دوده صنعتی چیست و چه کاربردی دارد؟
دوده یکی از مهمترین ترکیبات کربن و مواد آلی است که حتماً تا حالا نام آن را بارها و بارها شنیده‌اید؛ اجازه بدهید این موضوع را کمی ساده‌تر شروع کنیم. وقتی لاستیک خودرو شما ساییده می‌شود یا زمانی که دودی از اگزوز یا شومینه خانه‌تان خارج می‌شود، در واقع همه‌ی این‌ها نوعی دوده محسوب می‌شوند. ما امروز در این مطلب از شیمی داکس قصد داریم به بررسی دوده صنعتی بپردازیم و کاربردهایی فراتر از نمونه‌های روزمره‌ای که گفتیم را بررسی نماییم. پس با ما مثل همیشه تا پایان این مطلب همراه باشید.
دوده صنعتی چیست؟
دوده صنعتی یا دوده نفتی که به نام کربن سیاه (Carbon Black) نیز شناخته می‌شود، در واقع یک پودر سیاه‌رنگ بسیار ریز است که از سوزاندن ناقص ترکیبات هیدروکربنی سنگین مانند روغن‌های نفتی به‌دست می‌آید. این ماده ساختاری شبیه به آمورف دارد، اما حاوی نواحی گرافیتی نیز هست و به‌دلیل سطح ویژه بالا و خواص فیزیکی خاص، در بسیاری از فرایندهای صنعتی استفاده می‌شود.
فرمول شیمیایی دوده صنعتی به‌طور کلی C (کربن خالص) است، اما بسته به روش تولید و شرایط فرآیند ممکن است مقادیر بسیار کمی از ناخالصی‌ها مانند اکسیژن، هیدروژن یا ترکیبات فلزی در آن وجود داشته باشد. اندازه ذرات آن معمولاً بین 10 تا 500 نانومتر است و دارای ساختارهای زنجیره‌ای یا تجمعی است که سطح تماس بالایی را ایجاد می‌کند.
خواص فیزیکی و شیمیایی دوده صنعتی
- ساختار ذرات: دوده صنعتی از ذرات بسیار ریز تشکیل شده که به صورت خوشه‌هایی با ساختاری پیچیده از اتم‌های کربن به هم متصل شده‌اند. این ساختار منجر به خواص منحصر به فردی می‌شود که نقش مهمی در کاربردهای مختلف دوده ایفا می‌کند.
- سطح تماس: یکی از ویژگی‌های مهم دوده، سطح تماس بسیار بالای آن است. اندازه کوچک ذرات و ساختار متخلخل موجب افزایش زیاد سطح دوده به ازای هر واحد وزن می‌شود که باعث افزایش قابلیت جذب و اثرگذاری آن در کاربردهای مختلف می‌شود.
- رنگ و وضوح: دوده صنعتی به دلیل محتوای بالای کربن، رنگی کاملاً سیاه دارد. ذرات ریز آن باعث پراکندگی نور و ایجاد پوششی با کدورت بالا می‌شوند که این ویژگی برای کاربردهایی که نیاز به رنگ‌دهی عمیق و یکنواخت دارند، بسیار مطلوب است.
- رسانایی حرارتی: به دلیل ماهیت کربنی، دوده قابلیت انتقال حرارت مناسبی دارد و این خصوصیت باعث می‌شود در محصولاتی که به مدیریت حرارتی نیاز دارند، مانند ترکیبات لاستیکی، کاربرد پیدا کند.
- رسانایی الکتریکی: برخی از انواع دوده صنعتی قادر به انتقال جریان الکتریکی هستند. این ویژگی بسته به ساختار ذرات و میزان ناخالصی‌های موجود متفاوت است و کاربردهای خاصی در صنعت الکترونیک دارد.
- خواص تقویتی: دوده به عنوان یک ماده پرکننده و تقویت‌کننده در لاستیک‌ها بسیار کاربردی است. ساختار ذرات و سطح بالای آن باعث افزایش مقاومت کششی، دوام در برابر پارگی و سایش لاستیک می‌شود. این تقویت ناشی از تعامل بین ذرات دوده و ماتریس پلیمری است که به بهبود عملکرد مکانیکی محصولات کمک می‌کند.
تفاوت دود و دوده در چیست؟
شاید باشند هنوز کسانی که فرق بین دود و دوده را نمی‌دانند، در واقع دود همان بخار یا ذرات معلق ناشی از سوختن ناقص مواد آلی مانند چوب، نفت یا بنزین است که به‌صورت گاز یا ذرات ریز در هوا پخش می‌شود. اما کمی قبل تر گفتم که دوده ماده‌ای جامد و سیاه‌رنگ است که از ذرات کربن تشکیل شده و معمولاً به‌دنبال سوختن ناقص هیدروکربن‌ها به‌وجود می‌آید. دود حالتی گذرا و معلق در هوا دارد، در حالی که دوده قابل جمع‌آوری، لمس و استفاده صنعتی است و به‌صورت پودر سیاه در صنایع مختلف کاربرد دارد.
انواع دوده صنعتی
ما در شیمی داکس دوده صنعتی را به‌طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم بندی کردیم.
- دوده سخت
- دوده نرم
در ادامه قصد داریم با برخی از مهمترین انواع دوده‌های صنعتی شما را آشنا کنیم.
- دوده N-539: این سری دوده برای افزایش مقاومت لاستیک در برابر پارگی و کشش بسیار کاربردی است و همچنین به دلیل قدرت بالای تقویت‌کنندگی، در تولید کابل برق، تیوب و شلنگ‌ها نیز کاربرد دارد.
- دوده‌های سری N (مانند N-239، N-347، N-375): این دسته از دوده ها دارای خواص تقویت‌کنندگی بسیار زیاد و فرایندپذیری عالی می‌باشد که باعث افزایش الاستیسیته لاستیک می‌شوند.
- دوده N-220: این دوده دارای خواص تقویت‌کنندگی قوی و مقاومت بالا در برابر پارگی است و مناسب برای لاستیک‌هایی که در مسیرهای سخت و ناهموار استفاده می‌شوند.
- دوده N-683: این دوده در ساخت انواع تیوب ها کاربردی است.
- دوده N-330: این دوده بخاطر فرایندپذیری خوب و تقویت‌کنندگی بالا در تولید نخ تایر، قطعات اکسترودی، عاج تایر و بخش‌های مختلف لاستیک خودرو استفاده می‌شود.
- دوده N-550: این سری از دوده ها در واقع افزایش‌دهنده سطح تورم و الاستیسیته لاستیک می‌باشد در اسکلت تایر، تیوب، جداره تایر و لوله‌های پلاستیکی بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد
- دوده N-660: با تقویت‌کنندگی متوسط، مناسب برای افزایش الاستیسیته و خمش لاستیک در تولید زیره کفش، تایر داخلی، شلنگ‌ها و اسکلت تایر بکار می‌رود.
- دوده N-772: این دوده صنعتی دارای قدرت تقویت‌کنندگی پایین ولی سطح جهندگی بالاست که همین امر موجب می‌شود که برای قطعات حساس به فشار مانند تسمه‌پروانه، لاستیک هواپیما و سایر قطعات صنعتی خاص پرکاربرد باشد.
برای اینکه مطالب بالا را راحتتر درک کنید و بفهمید من یک جدول در ادامه این مطلب برای شما آماده کردم.
| کد ASTM | نام رایج | نوع تولید | اندازه ذرات (nm) | سطح ویژه (m²/g) | دسته‌بندی | کاربرد اصلی | ویژگی‌ها |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N110 | دوده سخت | Furnace Black | 20 | 145 | سخت | تایر سنگین، کامیون | مقاومت سایشی بسیار بالا |
| N220 | دوده سخت | Furnace Black | 25 | 120 | سخت | تایر خودرو، صنعتی | استحکام بالا، انعطاف مناسب |
| N330 | دوده نرمال | Furnace Black | 30 | 85 | نرمال | تایر، قطعات عمومی | متعادل، پرمصرف‌ترین نوع |
| N550 | دوده نرم | Furnace Black | 55 | 43 | نرم | واشر، ضربه‌گیر | انعطاف‌پذیری بالا |
| N660 | دوده نرم | Furnace Black | 60 | 35 | نرم | کف‌پوش، لوله لاستیکی | پرکننده با قیمت مناسب |
| N772 | دوده نرم | Furnace Black | 75 | 27 | نرم | محصولات ضدسایش | مقاومت UV بالا |
| N990 | دوده نرم بسیار درشت | Furnace Black | 280 | 9 | نرم | ضربه‌گیر، ارتعاش‌گیر | پرکننده حجیم، هدایت پایین |
| —- | دوده حرارتی | Thermal Black | 300–500 | 5–10 | حرارتی | قطعات لاستیکی ساده | بدون خواص تقویتی |
| —- | Channel Black | Channel Process | 10–20 | 130–150 | سخت / خاص | جوهر، رنگ مشکی خاص | مشکی بسیار قوی، کمیاب |
| —- | Acetylene Black | Acetylene Process | 35 | 65–75 | خاص | باتری، قطعات رسانا | هدایت الکتریکی بالا |
تفاوت دوده سخت و دوده نرم در چیست؟
این سوال شاید تا اینجای این مطلب، مهمترین و بزرگترین سوالی باشد که ذهن شما را درگیر کرده باشد. اجازه بدهید که اینطوری بیان کنم که تفاوت اصلی بین دوده سخت و دوده نرم در اندازه ذرات، میزان تقویت‌کنندگی و نوع کاربرد آن‌هاست. در واقع دوده سخت دارای ذرات ریزتر و سطح تماس بالاتری است که باعث می‌شود خاصیت تقویت‌کنندگی بالاتری داشته باشد و بیشتر در تولید محصولات مقاوم مانند عاج لاستیک خودرو، تایرهای صنعتی و قطعات تحت فشار بالا استفاده شود. در مقابل، دوده نرم ذرات درشت‌تری دارد، سطح ویژه آن کمتر است و قدرت تقویت‌کنندگی پایین‌تری دارد، به همین دلیل برای محصولات نرم‌تر و انعطاف‌پذیرتر مانند تیوب، کابل، زیره کفش و قطعات پلاستیکی عمومی مناسب‌تر است.
کاربردهای دوده صنعتی
تا اینجای کار تا حدودی با کاربردهای این ماده صنعتی با هم آشنا شدیم، بیایید کمی کامل تر با کاربردهای دوده نفتی آشنا شویم.
1- کاربرد در صنعت لاستیک‌سازی
همان طور که تا الان احتمالاً متوجه شدید، یکی از اصلی‌ترین و گسترده‌ترین کاربردهای دوده صنعتی، در تولید لاستیک و تایر خودرو است. دوده به عنوان یک تقویت‌کننده عمل می‌کند و باعث افزایش مقاومت لاستیک در برابر سایش، پارگی و فشارهای محیطی می‌شود. علاوه بر این، به لاستیک رنگ مشکی و ظاهر یکنواخت می‌دهد و دوام آن را در شرایط سخت مانند گرما، سرما یا اصطکاک بالا به طرز قابل‌توجهی افزایش می‌دهد.
2- کاربرد در صنایع پلاستیک و پلیمر
در صنایع پلاستیکی، دوده به‌عنوان عامل رنگ‌دهنده مشکی استفاده می‌شود و علاوه بر آن، موجب بهبود خواص مکانیکی مانند سختی و مقاومت در برابر اشعه UV می‌شود. این ویژگی‌ها دوده را برای استفاده در تولید لوله‌های پلاستیکی، قطعات تزریقی، روکش کابل‌ها و تجهیزات فضای باز بسیار مناسب می‌کند.
3- کاربرد در صنعت جوهر و چاپ
دوده صنعتی یکی از اجزای اصلی تولید جوهرهای مشکی چاپ، به‌ویژه در چاپ افست، جوهر خودکار، و جوهر پرینترهای لیزری است. ذرات بسیار ریز و یکنواخت دوده باعث ایجاد رنگ تیره، براق و ماندگار روی کاغذ می‌شود و در عین حال قابلیت پخش یکنواخت در محلول را فراهم می‌کند.
4- کاربرد در صنایع رنگ و پوشش
در تولید رنگ‌ها، پوشش‌ها و پوشش‌های ضدخوردگی، دوده به‌عنوان پیگمنت مشکی استفاده می‌شود. این ماده علاوه بر رنگ‌دهی قوی، باعث افزایش مقاومت رنگ در برابر نور خورشید و شرایط جوی می‌شود و به عمر و پایداری پوشش‌ها در محیط‌های بیرونی کمک می‌کند.
5- کاربرد در صنعت باتری و الکترود
دوده صنعتی در تولید باتری‌ها، به‌ویژه باتری‌های سرب-اسید و برخی باتری‌های لیتیومی، برای افزایش هدایت الکتریکی و افزایش طول عمر صفحات استفاده می‌شود. همچنین به‌عنوان یک افزودنی رسانا در ساخت الکترودهای صنعتی و نیمه‌رساناها نیز کاربرد دارد.
رابطه بین دوده و استیلن
یکی از مباحث مهمی که در بحث دوده‌های صنعتی وجود دارد، پاسخ به این سوال است که آیا رابطه بین دوده و استیلن را می‌شناسید؟ در واقع استیلن (C₂H₂) یکی از گازهای هیدروکربنی ساده و بسیار واکنش‌پذیر است که در برخی از روش‌های تولید دوده صنعتی، به‌ویژه در فرآیند استیلن بلاک (Acetylene Black) مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، دوده از تجزیه حرارتی استیلن در غیاب اکسیژن به‌دست می‌آید که منجر به تشکیل دوده‌ای با خلوص بالا، هدایت الکتریکی زیاد و ساختار ویژه می‌شود.
دوده تولیدشده از استیلن، به دلیل رسانایی الکتریکی بالا و خلوص فوق‌العاده، کاربردهای خاصی در صنایع پیشرفته دارد؛ مانند ساخت باتری‌های لیتیومی، قطعات الکترونیکی، الکترودها و ترکیبات ضد الکتریسیته ساکن. این نوع دوده نسبت به دوده‌های معمولی قیمت بالاتری دارد اما در کاربردهایی که ویژگی‌های فنی دقیق‌تری نیاز است، گزینه‌ای بی‌رقیب به‌شمار می‌آید.
خطرات و عوارض دوده نفتی
دوده صنعتی اگرچه در صنایع بسیار مفید و پرکاربرد است، اما در صورت بی‌احتیاطی می‌تواند برای سلامت انسان و محیط زیست خطراتی به همراه داشته باشد. قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض ذرات ریز دوده، به‌ویژه در محیط‌های بسته و بدون تهویه مناسب، ممکن است باعث تحریک دستگاه تنفسی، سرفه‌های مداوم، تنگی نفس و در برخی موارد آسیب به ریه‌ها شود. برخی تحقیقات نیز احتمال ارتباط بین استنشاق مزمن دوده و بروز بیماری‌های تنفسی یا حتی سرطان ریه را مطرح کرده‌اند.
تماس مستقیم دوده با پوست می‌تواند باعث خشکی، خارش یا حساسیت‌های پوستی شود، به‌ویژه اگر افراد بدون دستکش و محافظ با آن کار کنند. همچنین ورود تصادفی ذرات دوده به چشم ممکن است باعث تحریک، قرمزی و سوزش شود. بنابراین رعایت اصول ایمنی در هنگام کار با این ماده اهمیت بسیار زیادی دارد.
شرایط ایمنی و نگهداری (MSDS)
بر اساس برگه اطلاعات ایمنی مواد (MSDS)، دوده صنعتی باید در محیطی خشک، خنک و دارای تهویه مناسب نگهداری شود. این ماده باید از منابع گرما، جرقه، شعله یا مواد اکسیدکننده دور باشد، زیرا با وجود اینکه دوده خود به‌راحتی آتش نمی‌گیرد، اما در برخی شرایط خاص و با ذرات معلق می‌تواند خطر انفجار گرد و غبار ایجاد کند. استفاده از تجهیزات ضدجرقه در انبارهایی که دوده نگهداری می‌شود توصیه می‌شود.
هنگام کار با دوده، استفاده از تجهیزات حفاظت فردی مانند ماسک تنفسی مناسب، دستکش مقاوم، عینک ایمنی و لباس کار الزامی است. در صورت نشت یا ریختن دوده روی زمین، باید از جاروهای صنعتی بدون ایجاد گرد و غبار برای جمع‌آوری آن استفاده شود. همچنین از شست‌وشوی محل با آب بدون کنترل مناسب باید خودداری شود، زیرا ممکن است باعث آلودگی محیطی شود. رعایت این نکات باعث می‌شود خطرات ناشی از کار با دوده به حداقل برسد.
تولید دوده صنعتی
ما در ادامه دو روش برای تولید دوده صنعتی به شما عزیزان ارائه می‌کنیم.
- روش کوره سیاه: یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای تولید دوده نفتی صنعتی، استفاده از فرآیند کوره سیاه است. در این روش، مواد هیدروکربنی مانند گاز طبیعی یا بخش‌های سنگین نفتی در کوره‌ای با محدودیت اکسیژن می‌سوزند. شعله‌ای که ایجاد می‌شود، ذرات ریز کربن سیاه تولید می‌کند که پس از آن جمع‌آوری و فرآوری می‌شوند. این روش امکان تولید دوده‌هایی با اندازه ذرات و ویژگی‌های سطحی متفاوت را فراهم می‌کند.
- روش حرارتی: در این فرآیند، گاز طبیعی یا سایر گازهای هیدروکربنی در دمای بسیار بالا حرارت داده می‌شوند، معمولاً بالاتر از ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد، گاهی در حضور کاتالیزور. حرارت‌دهی باعث تجزیه حرارتی و تولید ذرات کربنی ریز می‌شود که سپس بازیابی و پردازش می‌شوند.
