تصنيع اسود الكاربون:

‏الطرق الرئيسية لتصنيع اسود الكربون هي اما من : نموذج الاحتراق الجزئي ( المعالجة الانبوبية ، او افران الزيت ، او افران الغاز ) او من: نموذج التكسير ( المعالجة الحرارية ) .

‏سيطرت في مطلع السبعينات المعالجة بأفران الزيت ، ويصنع اليوم معظم ( 90% تقريبا ) هذه المادة في العالم بهذه الطريقة ، التي تستخدم زيوت البترول العطرية او ثمالاتها ( المقاربة في الجدول 1 ‏- 1 ‏) . ادت الزيادة المستمرة في اسعار الغاز الطبيعي الى اغلاق كافة مصانع اسود الكربون التي تعتمد الطريقة الانبوبية عام 1976 ‏.

‏وللفائدة التاريخية سنصف بإيجاز المعالجة الانبوبية لإنتاج اسود الكربون . فهو يجري انتاجه عندما يرتطم لهب الغاز الطبيعي الناقص التهوية بـ  " الحديد المزوى "  20 ‏- 25 ‏سم على شكل قناة ،  التي تربد ببط ، الى مكاشط لإزالة رواسب السخام . وكان يضبط نموذج اسود الكربون الناتج عن طريق تصميم الحارق الطرفي ، وبعد الحارق عن القناة، وتزويد الهواء ( درجة الاحتراق الجزئي ) .

‏كان المردود قليل دوما ، وتفاوت من 5 ‏% ‏بالنسبة لبعض الاصناف المطاطية الى 1% فقط بالنسبة لأصناف الحبر الجيد . وكانت اقطار الجزيئات تتراوح من 10 ‏- 30 nm  ( مقارنة بـ 18 - 75 ‏ nmلاسود الكربون من افران الزيت ) . كما كان محتوى الاكسجين اكبر ، ونسب الكبريت اقل من مثيلاتها في اسود الكربون الناتج من الافران . وكان من اسباب التوقف السريع للطريقة الانبوبية اضافة الى قلة المردود وعوامل ارتفاع كلفة الغاز الطبيعي ، شروط استخدام الفولاذ الصلد وتوظيف راس المال ، وربما التلوث الشديد والاداء السيء الى حد ما للمطاط التركيبي (مقارنة بأسود الكربون من الافران).

‏وفيما يلي التفاعل :

‏تحتوي حبيبات اسود الكربون الحرارية الكبيرة الكروية ( 140 ‏- 500 ‏nm‏) على قليل من الاكسجين الممتز على السطح ، وتستخدم بصورة رئيسية في تطبيقات مطاطية خاصة . ويصل المردود الى حوالي 30 ‏- 45 ‏% ، وهي المسؤولة عن اقل بقليل من 4 ‏% ‏من اجمالي انتاج الولايات المتحدة من اسود الكربون عام 1980 .

‏وفي طريقة افران الزيت ، يحول زيت خامة التغذية العطري ( عادة ثمالة جهاز التكسير التحفيزي في المصفاة ، رغم استخدام بعض من مادة مشتقة من قطران الفحم ايضا ) الى الدرجة المطلوبة من اسود الكربون بالإحراق الجزئي والتحلل الحراري عند درجة حرارة 1400 – 1650  مئوية في مفاعل فولاذي مبطن بطوب ( بالالومينا غالبا ) مقاوم للحرارة .

‏يمكن التحكم بقوه بصفتين من صفات اسود الكربون هامتين حيويا في استخدامات المطاط ، هما حجم الجزيء و "بنائه " ( درجه اندماجه او تداخله الى ‏شبكة سلسلية ثلاثية الابعاد ) وذلك من خلال تصميم قطر فتحات بزبازي nozzle ، وابعاد حجرة الاحتراق ، ودرجة الحرارة ، وزمن البقاء ، وشدة اضطراب الغاز .

‏في الصورة 1 ‏- 1 ‏رسم تخطيطي لطريقة فرن الزيت والمفاعل . اساسا يرذ زيت خامة التغذية العطري الثقيل ويرش بواسطة بزباز مصمم على نحو خاص الى نيار غاز احتراق مضطرب جدا يتشكل بحرق مسبق للغاز او الزيت الطبيعي بفائض 50 ‏% ‏تقريبا من الهواء . يبقى الهواء غير الكافي لاحتراق خامة التغذية ، ويتحلل رذاذ ‏الزيت حراريا خلال اجزاء من مليون من الثانية الى اسود الكربون بمرود ( على اساس الكربون ) يتراوح من 65 - 70 ‏%  بالنسبة للنماذج من صنف الهيكل الكبير نزولا الى 35 ‏% بالنسبة للنماذج الصغيرة من صنف الضغط grade  tread ، الذي يضفي مقاومة قصوى للاحتكاك على بوليمر ستايرين - بوتادين المشترك واللدائن elastomers  الاخرى .

‏الصورة 1‏- 1 ‏.مخطط انتاج اسود الكربون بالمعالجة في الافران.

‏يدخل " الدخان " الاسود من حجرة التفاعل الى النفق ، 1 ‏- 3 ‏م في اتجاه التيار ، حيث يبرد بالماء الى درجة 200 مئوية تقريبا . تتفاوت ابعاد النفق وحجرة الاحتراق ، لكنها كثيرا ما تكون بطول 2 ‏- 6 ‏م ، وقطر داخلي بين 0.1 -1 م . ‏

وفي مكان ابعد في اتجاه مجرى التيار ، تستخدم اجهزة ترسيب ، و افرازات دوامية ( سيكلونات Cyclon ) ، والى مدى اكبر مرشحات كيسية ( معزولة لكي ‏تبقى فوق 100 مئوية ) لفصل الناتج الاسود من بخار الماء والغازات المنطلقة من ‏الاحتراق . تصل كفاءة اسود الكربون المسترجعة بمرشحات الزجاج الليفي الكيسية الحديثة الى 100%  ‏. وبعد خطوات السحن وازالة الجرش grit ، يتكور بصورة طبيعية الصبغ الاسود السائب الزغبي من اجل معالجة جرمية لتخفيف ميله الى التحول الى غبار.

‏وفي الاستخدام الطبيعي لطريقة التكوير الرطبة ، يحرك اسود الكربون ويمزج بالماء في حوض يحتوي على عمود دوار يحمل محاور بارزة قطريا ، وهي التي ‏تشكل الكريات. تجفف الكريات الرطبة ، وتكون عادة في مدى 25 ‏- 60  mesh في مجفف اسطواني دوار يسخن بالغاز .

وفي معالجة التكوير الجافة ، تتشكل الكريات بتحريك وتدوير خفيفين ( 10دورات في الدقيقة ) لاسود الكربون في اسطوانات افقية دوارة ( بقطر 3 ‏م تقريبا وطول 6 ‏- 12 م ) لمدة 12 - 36 ‏ساعة . وتستخدم على نطاق ضيق ايضا طريقة التكوير بالزيت لاستخدامات محددة ( اصناف معينة من الصبغ الاسود للحبر ) . ينتج اسود الاسيتيلين ، وهو نموذج خاص من اسود الكربون الحراري المستخدم في البطاريات الجافة ولإضفاء الموصلية الكهربائية والحرارية على اللدائن والمطاط ، عن طريق تحلل الاسيتيلين ( بغياب الهواء ) عند درجة حرارة 800 مئوية تقريبا في معالجة متواصلة ناشرة للحرارة . ‏وهذه المادة ( قطر الجزيء فيها حوالي 42 nm ) هي انقى شكل من اشكال اسود الكربون ، وتتميز بانخفاض نشاط السطح ، وضعف امتززها للرطوبة ، وارتفاع امتزازها للسوائل وارتفاع موصليتها الكهربائية والحرارية .