7. Ruß – Aktivierter Kohlenstoff – gläserner K. – Kohleschaum

7. Ruß – Aktivierter Kohlenstoff – gläserner K. – Kohleschaum – Nanotubes
Ruß (Carbon Black)
- wertmäßig größter Markt im Carbon-Bereich (9 Milliarden Dollar von insgesamt 20, also fast 50% des Markts)
- Produktion: 10 mio. t/a., 50% in Asien
- Nachfrage in Deutschland 350.000 t/a., davon 50% für Reifen, 35% für Gummi, Rest: Kunststoffe, Tinten,
Farben, Batterien…
- zwei chemische Verfahren: 1) Unvollständige Verbrennung (Furnace Black 98%, Gas Black, Lamp Black), 2)
Thermisches Cracken (Thermal Black)
- nach Partikelgröße (fein/peak → grob/breite Verteilung): Gas (10-30 nm)– Furnace (20-60 nm)– Lamp (40140)- Thermal (~500 nm)
- Furnace Black- Prozess: bei 1000-1200°C einsprühen von Erdöl in eine entzündetes Erdgas-heiße-Luft-Gemisch
in einen Ofen mit wenig O2 (für unvollst. Verbrennung) → entzünden und weiter hinten mit Wasserstrahl
abschrecken ( → weiter abkühlen im folgenden Wärmetauscher)→ Ruß hat sehr geringe Dichte (20-60 g/l) →
Entgasen/Filtern → (Trocken-Pallettieren oder )Verdichten durch Nassgranulation (Faktor 10 Dichte, Wasser
und Bindemittel, kugelförmiges Granulat)→ trocknen → Silo
- Gas Black- Prozess: wie Furnace Black, aber viele kleine Flammen, welche auf wassergekühlte Rollen
auftreffen → sehr feine Partikelgröße
- Lamp Black – Prozess: Verbrennen von Öl in Ofen mit ungleichmäßiger Luftzufuhr, daher sehr breite
Partikelgröße-Verteilung
- sehr hohe spezifische Oberfläche → gut, wenn Leitfähigkeitsadditiv, aber schlecht weil hoher Binderbedarf
z.B. in Kunststoffen
Aktivierter Kohlenstoff
- 1,1 mio. to/a.
- Anwendungen: 32% Wasser-Filter, 22% Lebensmittel/Getränke, 35% industrielle Anwendung; sonstige:
Klimaanlage im Auto, Kohletabletten und andere medical, Supercaps …
- Hauptproduzenten: NL, US, JP
- Wachstum: neue Richtlinien für Kraftwerke → mehr Filter benötigt
- Formen: Pulver, Granular, Sphärisch, Pellets, Fasern
- Rohstoffe: Torf, Holz, Kokosnussschalen, Algen…; auch Koks
- sehr große Oberfläche: innere/äußere (Mikro-, Meso-, (Makro-) Poren)
- Aktivierung: 1) chemisch (Zinkchlorid, Phosphorsäure…), 2) Gas-Aktivierung (CO2, Dampf, Luftsauerstoff…)
- Zinkchlorid-Prozess: 1x Holz o.ä. + 0,5x Zinkchlorid → Mischen → Trocknen → 600-700°C → Reinigen mit
Säure und Wasser → Aktivierter Kohlenstoff + Zinksalz (Wiedergewinnung)
- Phosphorsäure genauso, aber nur 400-600°C
- Gas-Aktivierung: Material + Gas → bei 800-1000°C → Aktivierter K. + CO + CO2
- Geschwindigkeit-Vergleich: CO2: 1x, H2O: 8x, O2: 100x
- Synthetischer Precursor (z.B. Phenolharz) → Karbonisierung (bei erneuerbaren Rohstoffen) → Aktivierung 1.
Schritt (Mikroporen) → Aktivierung 2. Schritt (Mesoporen) → Sphärischer Aktivierter Kohlenstoff (SAC)
- pro 100 g C können bspw. 40 g Toluene bei einer Konzentration von 10 g/m3 adsorbiert werden (Adsorption
ist exothermisch)
- Regenerierung des Kohlenstoffs („Filter voll“): Druck, Temperatur oder organische Lösemittel
- Wasser-Filterung: AC mit H2O mischen, z.B. gegenläufig ein Tank (Moving Bed Adsorber)→ filtern → evtl.
desinfizieren
- Hersteller übernimmt im Normalfall auch die Recyclierung/Regeneration der Filter
- Kleidung mit Kügelchen AC → Schutz der Haut vor chem. Gasen und Vermeiden von Körpergeruch (Witterung)
Supercapacitors/ EDLC (Electrochemical Double Layer Capacitors)
- fürs Beschleunigen im Auto, in Kombination mit einer Primärenergiequelle für die kontinuierliche
Energiezufuhr
- zwischen den Carbon-Anoden befindet sich Elektrolyt, der sich beim Laden (rein elektrostatisch) ausrichtet
- für U>1V eignet sich als Elektrolyt Wasser nicht mehr (dissoziiert), aber organische Elektrolyten
- schnelle Selbstentladung
- fast „endlose“ Lebensdauer
- volles Laden/Entladen: 1 s…1 min
- hohe Kapazität, da abhängig von A (sehr groß bei AC) und d (sehr klein, nur Molekülabstand)
- Anwendungen jetzt schon: z.B. für Bordnetzstabilisierung oder Notstromaggregat für el. Bremse, in Kopierern,
Notausrichtung von Windmühlen, Zügen…
- sehr große Oberflächen (1600-1800 m2/g)
- Wachstum > 20%
- Hersteller v.a. US, JP
- Verbrauch: 1200 t AC-Pulver für EDLCs
Glassy Carbon
- Pyrolyse von Harzen mit hoher C-Ausbeute
- Massenverlust von 40%
- Gas- und Flüssigkeitsdicht, Porosität = 0%
- ungeordnete Struktur aus verzweigten Bändern und Mikrofibrillen in Nanoscale – isotrope Eigenschaften
- Anwendungen: Laborausstattung, Elektroden für Herzschrittmacher (biokompatibel)
- (nach Pyrolyse) sehr geringe spezifische Oberfläche (<1 m2/g)
- relativ hohe Biegefestigkeit (210-260 MPa), geringe Leitfähigkeit für e- und Temperatur (- Faktor 10 vgl. zu G.)
- hohe Temperaturstabilität (3000°C in vacuum, 600°C in Luft)
- keine Einlagerung möglich → chem. inert
- hohe Reinheit
- Thermoschockbeständig
Kohleschaum
-Carbonisierung and Graphitisierung von schaumförmigen Harzen (Phenol, PUR…)
- Netzwerk aus dünnen Karbon-Zellwänden, Dichte < 0,1 g/cm3
- Isoliermaterial, Filter…
Nanotubes, Graphene usw.
- min. 1 Dimension des Partikels muss <100 nm sein
- 1991 Nobelpreis für Nanotubes (JP), 1996 Nobelpreis für Fullerene (US), 2010 Nobelpreis für Graphene (RU)
- Nanotubes. hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, sehr hohe therm. LTF (3000-6000, Diamant 2000, GE
200)
- Probleme bei NT: Kosten, Unreinheiten
- Herstellen von NT: Lichtbogenentladung, CVD Catalytic Vapour Deposition, …
- Lichtbogenentladung: Reinheit von 50%, 20-30V
- CVD: Reinheit 95-99%, Katalysator aus Ni, Fe…
- Reinigungsmethode NT: Lösemittelbad + Ultraschall → Verunreinigungen setzen sich ab
- Funktionalisierung NT: Oberflächengruppen „andocken“ um eine stabile Löslichkeit - z.B. in Wasser-zu
bewirken
- 1% Nanotubes in PP zugeben statt Ruß verbessert Eigenschaften ebenso, verändert aber Farbe nicht (falls z.B.
Transparenz notwendig)
- Eigenschaftsverbesserungen: Zugfestigkeit, E-Modul, Bruchdehnung, Zähigkeit, …
- Leitfähigkeit: hier ebenso Percolationsschwelle (müssen sich berühren, ca. 1,5%) → LTF um 10 10er-Potenzen
besser!
- MWNT (Multi Wall NT) billiger als SWNT (Single...)
- Graphene GP: Dicke ca. 0,34 nm, da nur eine Atomlage. Synthetisierung über Scotch-Tape-Method, Nachweis
schwer
- GP: Zugfestigkeit mit 10-20 GPa sehr hoch, therm. LTF 3000 W/mK, undurchlässig für Gase, auch Helium, inert