Negru de fum

Se cuprinde sub numele de negru de fum pulberile formate din particule de carbune de dimensiuni foarte mici,intre 10 la -5 si 10 la -6 cm,care se depun din gazele rezultate la descompunerea termica a compusilor organici,prin ardere incompleta sau prin incalzire indirecta.La descompunerea termica a metanului in acetilena se formeaza intotdeauna negru de fum,in proportii apreciabile.Principalele materii prime pentru fabricarea negrului de fum sunt:gazul metan,hidrocarburile superioare,reziduurile petroliere,gudroanele si rasinile de conifere.Domeniile de utilizare ale negrului de fum sunt determinate de propietatile sale si anume :suprafata specifica care determina culoarea, puterea de colorare,absorbtia, rezistenta la tractiune a cauciucurilor, a vopselelor sau a cernelurilor,proprietatile electrice si pH-ul extractului apos care indica capacitatea de absorbtie a apei si a compusilor organici.Principalele domenii de utilizare ale negrului de fum sunt :material de umplutura la fabricarea anvelopelor, industria cernelurilor, vopsele si lacuri,hartie de copiat,creioane colorante pentru mase plastice,colorant pentru rasini electroizolante,electrozi si alte domenii.

Proportiile negrului de fum obtinut depind de modelul cum se realizeaza descompunerea termica(prin ardere incompleta,in flacara sau prin incalzirea vaporilor sau a gazelor la temperatura de descompunere)de modul de colectare a suspensiilor de carbune formate si,in sfarsit,de materiile prime intrebuintate.Din aceasta cauza,se intalnesc in industrie numiri foarte variate pentru negru de fum de diferite proveniente.Se cunosc astfel:negru de fum colectat in flacara si negru de fum colectat in gaze de ardere sau in gaze de piroliza,negru de "canale"(fabricat prin colectare in flacara,dupa procedeul "canalelor"),negru de fum de "disociere"(sau de furnal) si negru de fum de explozie ,dupa procedeul de descompunere tremica utilizat.

Dupa materiile prime intrebuintate,se cunosc :negrul de fum provenit din metan(si omologi),negru de fum din distilate sau din reziduuri petroliere lichide sau din grudoane,negrul de fum din rasini si din conifere.Cea mai mare parte din negrul de fum produs se intrebuinteaza ca matterial de umplutura la fabricarea anvelopelor de cauciuc intrucat le mareste mult rezistenta mecanica,cantitati mai mici de negru de fum se intrebuinteaza la fabricarea vopselelor si a cernelelor tipografice.Negru de fum intrebuintat la prelucrarea cauciucului trebuie sa aiba un grad de dispersie cat mai mare si anumita capacitate de adsorbtie ( STAS 101-49);pentru fabricarea vopselelor este mai importanta o putere de coloratie si de apropiere mare,ceea ce permite un continut in compusi volatili mai ridicat.

Procedeele de fabricatie tin seama de aceaste necesitati,pentru produsul intrebuintat la cauciuc,conditiile sunt mai mult severe si implica intotdeauna o proba practica de vulcanizare.In general,se obtine un negru de fum cu particule de dimensiuni cu atat mai mici, cu cat raportul dintre cantitatea de carbune dispersat in gazele de reactie (sub forma de aerosol) si volumul acestor gaze este mai mic.

Din punct de vedere al calitatii este deci avantajos sa se lucreze cu conversii mici in carbune,restul materiei prime fiind transformata fie in gaze de ardere,fie recirculata.Controlul une astfel de fabricatii poate fii realizat in mod convenabil,prin alimentarea cu gaze reci.Fabricarea negrului de fum de buna calitate din produse lichide presupune gazificarea lor prealabila.Descompunerea termica se poate face fie printe-un schimb de caldura direct,realizatprintr-o ardere incompleta,fie printr-o incalzire indirecta ( procedeu care nu se mai intrebuinteaza).Arderea incompleta poate avea loc in arzatoare de gaz, de diferite tipuri, sau in cuptoare cu gaze preincalzite.Formarea carbunelui are loc atat prin descompuneri termice,datorita caldurii reactiilor exoterme de ardere a metanului.(ca la procedeul de fabricatie a acetilenei din metan,prin ardere incompleta),cat si prin descompunerea oxidului de carbon ( format din reactia CH4+1/2 O2=>CO+2H2) in carbon sin bioxid de carbon,conform reactiei 2CO=>C+CO2.

Suspensiile de carbune formate se pot colecta chiar din flacara,prin descompunerea lor pe o suprafata de obicei metalica,intercalata in zona de ardere incompleta ,sau din gaze de ardere,de unde pot fi colecatete fie prin depunere in camere de volum mare,fie prin precipitare electro-statica.Formarea negrului de fum in flacara are loc in zona de ardere interioara (zona reducatoare,in miezul flacarii),izolata de exterior printr-un invelis cald de bioxid de carbon incolor,arderea are loc in masura in care aerul exterior difuzeaza prin acest invelis.Zona intermediara,luminoasa,se datoreste incadescentei particulelor solide de carbon.In aceasta zona se mai gasesc si urmatoarele gaze: CH4,C2H6, CO2, H2, N2 si N2O.Grosimea flacarii si distantei la care incepe sa se formeze negrul de fum variaza in mica masura cu viteza de curgere a gazului.Randamentul si dimensiunea suspensiilor de carbune depind in mare parte de marimea si de forma flacarii,care poate fi modificata dupa modelul arzatorului.

Valoarea optima a raportului dintre suprafata totala de ardere si volumul de gaz,respectiv randamentul si calitatea produsului obtinut depind si de compozitia,presiunea si temperatura gazului,umiditatea,presiunea si temperatura atmosferica,forma si manipularea suprafetelor metalice de depunere.Intercalarea unei suprafete metalice in zona de ardere incompleta din flacara provoaca depunerea si racirea suspensiilor de carbon formate,astfel incat nu mai au loc fenomene de oxidare si de aglomerare de particule,datorite unei perioade lungi de incalzire.Pe de alta parte, suprafata metalica mentine totusi carbunele la o temperatura suficient de inalta pentru a volatiliza substantele organice reziduale.Temperatura optima pentru aceste doua scopuri este in jurul a 500 grade C.Procedeul de fabricare a negrului de fum prin disocierea termica a metanului in cuptoare este analog cu procedeul de fabricare a acetilenei prin combustia incompleta a metanului,descris in capitolul precedent.In acest caz insa arderea se face cu aer (si nu cu oxigen, ca la fabricarea acetilenei),iar concentratia metanului in amestecul de gaze variaza in jurul a 20 % ( fata de 60 % la fabricarea acetilenei,raportul O2/CH4 fiind de circa 0,48 fata de 0,66), in sfarsit timpul de contact este mai lung,pentru a favoriza reactia (mai inceata) de formare a carbonului.

Negru de fum fabricat prin acest procedeu este cunoscut in comert sub numele de negru de fum de "disociere" ( in tara noastra "metanex").Negru de fum de explozie se fabrica initiind,cu o scanteie electrica, descompunerea acetilenei, in prealabil comprimata la circa 2 at.De asemenea, se pot aplica si la acetilena procedeele de ardere incompleta in flacara sau in cuptor.Conducerea acestor fabricatii necesita insa precautii speciale (controlul riguros al amestecului de gaze) pentru evitarea accidentelor.Metoda cea mai raspandita in industrie ,in timpul din urma,pare sa fie descompunerea termica prin incalzire indirecta la 800 de grade C;reactia exoterma de descompunere a acetilenei permite o mare economie de energie calorica.Datorita faptului ca acetilena contine un procen foarte mare de carbon (94,24%), se obtine un negru de fum de mare puritate(peste 99%).

Fabricarea negrului de fum intrebunitat ca pigment pentru diferiti coloranti se face,in general,prin colectarea suspensiilor din gazele obtinute prin arderea incompleta a fractiunilor de petrol lichide sau a lemnelor de conifere.Calitatea negrului de fum astfel obtinut este foarte diferita de aceea a produsului colectat direct in flacara sau a produsului obtinut prin incalzire indirecta (cracare),fapt care se datoreste,intre altele, gradului de dispersie mica si unui continut mai mare in substante volatile.Pentru a obtine pulberi de carbune cu nuante variate,utilizate in pictura (negru cu reflexe albastre,cenusii sau brune),se aplica procedeul de calcinare,in absenta aerului, a diferite materii organice,ca:oase animale,samburi de fructe,deseuri de pluta,de fildes.

Repartitia consumului pe plan mondial este,estimativ, urmatoarea:cca 95% in industria anvelopelor si industria de prelucrare a cauciucului si cc 5% restul consumatorilor.De remarcat ca negrul de fum adaugat in proportie de 30-50% in compozitia cauciucului de automobil mareste rezistenta de cc 2-3 ori.Puterea de colorare a negrului de fumeste atat de mare incat pentru tiparirea a cca 40 000 pagini de ziar,cca 10 000 m patrati,este suficient1 kg de negru de fum.Evolutia in timp a procedeelor tehnologice de fabricare a negrului de fum a depins de materiile prime utilizate si parametrii tehnologici stabiliti.