Несмотря на последние технологические достижения и постепенное развитие концепций экономики замкнутого цикла, рынок продуктов пиролиза шин всё ещё находится на начальной стадии развития. В этой статье мы даём введение в понятие технического углерода, подробно описываем области применения первичного технического углерода и оцениваем потенциал регенерированного технического углерода в качестве замены его экологически вредного аналога – первичного сырья.

В конце статьи мы оцениваем возможный годовой объём рынка восстановленного технического углерода, скромно предполагая, что уровень замещения первичного технического углерода составит 20%. Подсказка: цифры показывают, что производство восстановленного технического углерода — прибыльный бизнес, открывающий множество возможностей.

Технический углерод: введение и определения

Традиционно технический углерод (ТУ) использовался в качестве армирующего агента и наполнителя в автомобильных шинах. Благодаря более глубокому пониманию уникальных свойств ТУ как материала, в настоящее время он находит гораздо более широкое применение в самых разных изделиях: автомобильных шинах, конвейерных лентах, чернилах, пластиковых трубах, резиновых ковриках, подошвах обуви и т.д. Первичный ТУ содержит лишь следовые количества примесей, а содержание углерода очень близко к 100%.

Первичный технический углерод (vCB) – это материал в виде тонкого черного порошка, получаемого при неполном сгорании тяжелых нефтепродуктов, таких как смола каталитического крекинга (FCC), каменноугольная смола или смола этиленового крекинга. Технический углерод – это паракристаллическая форма углерода с высоким отношением площади поверхности к объему, хотя и ниже, чем у активированного угля. Наибольшее применение технический углерод находит в качестве армирующего наполнителя в резиновых изделиях, особенно в шинах. В то время как вулканизация бутадиена-стирола чистой камедью имеет прочность на разрыв не более 2 МПа и незначительную стойкость к истиранию, добавление к нему 50% технического углерода по весу улучшает его прочность на разрыв и износостойкость.

Углеродный уголь (УУ), или сырой восстановленный технический углерод (СТУ), является одним из непосредственных продуктов пиролиза. Этот материал имеет низкую стоимость и имеет ограниченное применение, например, для производства энергии в цементных печах. Поэтому углеродный уголь необходимо очищать в соответствии с требованиями рынка и конечными областями применения, чтобы использовать его в качестве технического продукта в высокоценных областях.

ASTM International — орган по стандартизации, внедряющий ключевые определения продуктов и материалов и имеющий более 12 800 стандартов ASTM, действующих по всему миру, — недавно опубликовал первый стандарт, касающийся восстановленного технического углерода (rCB).

TheКомитет ASTM D36 по восстановленному техническому углероду (rCB)Был основан в 2017 году для поддержки развивающейся отрасли радиохимических исследований (RCB) в вопросах качества и безопасности продукции. Несколько подкомитетов отвечают за разработку стандартов терминологии, руководств, практик и методов испытаний.

Новый стандарт ASTM (D8178) отвечает потребности в наборе общих терминов для чёткого разграничения значений rCB и углеродного полукокса (CC). Кроме того, он облегчает обмен информацией о характеристиках rCB в предлагаемых областях применения. В стандарте D8178 обозначены важные различия между углеродом, техническим углеродом (согласно определению стандарта ASTM D3053), сырым восстановленным техническим углеродом и восстановленным техническим углеродом (rCB).

Что наиболее важно, наименование продукта «восстановленный технический углерод» (rCB) следует применять только в том случае, если необработанный технический углерод освобожден от металлов и волокон и был измельчен, что в противном случае придает rCB в резине типичные полуармирующие свойства.

Существует несколько процессов очистки и повышения ценности сырого углеродного углерода (RCB) в зависимости от конечных требований к продукту. Это может быть ограничено просеиванием по размеру и отделением посторонних примесей (металлов и волокон) или использованием химических веществ или других процессов для удаления определенных компонентов из материала. Очищенный углеродный уголь, полученный пиролизом шин, может быть маркирован как восстановленный технический углерод (RCB) и может быть адаптирован различными процессами для использования в производстве деталей, а также для дальнейшей очистки в химической промышленности в качестве пигментов и наполнителей в чернилах, красках и других материалах.

Постобработка углеродного углерода (CC) в углеродный углерод (RCB) – сложный процесс, требующий капиталоёмких технологий. Дальнейшая очистка этого материала позволит значительно улучшить свойства углеродного углерода, удалить значительную долю посторонних примесей и превратить его в высококачественный товар, способный в достаточной степени воспроизводить свойства первичного чёрного углерода. В зависимости от области применения и эксплуатационных требований, углеродный углерод (RCB) может заменить от 10% до 100% vCB в различных производственных процессах.

Священным Граалем для применения восстановленного технического углерода (rCB) является использование в шинной промышленности. На шинную промышленность приходится большая часть мирового потребления технического углерода. Однако шинная промышленность не спешит заменять vCB с высоким содержанием на rCB или принимать большие объемы в производство из-за нормативных ограничений, проблем с имиджем и поставками. Однако среди производителей шин наблюдается явная тенденция к принятию rCB. Среди прочих, компания Michelin приобрела значительную долю в шведской компании, занимающейся пиролизом шин, и планирует строительство завода по производству rCB в Южной Америке.

Обзор использования технического углерода

Первичный техуглерод десятилетиями использовался в качестве армирующего наполнителя в шинах и стал ключевым материалом для всей резиновой промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам техуглерод используется в большинстве отраслей шинной и нешинной резины, а также в качестве пигмента, стабилизатора ультрафиолетового излучения и проводящих добавок в различных высококачественных продуктах повседневного и специального назначения. Международная ассоциация технического углерода (ICBA) классифицировала области применения технического углерода следующим образом:

• Шины и резинотехнические изделия: Технический углерод добавляется в резину в качестве наполнителя и усиливающего агента. В различных типах шин он используется во внутренних слоях, каркасах, боковинах и протекторах, выбирая различные типы в зависимости от конкретных эксплуатационных требований. Технический углерод также используется во многих формованных и экструдированных резинотехнических изделиях, таких как ремни, шланги, прокладки, диафрагмы, виброизоляторы, втулки, пневматические рессоры, бамперы шасси, а также различные типы колодок, пыльников, щёток стеклоочистителей, роликов конвейеров и люверсов.
• Пластмассы: Технический углерод в настоящее время широко используется для производства проводящей упаковки, пленок, волокон, молдингов, труб и полупроводящих кабельных компаундов в таких изделиях, как мусорные мешки, промышленные пакеты, фотоконтейнеры, сельскохозяйственная мульчирующая пленка, стретч-пленка, а также термопластичных изделий для автомобильной промышленности, электротехники/электроники, бытовой техники и формованных выдувным способом контейнеров.
• Соединения для защиты от электростатического разряда (ESD): технический углерод тщательно разработан для преобразования электрических характеристик из изолирующих в проводящие в таких изделиях, как упаковка для электроники, системы безопасности и автомобильные детали.
• Высокоэффективные покрытия: технический углерод обеспечивает пигментацию, проводимость и защиту от УФ-излучения для различных сфер применения покрытий, включая автомобильную промышленность (грунтовки и прозрачные лаки), судостроение, аэрокосмическую промышленность, декоративные покрытия, покрытия для древесины и промышленные покрытия.
• Тонеры и печатные краски: технический углерод улучшает рецептуры и обеспечивает широкую гибкость в удовлетворении конкретных требований к цвету.

Несмотря на то, что существует множество способов применения технического углерода, для разных целей требуются различные качества технического углерода и разные свойства.

Качество технического углерода зависит от процесса и оборудования. Поэтому при выборе оборудования следует учитывать желаемое качество технического углерода и требования к условиям применения.

Потенциал рынка и основные драйверы спроса на rcb

Учитывая, что rCB является частичной и полной заменой vCB в различных отраслях, рыночный потенциал rCB определяется текущей конъюнктурой рынка vCB. По данным различных отраслевых экспертов и нашим оценкам, в течение последних пяти лет мировое потребление vCB непрерывно росло и оценивается в диапазоне 11–13 миллионов тонн в год. Это составляет годовой объём рынка, близкий к 16 миллиардам евро.

Наиболее распространенное применение vCB – производство резины и пластика (благодаря его свойствам наполнителя и армирующего агента). Благодаря своей способности армировать резину, он широко используется в шинной промышленности. В других областях применения резины и пластика он используется в качестве наполнителя. В данном случае наполнитель выполняет функцию разбавителя и используется, главным образом, для снижения объемных затрат. На эти области применения приходится более 95% от общего мирового потребления CB. Около 4% CB используется в качестве пигментов для чернил благодаря своим превосходным тонирующим свойствам, а оставшаяся часть используется в других областях.

Диаграмма: Рынки конечного использования технического углерода

Шинная промышленность по-прежнему является крупнейшим потребителем первичного технического углерода, с общим потреблением около 9 миллионов тонн в последние годы. Она представлена ​​небольшим числом крупных игроков, доминирующих на рынке и имеющих сильное влияние на поставщиков. На долю отрасли приходится около 70% мирового потребления технического углерода. В этой категории на легковые шины приходится 45% потребления технического углерода, на грузовые и автобусные шины – 32%, а на прочие шины (кроссовые, мотоциклетные, авиационные и т.д.) – 23%.

Изделия из резины (кроме шин) представляют собой второй по величине сегмент потребления технического углерода, занимая 20% от общего объема, что составляет около 2–2,5 млн тонн в год. Сюда входят все виды резины, за исключением шин и восстановленных протекторов, и они широко диверсифицированы в ряде отраслей, производящих продукцию для резиновых ремней, проводов, резинотехнических изделий и других отраслей, использующих технический углерод в процессе компаундирования.

Пластики и чернила можно отнести к специализированным рынкам, на которые приходится около 10% потребления vCB – 1–1,2 млн тонн в год. Этот сегмент также диверсифицирован по различным конечным областям применения, а также по различным маркам и специальным рецептурам vCB, необходимым для достижения определённых характеристик. vCB в этом сегменте используется преимущественно в качестве пигмента или наполнителя.

В то время как наши исследования показывают, что в некоторых областях применения (например, в пластиковых мастербатчах, кровельных материалах, чернилах и т. д.) можно заменить до 100% первичного технического углерода, в других областях применения цифры более скромные. Например, в боковинах шин легковых автомобилей можно заменить 30–50% vCB на rCB.

Предполагая, что уровень замещения составит 20%, мы оцениваем, что годовой объем мирового рынка БКБ может составить около 3,2 млрд евро.

Это делает пиролизный бизнес, ориентированный на производство блочного карбида кремния, прибыльным. Хотя успех бизнеса зависит от множества факторов, таких как технология производства и качество продукции, для операторов пиролиза открываются обширные рыночные возможности.

Мы видим потенциал только для восстановленного технического углерода на мировом рынке углеродного углерода, но также убеждены, что этот рост неизбежен благодаря устойчивому политическому переходу развитых экономик к устойчивым и экологичным технологиям. Сегодня у новичков на рынке есть уникальная возможность сформировать отрасль углеродного углерода и стать её лидерами в ближайшие десятилетия.

Необходимы согласованные усилия для повышения потенциала отрасли

Тем не менее, для увеличения использования восстановленного технического углерода в отрасли и ускорения развития отрасли производства вторичного углеродного углерода необходимы согласованные усилия всех заинтересованных сторон. Индустрия производства вторичного углеродного углерода в значительной степени зависит от нормативно-правового регулирования и научных исследований. Последнее необходимо для того, чтобы операторы пиролиза могли производить более однородный и стабильный продукт, в то время как первое будет способствовать включению отрасли в цикл экономики замкнутого цикла.

Нормативные ограничения в крупных отраслях промышленности были в основном вызваны отсутствием стандартизации rCB. Хорошая новость заключается в том, что ASTM прогрессирует в этом вопросе и разрабатывает специальные стандарты для rCB. Поскольку типичные методы определения характеристик технического углерода, основанные на измерении уровня структуры и площади поверхности, могут не коррелировать с характеристиками в резине, как и для продуктов из восстановленного технического углерода, ASTM будет способствовать разработке конкретных методов испытаний для rCB. Тем не менее, rCB является устойчивым продуктом с точки зрения циклической экономики и обеспечивает различные преимущества в различных областях применения.