دوده سیاه یا کربن بلک 

دوده سیاه، کربن سیاه یا کربن بلک (Carbon Black) یک پُرکننده صنعتی و همچنین از سری رنگ‌دانه‌های سیاه رنگ است. کربن سیاه بطور صنعتی و طی فرآیندهای کنترل شده احتراق ناقص یا تجزیه حرارتی هیدروکربن‌ها (فرآورده‌های سنگین نفتی مانند قطران زغال سنگ، قطران  FCC و … ) تولید می‌گردد به همین علت آن را دوده صنعتی نیز می‌نامند.

ترکیبات و ویژگی‌های دوده سیاه یا کربن سیاه

دوده سیاه یا دوده صنعتی جاذب نور سفید است و مقدار اندکی از نور سفید را منعکس می‌کند. بیش از 97 درصد این ماده صنعتی از کربن تشکیل شده است و مابقی آن را هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و گوگرد تشکیل می‌دهد.

کربن بلک جاذب اشعه فرابنفش است و خاصیت کششی و سایشی بالایی دارد. از این روی و با توجه به ابعاد ریز ذرات آن، از این ماده در تولید پوشش‌ها، رنگ‌ها، جوهر، تونر و همچنین به عنوان تقویت‌کننده و پُرکننده در تولید محصولات پلاستیکی، لاستیکی و پلیمری استفاده می‌شود. کربن بلک در اثر حرارت بالا در حدود 3000 درجه سانتیگراد به گرافیت تبدیل می‌شود. هرچه اندازه ذرات کربن بلک ریزتر باشد، عمق رنگ آن بیشتر و رنگ تیره‌تر است و هرچه ابعاد آن بزرگتر باشد، رنگ سبک‌تر و روشن‌تر است. همچنین خاصیت رسانایی این ماده نیز با کاهش اندازه ذرات افزایش می‌یابد.

انواع روش‌های تولید صنعتی دوده سیاه

روش‌ها و فرآیندهای مختلفی برای تولید کربن بلک وجود دارد. بطور کلی در دو دسته فرآیندهای تجزیه حرارتی (Thermal Decomposition Processes) و فرآیند اکسیداتیو حرارتی (Thermal oxidation process) قرار می‌گیرند.

• فرآیند کوره سیاه (Furnace Black)

  متداول‌ترین و مهمترین روش تولید دوده سیاه به روش کوره سیاه است. در این روش با سوزاندن ناقص مشتقات نفتی مایع، روغن یا گاز در کوره‌های نسوز، کربن بلک گرید کوره‌ای تولید می‌شود. سطح دوده کوره‌ای خنثی است.

  در گذشته تنها از احتراق ناقص گاز در کوره، دوده سیاه تولید می‌شد. این نوع دوده تنها در صنعت لاستیک‌سازی کاربرد داشت. با روش‌های جدید، با سوزاندن روغن به جای گاز می‌توان با کنترل شرایط، طیف گسترده‌ای از انواع گریدهای دوده را تولید کرد که در صنایع مختلف از قبیل رنگ‌سازی، جوهرسازی، لاستیک و پلاستیک‌سازی قابل استفاده است. این روش علاوه بر مزایای ایمنی، دارای مزایای زیست محیطی نیز هست. با توجه به بسته بودن فرآیند، انتشار گازها، گرد و غبار و آلودگی‌ها نسبت به سایر روش‌ها کمتر است. در دسترس بودن مواد اولیه نفتی و همچنین امکان کنترل بیشتر متغیرها در این روش، در کنار کارآیی بالا و امکان تولید میزان تولید بالا، این روش را به مهمترین روش تولید دوده سیاه تبدیل کرده است.

• فرآیند دوده کانالی (Channel Black)

  تولید کربن سیاه با گرید چنل از طریق احتراق ناقص گازهای هیدروکربنی و طبیعی و رسوب دود شعله رو کانال های فلزی و آهنی به دست می‌آید. سپس با استفاده از تیغه‌های تراش‌دهنده لایه‌های رسوبی ذرات دوده از روی کانال‌ها تراشیده می‌شود. این نوع دوده نسبت به سایر گریدهای دوده سیاه، اسیدی‌تر است. کیفیت دوده به دست آمده به علت وجود هوا و محصولات ثانویه ‌گازی که در درون دوده حبس شده است، بسیار نرم و کرکی شکل است. به همین جهت برای بدست آوردن دوده گلوله‌شده، آن را تحت فشار قرار می‌دهد.

  هرچند در این روش می‌توان کیفیت دوده را با فاصله شعله از سطح کانال، شکل شعله، کیفیت گاز و میزان جریان هوا کنترل کرد، ولی راندمان تولید دوده صنعتی در این روش بسیار پائین است. خاصیت نرمی کربن بلک بدست آمده از این روش نسبت به روش کوره‌ای کمتر است. افزایش قیمت گاز در کنار راندمان پائین تولید، سهم تولید کربن سیاه به این روش را کاهش داده است.

• فرآیند دوده گازی (Gas Black)

  این فرآیند تولید مشابه فرآیند دوده کانالی است. از آنجای که منابع گاز طبیعی در اروپا نسبت به سایر نقاط جهان کمتر است در سال 1995 روش دوده کانالی توسط دگوسا (Degussa) با تقطیر قطران ذغال سنگ به جای گاز طبیعی ابداع شد. این روش اثرات منفی زیست محیطی کمتری نسبت به فرآیند دوده کانالی دارد. همچنین در این روش می‌توان از روغن به جای گاز طبیعی در فرآیند دوده کانالی استفاده کرد.

• فرآیند لامپ بلک یا لامپ سیاه (Lamp Black)

  تولید به روش لامپ بلک، از قدیمی‌ترین روش‌های تولید این کربن سیاه است. این روش از قبل از میلاد مسیح کاربرد داشته است. با گذشت زمان فرآیند تولید لامپ بلک اصلاح شده و در این روش با سوزاندن روغن، قطران زغال سنگ در تشت‌ها و سینی‌های پهن چدنی در کوره تولید می‌شود. در حال حاضر با کاهش انواع کربن بلک تولیدی از این روش، اغلب کربن بلک لاستیکی با این روش تولید می‌شود.

• فرآیند سیاه حرارتی (Thermal Black)

  در این روش با استفاده با برخورد هیدروکربن‌ها با لوله‌های داغ در غیاب هوا، کربن بلک گرید حرارتی تولید‌ می‌شود. کربن سیاه تولیدی ابعاد بزرگ‌تری دارد و قدرت رنگ‌دهی آن بسیار پائین‌تر و سطح آن غیرفعال است. راندمان تولید در این روش نیز نسبت به تولید به روش کانالی و کوره ای پائین‌تر است.از آنجایی که جذب روغن در این نوع دوده پائین است، اغلب به عنوان پُرکننده ارزان قیمت در خمیرها و آسترها استفاده می‌شود.

• فرآیند استیلن سیاه (Acetylene Black)

  در این روش در دمای 800 درجه سانتی‌گراد با تجزیه حرارتی استیلن در غیاب هوا در کوره‌های نسوز، کربن بلک و هیدروژن تولید می‌شود. یکی از ویژگی‌های کربن سیاه تولید شده به این روش خاصیت بالای رسانایی آن است. راندمان تولید در این روش نیز بسیار پائین است. دوده استیلنی جذب روغن بسیار بالایی دارد و به همین علت کاربردهای آن نسبت به انواع دیگر دوده‌ محدودتر است.

  به طور کلی ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی و کیفیت دوده صنعتی تولید شده از هر فرآیند متفاوت است. از طرفی، هر چقدر مدت زمان سوختن کمتر و دمای سوختن بالاتر باشد، اندازه ذرات کربن سیاه تولید شده کوچکتر و شدت و کیفیت رنگ‌دهی آن بالاتر است.

کاربردهای دوده سیاه یا کربن بلک

• صنایع لاستیک:

  مهمترین کاربرد و مصرف کربن بلک در جهان به عنوان پُرکننده و تقویت‌کننده در تولید لاستیک خودروها است. استفاده از دوده صنعتی در تولید لاستیک خودرو منجر به دفع سریعتر گرما، افزایش مقاومت سایشی، بهبود انعطاف‌پذیری و مقاومت در مقابل پارگی و در نتیجه افزایش عمر لاستیک خودرو می‌شود. از کربن سیاه در تولید تجهیزات لاستیکی خودرو از قبیل تسمه، شیلنگ‌ها، سیستم‌های آب‌بندی، واشر و … استفاده می‌شود.

• صنایع پلاستیک:

  از دوده سیاه در صنعت پلاستیک برای رنگ‌دهی به محصول، پوشش و محافظت محصول نسبت به حرارت و اشعه فرابنفش استفاده می‌شود. خاصیت بالای سایشی و کششی کربن بلک، موجب بهبود کیفیت و مقاومت محصولات پلاستیکی می‌شود. در تولید بسته‌بندی‌های رسانای گرما، لوله‌ها، کیسه‌های زباله، قالب‌های پلاستیکی، ظروف فشرده و بسیاری از لوازم خانگی از کربن سیاه استفاده می‌شود.

•  صنایع جوهر:

  یکی از کاربردهای گسترده دوده سیاه، استفاده به عنوان پیگمنت (رنگدانه) سیاه در تولید جوهر است. همچنین از کربن بلک برای تولید تونرها برای چاپگرها و دستگاه‌های فتوکپی استفاده می‌شود. با استفاده از کربن دوده سیاه می‌توان ویسکوزیته جوهر و در نتیجه کیفیت چاپ را بهبود بخشید.

•  صنایع رنگ و پوشش:

  استفاده از دوده صنعتی یا کربن بلک در تولید انواع محصولات رنگ‌های پوششی متداول است. این پیگمنت سیاه رنگ علاوه بر بهبود خاصیت رنگی، بهبود کیفیت پوشش‌دهی را به همراه دارد. همچنین دوده سیاه از اثرات منفی اشعه فرابنفش جلوگیری می‎‌کند. این خواص کاربردی موجب شده است که از رنگ‌های پوششی این پیگمنت در صنایع هوافضا، دریایی، خودروسازی، دکوراسیون و انواع پوشش‌های صنعتی استفاده شود.

• صنایع پلیمر:

  استفاده از کربن بلک در صنایع پلیمری می‌تواند منجر به کلوخه شدن ذرات آن شود. به همین علت با افزودن عامل پراکنش این مشکل را حل می‌کنند. عمده مصرف این دوده صنعتی در صنایع پلیمر به عنوان مستربچ است.

  استفاده از کربن سیاه در پلیمرها، منجر به افزایش مقاومت این محصولات در مقابل اشعه فرابنفش خورشید می‌شود. از مهمترین کاربردهای کربن بلک در این صنعت می‌توان به استفاده در روکش‌های پلیمری کابل‌ها و سیم‌ها و همچنین بهبود دهنده کیفیت عایق‌های پلی استایرن اشاره کرد.

• صنایع الکتریک:

  کربن سیاه در تولید مواد رسانا و تجهیزات الکترونیکی استفاده می‌شود.

• صنایع بسته‌بندی:

  در برخی از کشورها استفاده از کربن بلک در بسته‌بندی مواد غذایی از قبیل بطری‌های چند لایه شیر (UTF)، بسته‌بندی گوشت و … موجب افزایش مدت زمان ماندگاری مواد غذایی می‌شود. همچنین در سینی‌های غذای ماکروویو نیز از این ماده استفاده می‌شود.

• صنایع مصالح ساختمانی:

  از دوده سیاه به عنوان رنگ دانه برای تولید سیمان و بتن رنگی استفاده می‌شود. همچنین خاصیت بالای رسانای کاربرد آن را در تولید مصالح هدایت کننده گرما بیشتر ساخته است.

• صنایع کاغذ:

  برای تولید کاغذهای تزئینی، کاغذهای رنگی و کاغذهای محافظ عکس از این پیگمنت سیاه رنگ استفاده می‌شود.