Was ist Carbon Black? Einfacher Leitfaden für die Grundlagen

Ruß ist ein reines schwarzes Pulver, das auch als Rußrauch bezeichnet wird. Es besteht aus elementarem Kohlenstoff, einer amorphen Form von Kohlenstoff. Das wichtigste Material, das in vielen Industriezweigen als Grundstoff verwendet wird, ist Ruß. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit unzureichender Luft entsteht Ruß. Im Gegensatz zu Ruß enthält Ruß keine anorganischen Verunreinigungen und extrahierbaren organischen Rückstände.

Eigenschaften von Carbon Black

Ruß kann als das am häufigsten verwendete Nanomaterial angesehen werden. Er besteht aus mikrokristallinen Strukturen mit Durchmessern von zehn bis hunderten von Nanometern. Die folgende Tabelle gibt einen vollständigen Überblick über die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Carbon Black; sie fasst die wichtigsten Merkmale und die für die Industrie relevanten Eigenschaften zusammen.

Partikelgröße

Die Größe kann als der durchschnittliche Durchmesser von Rußpartikeln definiert werden, der in der Regel zwischen 10 und 200 Nanometern liegt. Die Abmessungen variieren innerhalb der verschiedenen Verteilungen der Partikel und hängen mit den unterschiedlichen Produktionsverfahren und der Beschaffenheit der Rohstoffe zusammen.

Struktur

Ruß besteht aus primären "Partikeln" oder "Knötchen", die zu starren kolloidalen Einheiten, den so genannten Aggregaten, verschmelzen. Diese Knötchen bestehen aus Mikrographitstapeln, deren c-Achse senkrecht zur Oberfläche steht.

Porosität

Es gibt zwei Arten von Rußporen: mikroporös und mesoporös. Ersteres bezieht sich auf eine Porengröße von weniger als 2 nm, letzteres auf Poren zwischen 2 nm und 50 nm. Solche Poren erhöhen die Alterungs- und Abriebbeständigkeit des Gummis.

Chemische Zusammensetzung

Die Hauptbestandteile von Carbon Black sind elementarer Kohlenstoff (>97%), Wasserstoff, Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff.

Oberflächenchemie

Funktionelle Sauerstoffgruppen (Phenole, Chinone, Carboxylgruppen) auf der Oberfläche von Ruß beeinflussen dessen Reaktivität, Dispersion und elektrische Eigenschaften. Die Oxidation von Ruß verbessert die Dispersion von Rußpigmenten, senkt aber auch den pH-Wert und verändert die Sulfatierungskinetik.

Dichte

Die Dichte von Carbon Black liegt zwischen der Schüttdichte und der tatsächlichen Dichte. Die verschiedenen Rußtypen haben unterschiedliche Packungsdichten. Vulkanisierter und pyrolytischer Ruß haben eine höhere Packungsdichte, während oberflächenbehandelter Ruß aus der Gasphase eine geringere Packungsdichte aufweist.

Farbe

Ruß wird im Allgemeinen je nach Farbstärke und Partikelgröße in hochpigmentierten, mittelpigmentierten, normalpigmentierten und niedrigpigmentierten Ruß unterteilt. Er hat eine gute Dispersionsleistung, Färbekraft und starke Deckkraft.

Löslichkeit

Er hat irreversible Auflösungseigenschaften und lässt sich nur schwer in flüssiger Form auflösen. Der eigentliche Ruß wird jedoch unter bestimmten Bedingungen teilweise aufgelöst.

Wärmeableitung

Die thermische Dispersion von Ruß beeinflusst die mechanischen Eigenschaften, die Hitzebeständigkeit und die Oxidationsstabilität von Gummiprodukten. Mechanisches Mischen und Nass- oder Trockenbearbeitung sind typische Methoden, um Ruß zu dispergieren. Dispergiermittel, Oberflächenmodifikatoren und ausgefeilte Verarbeitungsmethoden sorgen häufig für eine gleichmäßigere Verteilung des Rußes.

Wozu wird Carbon Black verwendet?

Reifen- und Gummiindustrie

Ruß ist auch ein Oberbegriff für eine wichtige Klasse von Verstärkungsprodukten für Gummi. Derzeit werden weltweit 70% der Rußproduktion für die Gummireifenindustrie hergestellt und verbraucht. Ruß wird Reifen zugesetzt, um die Abriebfestigkeit des Reifens zu erhöhen, die Traktion oder den Grip des Reifens auf dem Boden zu verbessern und den Reifen zu verstärken, um seine Haltbarkeit und Stabilität zu erhöhen.

Kunststoffe und Beschichtungen

 Kunststoffe

Ruß wird in den folgenden Kunststoffen verwendet: Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid und PolystyrolDadurch werden mechanische Eigenschaften wie Zug- und Abriebfestigkeit verbessert, die elektrische Leitfähigkeit erhöht und die Hitze- und Witterungsbeständigkeit verbessert.

Beschichtungen

Sie spielt eine wichtige Rolle bei Beschichtungen für das Bauwesen, Autos, Eisenbahnwaggons und Schiffe. Im Allgemeinen müssen Beschichtungen die folgenden Eigenschaften aufweisen: hohe Schwärze, gute Fließeigenschaften und gute Stabilität gegen Absetzen.

Leitende und elektronische Materialien

Die Leitfähigkeit von Ruß hängt mit der Struktur, der Oberfläche und der Teilchendichte zusammen, hauptsächlich durch leitende Kanäle und Feldemissionsmechanismen.

EMI-Abschirmung

Leitfähigkeit kann durch Verbundwerkstoffe aus Ruß und Polymeren erreicht werden, wobei hauptsächlich Ruß als Hauptrohstoff verwendet wird und bestimmte Füllstoffe und Klebstoffe hinzugefügt werden. Aufgrund seiner leitfähigen, antistatischen und elektromagnetische Störungen abschirmenden Eigenschaften kann der leitfähige Ruß auch für die Herstellung von elektromagnetischen Abschirmungsmaterialien verwendet werden.

Rußsorten

Nach Partikelgröße, Struktur (z. B. Oberfläche und DBPA-Werte) und Verwendungseigenschaften werden die Sorten in der Regel in die folgenden Kategorien eingeteilt:

Wie wird Ruß hergestellt?

Furnace Black Carbon

Es wird durch unvollständige Verbrennung des Rohstoffs Öl in einem Reaktor gewonnen.

Kanal Schwarz

Die aus Erdgas hergestellte Tinte hat die Vorteile winziger Partikel, großer spezifischer Oberfläche, hoher Schwärze und starker Farbkraft. Mehr funktionelle Sauerstoffgruppen können den Vulkanisierungsprozess des Gummis verzögern und die Fließfähigkeit und Bedruckbarkeit der Tinte verbessern.

Thermal Schwarz

Er wird hauptsächlich durch Hochtemperatur-Erdgas-Cracken unter sauerstoff- und flammenfreien Bedingungen hergestellt. Die spezifische Oberfläche dieses Rußes ist gering, und der Sauerstoffgehalt an der Oberfläche ist niedrig.

Wie hoch ist der Rußpreis auf dem Markt?

Kosten für Rohmaterial

Für Ruß werden hauptsächlich Rohstoffe verwendet, die aus Steinkohlenteer hergestellt werden. In letzter Zeit hat sich der schwankende Marktpreis für Steinkohlenteer direkt auf die Produktionskosten ausgewirkt. Im März dieses Jahres beispielsweise stieg der Preis für Steinkohlenteer um 645 USD/Tonne, was die Kosten für Ruß in die Höhe trieb.

Verhältnis zwischen Marktangebot und -nachfrage

Daher rechneten die Rußhersteller in Asien Anfang 2024 mit einem deutlichen Anstieg der Nachfrage und erhöhten ihre Produktion entsprechend. Es zeigte sich jedoch bald, dass die tatsächliche Beschaffungsrate von den Schätzungen abwich. Dies führte zu einem Angebotsüberhang auf dem Markt. Die Marktbedingungen haben sich in letzter Zeit aufgrund des Quartalsendes verbessert, und die Preise stabilisieren sich nun.

Ruß vs. Graphit

Chemische Eigenschaften

Die chemischen Eigenschaften von Carbon Black sind relativ aktiv, während die chemischen Eigenschaften von Graphit Stabilität, Hochtemperatur- und Korrosionsbeständigkeit darstellen. Graphit verhält sich in Wasser und organischen Lösungsmitteln unlöslich. Bei hohen Temperaturen reagiert es leicht mit Sauerstoff oder Metall und bildet Oxide bzw. Karbide.

Physikalische Eigenschaften

Graphit weist verschiedene ketten- oder traubenartige Aggregationsstrukturen auf, die hauptsächlich kristallin aussehen. Sowohl Graphit als auch Ruß weisen eine gute elektrische Leitfähigkeit auf.

Optische Eigenschaften

Graphit ist in Bezug auf die Schwärze relativ homogen und hat ein hohes Lichtstreuvermögen, weshalb es nicht als wirksames Pigment verwendet werden kann. Die Schwärze von Ruß ergibt sich hauptsächlich aus seiner Fähigkeit, Licht zu absorbieren; im Allgemeinen ist die Schwärze umso höher, je feiner die Teilchengröße ist.

Auswirkungen von Ruß auf die Umwelt

Energieverbrauch

Bei der Herstellung von Ruß werden große Mengen an Energie wie Erdöl und Erdgas verbrannt. Der übermäßige Energieverbrauch führt jedoch zu einer Überbeanspruchung der Ressourcen und zu Treibhausgasemissionen.

Luftverschmutzung

Bei der Herstellung von Ruß werden neben Partikeln auch flüchtige organische Verbindungen (VOC) freigesetzt, die zu einer Verschlechterung der Luftqualität beitragen.

Substitution und Nachhaltigkeit

Aufgrund der Art des Rußherstellungsprozesses besteht die Möglichkeit, saubere Sonnen- und Windenergie zu nutzen sowie gebrauchte Abfälle und alternative grüne Materialien zu verwenden.

Schlussfolgerung

Ruß ist ein unverzichtbarer Stoff in der modernen Industrie. Aufgrund seiner hohen Farbgebung, seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und seiner guten thermischen Dispersion hat er in Gummi, Kunststoffen, Beschichtungen, Druckfarben usw. große Bedeutung erlangt. Ruß kann die Anforderungen verschiedener Industriezweige in Bezug auf die durch die Produktion verursachte Umweltverschmutzung erfüllen, und es besteht immer noch die Notwendigkeit zu erforschen, wie man ihn verbessern kann.