۱. کربن
عنصر کربن که نام آن از واژه‌ای لاتین “کربو” به معنی زغال سنگ گرفته شده است با نماد شیمیایی C و عدد اتمی ۶ در گروه چهاردهم جدول تناوبی قرار گرفته است. کربن تنها حدود ۰.۰۲۵ درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد و یکی از معدود عناصر شناخته شده از دوران باستان است. کربن پانزدهمین عنصر فراوان در پوسته زمین و چهارمین عنصر فراوان در جهان پس از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن است. همچنین از لحاظ جرم، بعد از اکسیژن دومین عنصر موجود در بدن انسان است و حدود ۱۸٫۵ درصد از جرم بدن را تشکیل می‌دهد.
اتم‌های کربن می‌توانند به روش‌های مختلفی با یکدیگر پیوند برقرار کنند و در نتیجه شکل‌های مختلفی از کربن ایجاد می‌شود. ساختارهای معروف شامل گرافیت، الماس، کربن آمورف و فولرن ها هستند. خواص فیزیکی کربن در هر ساختار بسیار متفاوت است. به عنوان مثال، گرافیت مات و سیاه است در حالی که الماس بسیار شفاف است. گرافیت به اندازه‌ای نرم است که می‌تواند رگه‌ای روی کاغذ ایجاد کند، در حالی که الماس سخت‌ترین ماده طبیعی شناخته شده است. گرافیت رسانای الکتریکی خوبی است در حالی که الماس رسانایی الکتریکی پایینی دارد. در شرایط عادی، الماس، نانو مواد کربنی و گرافن بالاترین رسانایی حرارتی را در بین تمام مواد شناخته شده دارند. همه ساختارهای کربن در شرایط عادی جامد هستند و گرافیت در دما و فشار استاندارد پایدارترین شکل از نظر ترمودینامیکی است. آنها از نظر شیمیایی مقاوم هستند و برای واکنش حتی با اکسیژن نیاز به دمای بالا دارند.
کربن تقریبا ده میلیون ترکیب را تشکیل می‌دهد که بین ترکیبات شیمیایی بزرگترین زیرمجموعه را دارد. بسیاری از این ترکیبات طبیعی برای تولید مواد کربن مصنوعی ضروری هستند و شامل زغال‌سنگ‌های مختلف (قیر و آنتراسیت)، ترکیبات هیدروکربنی (نفت، قطران و آسفالت) و هیدروکربن‌های گازی (متان و غیره) می‌شوند. تنها دو شکل کربن به عنوان مواد معدنی روی زمین یافت می شود: گرافیت طبیعی و الماس.
۲. انواع مواد کربنی
اصولا کلیه الکترودها بر پایه کربن ساخته شده‌اند که از آن می‌توان برای تولید طیف وسیعی از محصولات استفاده کرد که تقریبا هر کدام ویژگی خاصی دارند. مشخصات الکتریکی و رسانایی خوب، پایداری شیمیایی، سطح فعال زیاد، تراکم کم، استحکام بالا و مدول الاستیک، امکان تغییرات گسترده در مقاومت الکتریکی، از خصوصیات منحصر به فردی است که وجود مواد گرافیتی کربن را در بسیاری از زمینه‌های علم و فناوری ضروری می‌کند.
مواد کربنی صنعتی به موارد زیر تقسیم‌بندی می‌شوند:
- الکترود کربنی
- مواد نسوز کربنی
- محصولات مقاوم در برابر ترکیبات شیمیایی
- ذغال الکتریکی
- محصولات ضد اصطکاک یا ابر روان‌کننده‌ها
- بلوک‌ها و قطعات گرافیت برای انرژی هسته‌ای
- خمیرهای کربن
- الیاف پلاستیکی کربن
- نانو مواد کربن
۲.۱ الکترود کربنی
به کمک الکترودها جریان الکتریکی مورد نیاز برای کار دستگاه‌ها برای انجام فرآیندهایالکتروشیمیایی تامین می‌شود. چنین دستگاه‌هایی شامل برق کاوها، کوره‌های برقی و قوس الکتریکی می‌باشد. الکترودهای گرافیتی کربن در صنایع آلومینیوم، صنایع شیمیایی، فولادسازی و دیگر صنایع استفاده می‌شود.
۲.۲ مواد نسوز کربنی
از مواد بر پایه کربن در ساخت انواع کوره‌ها استفاده می‌شود که جایگزین مواد مختلف نسوز قبلی می‌شوند. در دمای بالای ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد، استفاده از مواد کربنی به دلیل ویژگی‌های خاص خود و هزینه نسبتا کم در ساخت کوره‌های برقی ضروری است. از مواد نسوز در کوره‌های بلند برای آستر‌کاری در انتهای کوره استفاده می‌شود.
۲.۳ محصولات مقاوم در برابر مواد شیمیایی
ترکیب هدایت حرارتی بالا، مقاومت در برابر خوردگی عالی و انبساط حرارتی کم، گرافیت را به یک ماده ساختاری مناسب برای تولید تجهیزات تبادل گرما تبدیل می‌کند. امروزه تجهیزات تبادل گرمای گرافیتی در اکثر صنایع دارای محیط تهاجمی با موفقیت مورد استفاده قرار می‌گیرد.
چگالنده‌ها، تبخیر کننده یخچال و فریزر برای تولید اسید کلریدریک، هیپو کلریت سدیم، اسید استیک، در فرآیند کلرزنی هیدروکربن‌های آروماتیک و آلیفاتیک و غیره برای تقویت خواص گرافیت، با رزین مصنوعی و کامپوزیت‌های بدست آمده آغشته می‌شوند.
۲.۴ ذغال الکتریکی
در مقابل محصولات الکترود، محصولات الکتریکی ذغالی کوچک و ظریف هستند. برس ماشین‌های الکتریکی، ذغال روشن کننده در لامپ های قوس خلا، کوره های گرافیت در تجزیه و تحلیل طیفی و گرافیت اولیه پودرهای آهن ربا.
۲.۵ محصولات ضد اصطکاک یا ابر روان‌کننده‌ها
گرافیت خاصیت روانکاری خود را دارد. توانایی گرافیت جفت شده با فلز، در ایجاد سایش کم و ضریب اصطکاک کم، بدون استفاده از روانکاری اضافی در تولید مواد ضد اصطکاک کربن-گرافیت استفاده می‌شود. هنگامی که یک جفت گرافیت و فلز کار می‌کنند، یک لایه نازک از کریستال‌های گرافیت جهت دار روی سطح فلز تشکیل می‌شود که حالت کشوی پایدار را فراهم می‌کند.
۲.۶ بلوک‌ها و قطعات گرافیت برای انرژی هسته‌ای
مواد گرافیت کربن در راکتورهای هسته‌ای به عنوان تعدیل‌کننده و منعکس‌کننده نوترون در هسته راکتور استفاده می‌شود. در طی شکافت اورانیوم، نوترون‌های کند جذب می‌شوند و نوترون‌های سریع آزاد می‌شوند.
۲.۷ خمیرهای کربن
از توده‌ها و خمیرهای کربن در الکترودهای خودسوز(الکترود و آند) استفاده می‌شود. از آنها در پر کردن درزهای بین بلوک‌های گرافیت کربن در طول سنگ تراشی، پوشش کوره ها و همچنین در پرکردن صفحات برق کاوی استفاده می‌شود.
۲.۸ الیاف پلاستیکی کربن
الیاف کربن و پلاستیک‌های فیبرکربن شامل فرآورده‌های حرارتی الیاف پلیمری، مواد الیافی و پلیمرهای مشبک است. زمینه اصلی کاربرد الیاف کربن، مواد کامپوزیتی غیرفلزی است که با الیاف کربن تقویت شده است. ترموکوپل‌های انعطاف پذیر کربن گرافیت تقویت شده توسط الیاف کربن با مقاومت ویژه بالا، رساناهای قابل انعطاف با ولتاژ بالا و عایق‌های حرارتی هستند.
۳. مواد اولیه‌ی مواد کربنی
کیفیت هر محصول به عوامل زیادی بستگی دارداما اول از همه، مواد اولیه مورد استفاده و فناوری تولید تعیین کننده هستند.
مواد اولیه مورد استفاده برای تولید مواد کربنی صنعتی را می‌توان به دو گروه تقسیم بندی کرد:
- مواد کربن جامد
- مواد اتصال‌دهنده
مواد جامد کربن مورد استفاده در تولید مواد کربنی صنعتی می توانند منشا طبیعی (گرافیت، آنتراسیت) و مصنوعی (کک، کربن سیاه) داشته باشند.
مواد کربن سخت
۳.۱ گرافیت
گرافیت به دلایل زیادی در تولید مواد کربنی صنعتی استفاده می‌شود:
- رسانای گرمایی
- رسانای الکتریکی
- مقاومت حرارتی
- مقاومت محصولات در برابر عملکرد مخرب یون‌های سدیم در طی الکترولیز NaCl.
۳.۲ آنتراسیت
استفاده از آنتراسیت در تولید مواد کربنی صنعتی به محصولات، مقاومت در برابر حرارت، مقاومت و هدایت الکتریکی می‌دهد. آنتراسیت جز مواد اولیه اصلی برای الکترودهای ذغال سنگ و بلوک‌های ذغال سنگ سنگ تراشی، پوشش کوره‌ها و لگن‌ها و غیره است. آنتراسیت‌های همگن دگرگون شده دارای بالاترین پایدار حرارتی هستند، یعنی کمترین توانایی تجزیه هنگام گرم شدن را دارند.
۳.۳ کک نفتی
از کک نفتی، خاکستر کم همچنین مقدار کمی کک حاصل از بخش‌های سنگین رزین‌های ماسه نفت استفاده‌های فراوان می‌شود.
۳.۴ کک قیر ذغال سنگ
کک قیر ذغال سنگ توسط قیر ذغال سنگ از خوراک ذغال سنگ در کوره‌های مشابه به دست می آید. همچنین برای تولید کک ذغال سنگ، در دمای سطح محوری کک ۱۱۰۰-۹۰۰ درجه سانتی گراد بوجود می‌آید.
کک ذغال سنگ در تولید الکترودهای ذغال سنگ، پوشش و بلوک‌های دامنه، جرم الکترود برای اجاق‌های قوس الکتریکی استفاده می‌شود. با توجه به محتوای خاکستر بالای ۱۲%، استفاده از آن به شدت کاهش یافته است.
۳.۵ دوده
دوده (کربن سیاه) ماده‌ای پرکربن است که در مرحله احتراق ناقص، تجزیه حرارتی گاز هیدروکربن و یا بخار (۱۵۰۰-۱۱۵۰ سانتی گراد) در فاز گاز تولید می‌شود.
۳.۶ چسب‌ها
به عنوان اجزای اتصال دهنده، می‌توان از موادی استفاده کرد که در طی فرآیند پخت تبدیل به کک می‌شوند و با باقی گذاشتن مقدار کافی کک قوی، مقاومت و یکنواختی لازم را به محصولات می‌دهند. این ممترین عملکرد چسب‌هاست.کاربرد دوم چسب‌ها این است که آنها باید اتصال جرم قالب‌گیری شده را برقرار کرده، آن را پلاستیک کنند و به عنوان مثال امکان اعمال فشار حصولات از آن وجود دارد. مقاومت محصولات پرس شده باید آنقدر باشد که تحت وزن خود و هنگام حمل و نقل تغییر شکل ندهند. بهترین چسب‌ها که در حال حاضر برای تولید انواع محصولات الکترود و ذغال سنگ الکتریکی پذیرفته شده است، قیر قطران ذغال سنگ است.
منابع
برگرفته از کتاب از نفت تا گرفت
Britannica, The Editors of Encyclopaedia. “carbon”. Encyclopedia Britannica, ۲ Feb. 2021, https://www.britannica.com/science/carbon-chemical-element. Accessed 15 June 2022.
https://web.archive.org/web/20121101085829/http://www.caer.uky.edu/carbon/history/carbonhistory.shtml#
Reece, Jane B. (31 October 2013). Campbell Biology (۱۰ ed.). Pearson. ISBN ۹۷۸۰۳۲۱۷۷۵۶۵۸.
Pierson, Hugh O. Handbook of Carbon, Graphite, Diamonds and Fullerenes: Properties, Processing and Applications; William Andrew. ISBN 978-0-8155-1339-1, 1993.