Temel olarak hidrokarbonların (doğal gaz, petrol ürünleri, yağlar vb. maddelerin) termal ayrıştırma metotları ile karbon ve hidrojen bileşenlerine parçalanması sonucu elde edilir. Yüksek sıcaklıklarda bozunma ile oluşan hidrokarbon buharında bulunan elementel karbon bir yüzeyde toplanır.
Üretim koşullarına bağlı olarak tüm karbon siyahlarının yüzeylerinde emilmiş oksijen kompleksleri (karboksilik, kinonik, laktonik, fenolik gruplar) bulunur. Bunlara toplu olarak uçucu içerik adı verilir. Uçucu içerik arttıkça iletkenlik azalır. Kaplama, boya ve mürekkep endüstrileri asitle oksitlenmiş karbon türlerini tercih eder. Siyahın doğal yüzey kimyasını değiştirmek için üretim esnasında yüksek sıcaklıklı kurutuculara asit püskürtülür ve yüzeye kimyasal olarak bağlı oksijen miktarı arttırılır. Böylece ürünün sistem içindeki dağılımı, pigment ıslatma özelliği, reoloji ve genel performansı geliştirilmiş olur.
1-Fırın Siyahı Prosesi (Furnace Black) : En yaygın üretim yöntemidir. Toplam kapasitenin %80 den fazlası bu yöntemle elde edilir. Dünyada Yıllık üretim miktarı 12 milyon ton dan fazladır. Hammadde olarak yüksek aromatik hidrokarbon içeriğine sahip ağır yağlar kullanılır. Çoğunlukla yağ arıtma işleminden elde edilen düşük fraksiyonlu artık ve süzme yağlar yüksek sıcaklıkta kontrollü atmosfer ortamında yakılır. Yani Hidrokarbonların kısıtlı oksijen içeren fırınlarda yakılması ile elde edilir. Oluşan ürün önce filtrelenir daha sonra siklon ayırıcılardan geçirilerek uçucu gazlardan ayrılır ve kurutulur.PH değeri 7-10 arasındadır. Partikül boyutu ve yapısını kontrol etme imkanı ve yüksek verimlilik nedeniyle seri üretim için uygundur. Fırın siyahı tanecik yüzeyinde küçük miktarda bazik oksit bulunduğundan genellikle alkalindir. Bu yöntemle tanecik büyüklüğü 11-100 nm arasında olan ve Kauçuk sanayisinde yaygın olarak kullanılan en temel karbon siyahı türleri (SAF,İSAF,HAF,FF,FEF,GPF,SRF) üretilmektedir.
Reaktördeki basınç, sıcaklık ve süre koşulları kontrol edilerek parçacık boyutu ve agrega yapısı ayarlanabilmektedir. Yakıt atomize edilerek karbonizasyonun başladığı reaksiyon odasına gönderilir. Oksijen seviyesi kurum oluşumunun gerçekleştiği seviyenin altında tutulur. Atomize yakıt, karbonlu olmayan malzemeleri ortadan kaldırmak için reaksiyonlara girer, karbon atomları damlacık içindeki yakın komşulara bağlanmaya başlar ve katılaşma sürecini başlatır. En temel karbon parçacığını oluşturan bu karbonlaşmış damlacıktır ve birincil parçacık olarak adlandırılır. Karbonlaştırıcı yakıt damlacığı reaksiyon odasından çıkıp fırının yolunda ilerlerken diğer karbonize edici damlacıklarla temas ederek “agrega” oluşturmak için birbirine bağlanırlar. Birincil parçacıklar daha büyük bir kütle oluşturmak için birleşir. Agrega yapısı bir üzüm salkımına benzer.Her bir üzüm tanesi karbon taneciği, salkım da agrega partikülü gibi düşünülebilir. Agregalar reaktör boyunca ilerlerken az miktarda alkali metal tuzu, su ilavesi ve sıcaklık ayarı ile reaksiyon kontrol edilebilir. Böylece agreganın yüzey kimyası, boyutu ve yapısı (şekli) değiştirilebilmektedir.
2- Termal Siyah Prosesi (Thermal Black) : Doğal gazın havasız ortamda 1.300 C civarında ısıl parçalanması ile üretilir. Bu yöntemde tanecik çapı büyük, agrega yapısı küçük karbon siyahı elde edilir. Tanecik büyüklüğü 100-500 nm arasındadır. Hammaddenin doğası gereği bu karbon siyahı endüstriyel ölçekte en saf formdadır. Bu yöntemle üretilen en önemli karbon siyahı türleri FT ve MT dir. Toplam üretimin yaklaşık %10'u bu yöntemle üretilir.
3- Kanal (Baca) Siyahı Prosesi (Channel Black) : Doğalgazın demir plakalar üzerinde kısıtlı oksijenle yakılması sonucu elde edilir. Bu yöntemle elde edilen karbon siyahının verimi düşüktür ve çevre kirliliğine yol açar. Bu nedenle sınırlı üretim yapılır.PH değeri 5 civarı olup asidik özellik gösterir. İçindeki oksijen miktarı %3 civarındadır. En önemli türleri EPC ve MPC'dir. Tanecik büyüklüğü 15-40 nm arasındadır.
4- Asetilen Siyahı Prosesi (Acetylene Black) : Asetilen gazının 900 C civarında havasız ortamda ekzotermik bozunması ile elde edilir. Bu yöntemle tanecikleri küçük, agrega yapısı büyük grafitik içeriği yüksek karbon siyahı üretilir. Elektrik iletkenliği daha yüksektir. Yüksek gerilim yeraltı kablolarında ve tuzlu elektrik pillerinde ve iletken kauçuklarda kullanılır. Kablolarda alüminyum şeritlerin kaplamasına siyah iletken dahil edilir böylece elektrik alanı eşitlenir ve korona etkisi önlenmiş olur. Tanecik büyüklüğü 20-40 nm arasındadır.
5- Ömrünü Tamamlamış Lastiklerden (ÖTL) Karbon Siyahı Üretimi : Piroliz yöntemi ile elde edilir. Bu yöntemde havasız ortamda yüksek sıcaklık etkisi ile lastiği oluşturan polimerin yapısında bağ kopmaları ve zincir kırılmaları meydana gelir ve çok sayıda reaktif radikaller oluşur. Bu radikaller kararlı hale geçmek için tepkimeye girerek gaz, sıvı, katı ürünlere dönüşür.
Her yıl Dünya genelinde 30 milyon ton, Ülkemizde ise 400 bin ton (ÖTL) ömrünü tamamlamış lastik oluşmaktadır. Piroliz yöntemi ile geri kazanımı yapılan ortalama 10 kg'lık bir otomobil lastiğinden yaklaşık (4,0 kg yağ+3,3 kg karbon siyahı+1,5 kg çelik tel+1 kg gaz+0,2 kg Textil-Elyaf-Kord) elde edilir.
Son yıllarda petrol fiyatlarındaki dalgalanmalar sonucu yakıtlardan elde edilen karbon siyahında (CB) oluşan anormal fiyat değişikliği ve temin zorlukları nedeniyle Geri dönüşümden elde edilen pirolitik karbon siyahına (CBp) yönelim artmıştır. Hem çevresel fayda sağlaması hem de sürekli temin olanakları ve daha ekonomik oluşu nedeniyle tüm dünyada kullanım miktarı artmaktadır. Hızla genişleyen bir pazara sahiptir. Petrol kaynaklarının azalması ile birlikte yakın gelecekte karbon üretim sektöründe potansiyelin büyük çoğunluğunu teşkil edeceği öngörülmektedir. Lastiklerin yanı sıra kullanılabilecek diğer kaynaklar kauçuk konveyör bantları ve diğer teknik kauçuk ürünleridir. Bu yöntemle elde edilen karbon siyahı rafine edilerek yani kül, nem, uçucu madde giderme işlemlerinden sonra Boya, masterbatch, plastik, kauçuk vb. tüm sektörlerde kullanılabilecek saflıkta yüksek kaliteli hale getirilebilmektedir.
Pirolitik Karbon Siyahının Rafinasyonu : Rafinasyon işlemi tanecik boyutunu küçültme (öğütme), reaktivasyon (uçucu bileşenlerin uzaklaştırılması), asit/baz reaksiyonları ile katı fazdaki metal oksitlerin sıvı faza geçirilmesi (kül giderme), nötralizasyon ve kurutma kademelerinden oluşmaktadır. Ömrünü tamamlamış lastiklerden piroliz yöntemi ile elde edilen karbon siyahının rafinasyon kademeleri aşağıda belirtildiği gibidir.
a) Öğütme : Reaktörden çıkan karbon siyahı kırıcı değirmenlerde öğütülür. Böylece yüzey alanı büyütme ve homojen yüzey alanı oluşturma sağlanır.
b) Reaktivasyon : Uçucu bileşenlerden kaynaklanan organik maddeleri ve kükürt bileşiklerini uzaklaştırmak için karbon siyahı 600 C de 120 dakika ısıtılır. Böylece karbon siyahı yüzeyinde bulunan fonksiyonel gruplara sonradan bağlanan kükürt ve uçucu organik-metalik bileşenler uzaklaştırılır. Fonksiyonel gruplardaki oksijen oranı arttırılmış ve orijinal haline dönüştürülmüş olur. Pirolitik karbon siyahı içindeki uçucu bileşenler; kauçuk içinde bulunan yağların termal parçalanma sırasında karbon siyahı yüzeyinde absorbe olması ve karbon siyahının bünyesinde bulunan oksijen yapıları ile etkileşiminden kaynaklanır. Tüm reaktör yüzeyinin eşit ısıtılması ve homojen karıştırılması ile her bir karbon taneciğinin eşdeğer şartlarda tam piroliz işlemine tabi tutulması sağlanırsa bu uçucu bileşenlerin oluşumu azaltılabilir.
c) Asit/Baz ile Muamele : Kükürt ve uçucu madde oranı düşürülen karbon siyahı içindeki çinko bileşenleri (çinko oksit, çinko, sülfür gibi) ve metal oksitleri asidik ortamda sulu faza geçer. Asit ile sulu faza geçmeyen diğer silikatlar (silisyum bileşikleri) ise bazik ortamda sulu faza ayrılır. Bu rafinasyon sonucu kül oranının 2,90 seviyesine düştüğü görülmüştür. Ayrıca piroliz sıcaklığı arttıkça kül oranının düştüğü görülmektedir.
Pirolitik karbon siyahının asit/baz etkileşimiyle değişen kül miktarları.
d) Nötralizasyon : pH ayarlama
e) Kurutma : Nem giderme.(120 C de 4 saat kurutma)
Rafinasyon işleminden geçen pirolitik karbon siyahı (r-CBp) fizikokimyasal özellikler bakımından N330 Fırın siyahına yakın sonuçlar vermektedir.
Rafine edilmiş karbon siyahının fizikokimyasal özellikleri
Rafine edilmiş karbon siyahı SBR kauçuk üzerinde dolgu katkısı olarak denenmiş ve SBR kauçuğun fizikokimyasal özelliklerinin standart değerlere yakın olduğu görülmüştür.
Rafine pirolitik karbon siyahı (r-CBp) ve pirolitik karbon siyahı ile elde edilmiş SBR kauçuğunun fizikokimyasal özellikleri :
