کربنات کلسیم رسوبی با روکش کربن (PCC_c)

یکی از دستاوردهای شرکت کاوش گستر فانیذ به دست آوردن محصولاتی از فراوری‌های مختلف شکر است که یکی از مهمترین آنها کربنات کلسیم با روکش کربن (PCCc) است. کربنات کلسیم در ایران از راه‌های معدنی به‌دست می‌آید و در صنایع مختلف نفتی، پلاستیکی، پلیمری، ساختمانی، لوله و لاستیک‌سازی و ... مورد استفاده قرار می‌گیرد. نوآوری شرکت کاوش گستر فانیذ، تولید کربنات کلسیم رسوبی با روکش کربن PCC_c است. در این نوشته به توضیح مزیت و نحوهٔ فرآوری این محصول خاص از کربنات کلسیم رسوبی می‌پردازیم اما قبل از آن بهتر است بدانیم چرا کربنات کلسیم را روکش می‌کنند؟

 

کربنات کلسیم پوشش‌دهی شده دقیقاً چیست و چرا باید آن را روکش بکشیم؟

کربنات کلسیم رسوبی با روکش کربن (PCC_c) دارای ویژگی‌های بی‌نظیری در صنایع مختلف مخصوصا لاستیک است. ابتدا باید بدانیم که چرا کربنات کلسیم را پوشش‌دهی (Coating) می‌کنند؟

کربنات کلسیمِ طبیعی آب‌دوست است اما نسبت به مواد آلی مانند پلیمرها این‌طور نیست. بااین‌وجود صنعت پلاستیک به‌اندازۀ هر چیز دیگری به یک پرکننده سفید ارزان نیاز دارد! اگر کربنات کلسیم آسیاب شده را با پلاستیک مخلوط‌کنید، انرژی بالای سطح ذرات باعث اصطکاک زیادی می‌شود، که مطلوب نیست.

خوشبختانه می‌توانیم سطح ذرات را اصلاح کنیم تا این اصطکاک را کاهش دهیم و آن‌ها را آب‌گریز کنیم. روش‌های مختلفی برای انجام این کار وجود دارد، اما متداول‌ترین روش استفاده از سورفاکتانتی مانند اسید استئاریک است.

اسید استئاریک از خانواده‌ی ترکیباتی به نام اسیدهای چرب است. نکته جالب در مورد اسید استئاریک، زنجیره آلی طولانی با انتهای اسیدی کم آن است. این بدان معنی است که یک سر آن مواد آلی را دوست دارد و سر دیگر آن مواد معدنی را دوست دارد! اما در محصول تولیدی شرکت کاوش گستر فانیذ، به جای استفاده از اسید استئاریک، از کربن استفاده می‌شود که این کار باعث می‌شود کاربرد کلسیم کربنات رسوبی در صنایع پلاستیک بهتر شود و مثل یک مادهٔ کاملا آلی عمل کند.

 

چرا برخی از انواع کربنات کلسیم رسوبی روکش می‌شوند؟

 از کربنات کلسیم رسوبی  اغلب برای استفاده شدن در سیستم‌های غیرآبی، با درصد کمِ (3-1٪) اسید چرب مانند اسید استئاریک یا سایر مواد آلی پوشانده می‌شوند. این پوشش‌ها باعث افزایش پراکندگی  کربنات کلسیمی در پلیمر یا حلال و همچنین سازگاری آن با پلیمر یا حلال می‌شوند، که به‌نوبۀ خود عملکرد و کارایی  را به حداکثر می‌رساند.

انتخاب پوشش به نوع پلیمری که در  کربنات کلسیم رسوبی  استفاده می‌شود و عملکرد مطلوب آن بستگی دارد. از آنجا که پلیمرها ازنظر قطبی و ثابت بودنِ میزان حلالیت بسیار متغیر هستند، مواد آلی مختلفی انتخاب می‌شود تا بهترین سازگاری و  یا بهترین تعادل خواص را به ما بدهد.

 

تفاوت‌های سه نوع کربنات کلسیمی که توضیح دادیم در جدول بالا قابل مشاهده است. همان‌طور که گفتیم ساختار شیمیایی و رنگ و کیفیت محصول تولیدی شرکت کاوش گستر فانیذ متفاوت با کربنات‌های موجود در بازار بوده و با آزمایش های گوناگون و آنالیزهای مربوط به هر صنعت آمادهٔ بهره‌برداری و فروش به صنعت گران عزیز در ایران پهناور است.

در راستای تولید کربنات کلسیم، شرکت کاوش گستر فانیذ موفق به تولید کربنات کلسیم رسوبی با روکش کربن شده است که می‌تواند در صنایع گوناگون تحول‌آفرین باشد. این محصول برای کارخانجاتی که کربنات کلسیم و دوده استفاده می‌کنند راهی برای کاهش قیمت تمام شده محصول ایجاد می‌کند که با جایگزینی این محصول با فیلرهای معمول قابل انجام است و باعث افزایش چشمگیر کیفیت محصولات نهایی می‌شود چون ساختار شیمیایی این ترکیب متفاوت از کربنات‌های رایج است. در ادامه نحوهٔ تولید این محصول از گل صافی را توضیح می‌دهیم.

 

 

کربنات کلسیم رسوبی با روکش کربن چطور تولید می‌شود؟

همانطور که مستحضرید یکی از محصولات فرعی کارخانجات  قند چغندری و نیشکر و تصفیه خانه های شکر خام گلی است که از فیلتراسیون تصفیه شربت های این کارخانجات بدست می آید. شکر خام بااستفاده از هیدروکسید کلسیم و گاز کربنیک و واکنش با مواد ناخالص موجود در شربتها تولید میشود. مقدار گل در کارخانجات شکر از چغندر در حدود ۷ تا ۱۰ درصد چغندر مصرفی و در کارخانجات نیشکری حدود ۴ تا ۶ درصد نیشکر مصرفی, در تصفیه خانه ها ۳ تا ۵ درصد شکر خام میباشد. اگر میزان چغندر مصرفی شش میلیون تن و نیشکر مصرفی ۸۰۰ میلیون تن و شکر خام مصرفی هزارتن در سال ۹۶ در نظر بگیریم میزان تولید قند و شکر از چغندر و نیشکر یک میلیون و ششصد هزار تن و با شکر خام وارده حدود دو میلیون چهارصد هزارتن با سرانه ۲۵ کیلو و بیست درصد دخیره استراتژیک است. مقدار گل تولیدی حداقل حدود ۹۸۰ هزار تن میباشد. و چنانچه ماده خشک این گل ۵۰ درصد باشد تعداد گل خشک تولیدی حدود ۴۹۰ هزار تن خواهد بود. ارزش این گل در اروپا حدود ۶ یورو برای هر تن میباشد. این حداقل قیمتی است که گل خشک بدون فرآوری فروخته میشود. در کشور فقط مقدار کمی از این گل در بعضی از مناطق در مزارع استفاده میشود و باقی مانده بصورت نامطلوبی محوطه کارخانه و محیط زیست را آلوده کرده و برای کارخانجات تولید هزینه میکند. در حالیکه استفاده درست و فرآوری مناسب از این محصول فرعی میتواند درآمد زا باشد. گل بصورت فرآوری شده را در صنعت دامداری,مرغداری,کشاورزی, و ساختمانی استفاده میکنند.

 

- در صنعت با فرآوری آن در تولید کربنات رسوبی برای استفاده در صنایع لاستیک و پلاستیک,پلی کا,رنگ,دارویی کابل و غیره.
- در دامداری به عنوان مکمل کلسیم در علوفه و جلوگیری از خودسوزی علوفه
- در مرغداری بعنوان مکمل کلسیم برای جلوگیری از ضایعات تخم مرغ
- در بخش ساختمان در تهیه بلوک های سیمانی و در کارخانجات سیمان
- در بخش کشاورزی به عنوان کود آهکی کلسیم منیزیوم و کود پایه قارچ,نگهدارنده آب,بهبود بافت خاک,کاهش شستشوی خاک,افزایش رشد و مقاومت در برابر بیماری ها استفاده میشود.

استفاده از گل صافی در چهار بخش اول احتیاج به قرآوری دارد که فعلا مورد نظر نیست ودر صورت لزوم در مورد طرز استفاده در موارد اخیر میتواند مورد بررسی قرار گیرد. ولی از آنجا که این گل میتواند بدون فرآوری در بخش کشاورزی مورد استفاده قرار گیرد بهتر است ابتدا به جدول ترکیبات گل صافی های فشار ۱ و ۲ نگاه کنیم.

 

جدول ترکیبات گل صافی فشار اشباع برحسب درصد وزن کل و ماده خشک (۱)

 

جدول ترکیبات گل صافی فشار اشباع بر حسب درصد وزن کل و ماده خشک (۲)

 

از کتاب قند سازی از چغندر انتشارات دانشگاه تهران مهندس ابراهیم ریاحی جلد دوم صفحه ۱۵۷ تا ۱۵۹: «گل صافی بخصوص از لحاظ ازت و فسفر که دارد برای تمام انواع اراضی و همچنین بعلت مقدار زیادی آهک که دارد برای زمین های اسیدی بسیار مناسب است.حدود ۳ تن گل صافی مرطوب یا یک و نیم تن گل خشک برای هر هکتار لازم است.»

از کتاب رساله قند سازی از چغندر از انتشارات مرکز تحقیقاتی تیرلومونت جلد دوم مترجم کتاب مهندس ابراهیم ریاحی: «گل صافی را میتوان در زمین های اسیدی به عنوان کود آهکی بمصرف رساند.»

از کتاب تکنولوژِی تولید شکر از چغندر قند و تصفیه شکر نوشته چی . ام سیلین ترجمه مهندس پورسید و مهندس سجادی صفحه ۴۰۸ جلد اول: «ممکن است گل صافی را به عنوان کود فسفاته ۱٫۷ درصد P₂O₅ نسبت به صد دردصد ماده خشک یا به عنوان کود ازته حدود ۰٫۹ درصد ازت نسبت به صددرصد ماده خشک نیز مصرف کرد.»

با توجه به اینکه گل صافی تقریبا تمام کودهای ماکرو(N P K Ca Mg S) و همچنین بخشی از کود های میکرو را (Fe Cu Zn Ma B Cl )را به همراه دارد و از طرفی ارزان ترین کود برای مصرف کننده میباشد لذا استفاده از آن لازم و مقرون بصرفه است. کود کلسیم و منیزیوم باعث افزایش رشد و مقاومت در مقابل بیماری ها میباشد و همچنین باعث کاهش شست وشوی خاک و بهبود فیزیکی بافت خاک و نگه داری مناسب آب میباشد.

کلسیم در ساخت دیوار سلولی موثر است و منیزیوم برای فعال کردن آنزیم کلروفیل مفید میباشد.از آنجا که اکثر صاحب نظران اعتقاد به قلیاییّت گل دارند و اینکه ازین گل بیشتر در زمین های اسیدی استفاده میشود ولی یون هیدروژن و آلومنیوم خاک از عناصر اصلی فعالیت (اسیدیته)خاک میباشد. کودهایی شامل نمک های آلومنیوم (اوره-نیترات آلومنیوم-سولفات الومنیوم-...)یون هیدروژن آزاد میکنند. و در طول نیتراسیکافیون باعث پایین آمدن PH خاک میگردد(تبدیل نمک الومنیوم به نیترات) به علاوه همچنین مقدار CO₂ تولید شده توسط گیاه و ترکیب آن با آب باعث پایین آمدن بیشتر PH خاک میگردد لذا استفاده از گل صافی بعنوان تنظیم کننده PH خاک علاوه بر تقویت زمین نیز است. از این گل بعد از خشک کردن و شست وشو مجدد برای حذف مواد قندی و کلوییدی و سیلیس و فیلتراسیون مجدد و خشک کردن مجدد به عنوان کود پایه قارچ استفاده میگردد. همچنین از گل فیلتراسیون تصفیه شکر خام بعد از میکروب زدایی (از بین بردن میکروارگانیسم)در راکتور در تهیه غذای دام و طیور بعنوان مکمل استفاده میشود.

 

جدول ترکیبات گل فیلتراسیون (تصفیه شکرخام)

 

برای استفاده صنعتی از گل صافی قبلا خشک شده، شرکت کاوش گستر فانیذ موفق به ساخت راکتوری شده که میتوان از آن برای از بین بردن میکرو ارگانیسم ها موجود در خاک برگشتی از چغندر  وگل فیلتراسیون و استفاده مجدد بعنوان خاک زارعی مناسب در مزارع استفاده کرد. ضمنا ازین راکتور میتوان در تولید کربنات کلسیم رسوبی کربن کلسیم رسوبی با پوشش کربن-آهک وآهک هیدراته ,گاز CO₂ و آب مقطر حاصل از خشک کردن و واکنش های انجام شده در راکتور تولید کرد. استفاده از حرارت ,فشار هوا,استفاده از بخار در شیر تهیه این تولیدات در این راکتور استفاده میگردد. از کربنات کلسیم رسوبی سالهاست که در صنایع لاستیک وپلاستیک بعنوان پرکننده استفاده میگردد. ولی از کربنات کلسیم رسوبی با پوشش کربن هنوز مورد بهره برداری مناسب قرار نگرفته است.کربنات کلسیم با پوشش کربن از پیوند کربنات کلسیم رسوبی(قسمت درونی)با کربن (ترکیبات آلی)بدست میاید.

در کامپاند های شیمیایی پرکننده معدنی مشکلاتی مانند چسبندگی سطوح مواد به یکدیگر تجمع ذرات در یک نقطه و شکل توزیع یکنواخت مواد همواره وجود دارد. توزیع نامناسب مواد در ماتریس پلیمر سبب افت شدید خواص مکانیکی محصول نهایی خواهد شد. برای رفع این نقص حضور یک ماده واسطه الزامی است که این ماده واسطه بنام عامل اتصال دهنده نقش مهمی در رفع مشکل یاد شده بالا باتبدیل فاز معدنی پرکننده به فاز آلی را ایفا میکند. و از تجمع و شاخه ای شدن مواد جلوگیری کرده و اندازه متوسط ذرات را کاهش داده که در نتیجه نسبت سطح به حجم ذرات افزایش خواهد یافت تاکنون برای رفع این مشکل از پوشش مکانیکی اسیداسکاریک روی پلیمر استفاده میگردید. در این محصول تولیدی با پوشش شیمیایی ذرات کلسیم کربنات رسوبی با پیوند بین ماده آلی کربن و معدنی کربنات کلسیم تولید میگردد که عوامل بازدارنده عناصر معدنی را در کامپاند پخش کرده و در عمل در هنگام توزیع در ماتریس پلیمر معدنی به مثابه یک ماده آلی با مواد پلیمری به هم متصل شده و اتصالات بهتری بین ماده آلی و معدنی را به دنبال خواهد داشت. در تکنولوژی تولید این محصول از راکتوری استفاده میگردد که باکنترل (دما,زمان,فشاراکسیژن و گاز دی اکسید و بخارآب) با ماده آلی موچود در کربنات کلسیم را بصورت کربن روی جوش میدهد. (اتصال کووالانسی)

 

 مزیت این ماده:

- بجای استفاده کامل از کربنات کلسیم,دوده,اسیداستاریک,شتاب دهنده,فعال کننده ضد اکسیدانت وسایر به نسبتی ازین ماده استفاده میشود.
- کاهش انرژی در زمان اختلاط
- مهار خاصیت اسیدی افزودنی های اسیدی
- کاهش مونی ویسکوزیته فعال کننده
- رها سازی قالب بعد از فرایند پخت
- ایجاد حرارت کمتر در قطعات دینامیکی و تحت تنش
- افزایش کیفیت و کاهش قیمت تمام شده 

مشخصات محصول (درصد)

 

 در ساختمان لاستیک از مواد شیمیایی طبیعی و معدنی مختلفی استفاده میشود که هریک در عملکرد تایر و نیز در جریان تولید آن نقش خاص را ایفا میکنند. از نظر تهیه و فراوری کائوچو را به سه دسته تقسیم میکنند:

- کائوچو طبیعی از شیره درخت مخصوص در مناطق استوایی و کشور های مالزی,تایلند,اندونزی میروید بدست میاید.
- کائوچومصنوعی از مشتقات نفتی و محصول کارخانجات پتروشیمی میباشد مانند بوتادین رابرBR و استایرن بوتادین رابرSBR بدست میاید.
- کائوچو بازیافتی

هریک ازین اجزا مختلف تایر شامل نسبت های مختلفی از کائوچو طبیعی و مصنوعی هستند که این نسبت به خصوصیات فیزیکی مورد نیاز بستگی دارد. به عنوان مثال کائوچو طبیعی دارای مقاومت حرارتی بالا و چسبندگی عالی است و به این دلیل در اجزا درونی تایر مثل لایه ها بیشتر کاربرد دارد. اضافه کردن دوده به کائوچو باعث افزایش مقاومت سایشی تایر شده خواص مکانیکی آن را بهبود میبخشد. ساختار کائوچو به گونه ای است که در بین مولکول های آن فضای خالی وجود دارد. دوده در این فضاها قرار میگیرد گاهی اوقات علاوه بر دوده از پرکننده های غیر دوده ای نظیر کربنات کلسیم یا کایولن نیز استفاده میشود.

برحسب فعالیت سطح دوده ها به سه دسته تقسیم میشوند: دوده کانالی، دوده کوره ای، دوده حرارتی

سطح فعال دوده ها اسیدی بوده و باعث کلوخه سازی و تجمع در نقطه میگردد. انواع دوده های مورد استفاده در صنایع لاستیک تقویت در مقابل پارگی افزایش الاستیسیته افزایش کشسانی مقاومت سایشی قابلیت ارتجاعی لاستیک مقاومت در برابر اشعه uv را به همراه دارد. 

نام‌های انواع دوده

 بدنه اصلی تایر شامل لایه های نخی پوشش داده شده با آمیزه(خمیر) لاستیکی میباشد. جنس نخ ها نایلون,ریون , پلی استر است. به مجموع لایه های نخی بکار رفته در تایر منجید یا کارکاس گفته میشود. وظیفه لایه های نخی تحمل فشار باد از داخل تایر و بار وارد شده به تایر از خارج میباشد. به منظور ایجاد استحکام کافی در بخشی از تایر که روی رینگ قرار میگیرد و طوقه (بید)نام دارد. از سیم های فولادی استفاده میشود. این سیم ها ضمن انکه دارای پوشش مسی یا برنزی هستند توسط آمیزه لاستیکی نیز پوشش داده شده پس از چند روز تابیده شدن به مقطعی به شکل مربع یا ذوزنقه مجموعه سیم های طوقه را تشکیل میدهند. اکسیژن و ازن موجود در هوا میتواند باعث تخریب و فرسایش اجزا تایر شوند. برای مقابله با اثرات مضر عوامل از مواد شیمیایی خاص نظیر اکسیدانت ها موم ها و ضد اوزونات ها در آمیزه لاستیک استفاده میشود. در چرخه فرایند تولید لاستیک از مواد دیگری نظیر انواع روغن ها شتاب دهنده ها و گوگرد استفاده میشود.

درصد وزنی مواد تشکیل دهنده تایر سواری 

 

• گوگرد که بصورت محلول و غیر محلول بعنوان ولکانیزه کردن پیوند عرضی با پلیمر ها که بصورت طولی به یکدیگر مربوط میشوند.
  - شتاب دهنده (Accelerator)
  - MBTS(Mercapto-benzothiazole dysolfate)
  - MBT(2-mercapto-benzotiazole)
  - TMTD(tramethylthiuramdisulphate)
  - CBC(N-cyclohexal-2-benzothiazole sulphat amid)
  - TBB(N-Tetra-butylbenzo thiazole sulpho amid)
  - باعث سرعت در عمل ولکانیزه میشود (بیشتر شامل ترکیبات گوگرد و ازت)
  - فعال کننده (activator)
  - اکسید روی
  - کمک فرآیند (processing Aid)
  - اسید های چرب,استرهای چرب,پارافین,صابون روی
  - تاخیر دهنده (retarder)
  - Pvi
  - آنتی اکسیدانت و آنتی اوزون
  - TML-IPPO-6PPD

از کربنات کلسیم رسوبی PCC با مِش(اندازه ذرات) مختلف برای صنایع کابل, لوله ,PVC رنگ کلیه قطعات لاستیکی لنت ترمز, کلاج, صنایع غذایی و دارویی استفاده میگردد. در راکتور تولیدی این شرکت بعد از تولید کربنات کلسیم با پوشش کربن یا کربنات کلسیم رسوبی بدون پوشش برای کوچک کردن اندازه ذرات از آسیاب, سیکلون ها, سپراتور ها استفاده میگردد تا بنا به درخواست مصرف کننده سایز آن تولید گردد. مصرف کربنات کلسیم برای کابل و لوله های پی وی سی بین ۱۰ تا ۵۰ درصد و برای در و پنجره ۵ تا ۵۰ درصد استفاده میشود. معمولا درصد کربنات کلسیم حدود ۹۸ درصد اندازه آن ۰٫۰۷ تا ۲ میکرون و درجه سفیدی ۹۵ تا ۹۶ درصد و قدرت جذب روغن ۳۵ تا ۴۰ گرم به ازای هر ۱۰۰ گرم پودر میباشد. کربنات کلسیم سبب مقاومت گرمایی, پایداری ابعاد, سختی و استحکام میشود(خواص مکانیکی). در کربنات کلسیم با دانه بندی ۳ تا ۱۲۰ میکرون جذب روغن ۶ تا ۵۰ گرم در ۱۱۰ گرم کربنات کلسیم و مساحت سطح مخصوص ۰.۳ تا ۲متر مربع بر گرم و رطوبت کمتر از۰.۵ درصد و درجه خلوص ۹۴.۵ میتواند باشد. ۳ تا ۵ درصد نانو کربنات میتواند باعث استحکام مکانیکی ۴۱ تا ۴۵ درصد دوده ایجاد کند.

جدول اندازه ذرات ۱۰۰ مش PCC- PCC_c 

 

 در صنایع لاستیک و پلاستیک بهتر است به مفاهیم زیر آشنا باشیم چون در ازمایشات این قطعات مورد بررسی قرار میگیرد:

پلاستیسیته (Plasticite): حالتی است که از تغییر شکل دایمی و برنگشتنی ماکرومولکولها ناشی میشود که آنها را پلاستومر یا مواد پلاستیکی میگویند. که میتوانند تحمل تغییر شکل را تحت تاثیر نیروی کششی و یا فشار بنمایند. و در نتیجه میتوان آنها را کشید و قالب گیری کرد و یا از انها الگو ساخت.

الاستیسیته (Elasticite): حالتی است که از تغییر شکل موقت و برگشتی یک توده جامد حاصل میشود. بدین معنی که اگرآنرا تحت تاثیر نیروی کشش قرار دهند فرم وشکل ظاهری آن تغییر میکند. ولی به محض اینکه نیروی وارده قطع شود ماکرومولکول به شکل اولیه خود برمیگردد. بطوریکه اگر این نیرو از حد مشخصی تجاوز کند جسم زیادتر تغییر شکل داده
و دیگر قادر به گرفتگی شکل اولیه خود نیست و بالاخره اگر نیروی کشش باز هم زیادتر شود انقطلاع رخ خواهد داد.