskonała zdolność pochłaniania promieniowania UV w zakresie widzialnym, np. jako stabilizator UV tworzyw sztucznych, pigment w tuszach do drukarek, farbach i lakierach czy do barwienia tworzyw sztucznych, gum i uszczelniaczy.

Produkcja

Sadza powstaje jako produkt uboczny tak zwanego częściowego utleniania, procesu, podczas którego pozostałości ropy naftowej, takie jak pozostałości próżniowe z destylacji ropy naftowej lub pozostałości z procesu krakingu termicznego, rozdzielają się pod wpływem mieszaniny tlenu i para wodna w wysokich temperaturach około 1300 °C.

Częściowe utlenianie różnych surowców zawsze tworzy gazową mieszaninę zawierającą CO, CO ₂ , H ₂ O, H ₂ , CH ₄ i H ₂ S oraz COS powstające ze związków siarki. Sadza powstaje jako niepożądany produkt uboczny. Ilość sadzy rośnie wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej wtrysku. Zgazowanie metanu daje ok. 0,02% mas., zgazowanie pozostałości ropy naftowej ok. 1-3% masy.

Podczas odpowiedniego procesu sadza jest wychwytywana do wody metodą wypłukiwania, tworząc w ten sposób wodę z sadzy. Wytworzona sadza z 7–15 g/l sadzy jest dalej przetwarzana w zakładzie produkcyjnym na kilka rodzajów substratów węglowych. Główną zasadą produkcji jest izolowanie węgla z wody za pomocą benzyny granulowanej, gdzie intensywna homogenizacja powoduje przemianę węgla z fazy wodnej w fazę organiczną, czyli przemianę zawiesiny wodno-węglowej w zawiesinę benzynowo-węglową w postaci granulatu węglowego . Granulki węglowe są następnie przetwarzane na gotowy produkt – substrat węglowy. Proporcjonalność obu mediów zależy przede wszystkim od zawartości węgla oraz właściwości fizykochemicznych wody sadzowej i benzyny granulowanej.

Rodzaje sadzy elektroprzewodzącej


Sadza	ZAKŁAD	OAN
przewodzący (cca)	120	100
nadprzewodzący (cca)	250	180
ekstraprzewodzący (cca)	800-1200	300–400
ultraprzewodzący	1300-1400	> 600

Właściwości fizyczne i chemiczne sadzy elektroprzewodzącej

Struktura

Sadza jest zasadniczo utworzona z pierwotnego węgla, ale jej struktura jest znacznie mniej uporządkowana niż na przykład grafitu. Sadza występuje w postaci dyskretnych cząstek, jednak podczas procesu produkcyjnego jej kuliste cząstki, zwane też cząstkami pierwotnymi, łączą się (agregaty) w łańcuchy lub skupiska. Te agregaty tworzą następnie najmniejsze jednostki sadzy. Definiują one tak zwaną strukturę pierwotną. Strukturę pierwotną charakteryzują: wielkość cząstek pierwotnych, wielkość powierzchni, wielkość i struktura agregatów czy „skład chemiczny” powierzchni sadzy. Właściwości te określają inne cechy sadzy, takie jak właściwości adsorpcyjne, gęstość, przewodność elektryczna, absorpcja promieniowania UV lub światła widzialnego.

Wbudowana sadza przewodząca prąd elektryczny w matrycy polipropylenowej

Sadza elektroprzewodząca – Struktura 1

Sadza elektroprzewodząca – Struktura 2

Powierzchnia

Najważniejszą cechą sadzy jest wielkość jej cząstek pierwotnych i związana z tym powierzchnia. Wielkość cząstek pierwotnych opisuje wielkość poszczególnych kulistych cząstek, które tworzą strukturę pierwotną. Wielkość poszczególnych cząstek określa się za pomocą mikroskopu elektronowego . Stwierdzono, że im mniejsze cząstki, tym większy rozmiar ich powierzchni. Rozmiar cząstek sadzy wynosi od 10 do 100 nm, podczas gdy rozmiar cząstek powierzchni wynosi od 20 do 1500 m2 ^/ g. Ogólnie rzecz biorąc, małe cząstki sadzy o dużej powierzchni są ciemniejsze, mają większą lepkość i mniejszą zwilżalność, są trudniejsze do rozproszenia, zachowują większą przewodność i dobrze pochłaniają promieniowanie UV.

Sadza elektroprzewodząca – Struktura 3

Tekstura

Inną istotną cechą sadzy jest jej struktura i wielkość agregatów. Wielkość i złożoność struktury kruszywa zależy od objętości kulistych cząstek pierwotnych sadzy, które skupiają się razem podczas procesu produkcyjnego. Wysoce złożona struktura sadzy składa się z rozgałęzionych łańcuchów z wieloma wtórnie utworzonymi przestrzeniami w agregacie. Z drugiej strony słabo rozwinięta struktura agregatów to mniejsze skupiska cząstek kulistych, a więc i mniejsze przestrzenie wewnątrz agregatu. Struktura agregatu nie zależy od wielkości cząstek. Ustalono, że cząstki tej samej wielkości mogą mieć agregaty o zupełnie innej strukturze. Ogólnie rzecz biorąc, sadza, która ma silnie rozwiniętą i złożoną strukturę, jest łatwiejsza do zdyspergowania, ma niższą zwilżalność, wyższą przewodność elektryczną i wyższą lepkość.

Charakterystyka powierzchni

Jeszcze inną godną uwagi cechą jest skład chemiczny powierzchni sadzy. Chemisorbowane kompleksy zawierające tlen, takie jak karboksylowe , chinonowe lub fenolowe pojawiają się na powierzchni sadzy. Grupy te, które zawierają tlen, mogą znacząco wpływać na reaktywność chemiczną, zwilżalność, właściwości katalityczne sadzy, przewodnictwo elektryczne itp.

Zdjęcie: Schemat struktury sadzy i tworzenia tekstury

Aplikacje

Aplikacje złożone

polimery (związki, koncentraty)
żywice
gumki
lakiery , farby, kleje , takie jak farba elektryczna firmy Bare Conductive, która może być używana jako malowany element rezystora, elektroda pojemnościowa lub przewodnik w konstrukcjach, które tolerują wysoką rezystywność podczas tworzenia obwodów, a także może być malowana na rękawicach, aby umożliwić ludzi do korzystania z ekranów dotykowych w chłodne dni.

Producenci sadzy elektroprzewodzącej

Niektórzy z głównych światowych producentów sadzy elektroprzewodzącej to UNIPETROL (Chezacarb), CABOT Corporation (Vulcan), DEGUSSA (Printex), AKZO-Nobel (Ketjenblack), TIMCAL (Ensaco), BIRLA CARBON (Conductex) i ORION ENGINEERED CARBONS (XPB ).

Zobacz też

Linki zewnętrzne