Il nero di carbonio è una polvere nera pura, definita anche "fumo di carbonio". È costituito da carbonio elementare, una forma amorfa di carbone. Il principale materiale utilizzato come base in molte industrie è il nerofumo. La combustione di idrocarburi con aria insufficiente produce nerofumo. A differenza della fuliggine, il nerofumo non contiene contaminazione inorganica e residui organici estraibili.
Proprietà del nerofumo
Il nero di carbonio può essere considerato il nanomateriale più utilizzato. È costituito da strutture microcristalline con diametri da decine a centinaia di nanometri. La tabella seguente fornisce una panoramica completa delle proprietà fisico-chimiche del nero carbone; riassume le caratteristiche principali e le proprietà rilevanti per l'industria.
Dimensione delle particelle
La dimensione può essere definita come il diametro medio delle particelle di nerofumo, che in genere è compreso tra 10 e 200 nanometri. Le dimensioni variano all'interno delle varie distribuzioni delle particelle e sono legate ai diversi processi di produzione e alla natura delle materie prime.
Struttura
Il nerofumo è costituito da "particelle" primarie o "noduli" che si fondono in entità colloidali rigide chiamate aggregati. Questi noduli sono costituiti da micro pile di grafite con l'asse c perpendicolare alla superficie.
Porosità
I pori del nero carbone sono di due tipi: microporosi e mesoporosi. Il primo si riferisce a pori di dimensioni inferiori a 2 nm, mentre il secondo si riferisce a pori di dimensioni comprese tra 2 nm e 50 nm. Tali pori aumentano la resistenza all'invecchiamento e all'abrasione della gomma.
Composizione chimica
I componenti principali del nerofumo sono il carbonio elementare (>97%), l'idrogeno, l'ossigeno, lo zolfo e l'azoto.
Chimica delle superfici
I gruppi funzionali dell'ossigeno (fenoli, chinoni, gruppi carbossilici) sulla superficie del nerofumo ne influenzano la reattività, la dispersione e le proprietà elettriche. L'ossidazione del nero carbone migliora la dispersione dei pigmenti di nero carbone, abbassando al contempo il pH e alterando la cinetica di solfatazione.
Densità
La densità del nero carbone si colloca tra la densità apparente e la densità effettiva. I diversi tipi di nerofumo hanno densità di impaccamento diverse. Tra questi, il nero di carbonio vulcanizzato e pirolitico ha densità di impacchettamento più elevate, mentre il nero di carbonio trattato in superficie in fase gassosa ha densità di impacchettamento inferiori.
Colore
Il nero carbone è generalmente suddiviso in nero carbone ad alta pigmentazione, a media pigmentazione, a pigmentazione ordinaria e a bassa pigmentazione in base alla forza del colore e alla dimensione delle particelle. Ha buone prestazioni di dispersione, potere colorante e forte potere coprente.
Solubilità
Ha proprietà di dissoluzione irreversibili ed è difficile da sciogliere in forma liquida. Tuttavia, il nero carbone vero e proprio si scioglie parzialmente in alcune condizioni speciali.
Dissipazione del calore
La dispersione termica del nero carbone influisce sulle proprietà meccaniche, sulla resistenza al calore e sulla stabilità ossidativa dei prodotti in gomma. La miscelazione meccanica e la lavorazione a umido o a secco sono metodi tipici per ottenere la dispersione del nerofumo. Disperdenti, modificatori di superficie e metodi di lavorazione sofisticati spesso lo distribuiscono in modo più uniforme.
A cosa serve il nerofumo?
Industrie dei pneumatici e della gomma
Il nerofumo è anche un termine generico per un'importante classe di prodotti di rinforzo per la gomma. Attualmente, il mondo produce e consuma 70% della produzione mondiale di nerofumo per l'industria degli pneumatici in gomma. Il nerofumo viene aggiunto ai pneumatici per aumentarne la resistenza all'abrasione, per migliorarne la trazione o l'aderenza al suolo e per rinforzarli in termini di durata e stabilità.
Plastica e rivestimenti
Plastica
Il nerofumo è utilizzato nelle seguenti materie plastiche: polietilene, polipropilene, polivinilcloruro e polistirolomigliorando le proprietà meccaniche, come la resistenza alla trazione e all'abrasione, la conducibilità elettrica e la resistenza al calore e agli agenti atmosferici.
Rivestimenti
Svolge un ruolo importante rivestimenti per l'edilizia, le automobili, i vagoni ferroviari e le navi. In generale, i rivestimenti richiedono le seguenti proprietà: elevato punto di nero, buone proprietà di scorrimento e buona stabilità contro la sedimentazione.
Conduzione e materiali elettronici
La conduttività del nerofumo è legata alla struttura, alla superficie e alla densità delle dimensioni delle particelle, principalmente attraverso i canali conduttivi e il meccanismo di emissione di campo.
Schermatura EMI
La conduttività può essere realizzata mediante compositi di nerofumo-polimero, in cui il nerofumo è utilizzato come materia prima principale, con l'aggiunta di alcuni riempitivi e adesivi. Grazie alle sue qualità conduttive, antistatiche e di schermatura delle interferenze elettromagnetiche, il nero di carbonio conduttivo può essere utilizzato anche nella produzione di materiali di schermatura elettromagnetica.
Gradi di nerofumo
In base alle dimensioni delle particelle, alla struttura (come l'area superficiale e i valori di DBPA) e alle proprietà d'uso, i suoi gradi sono solitamente suddivisi nelle seguenti categorie:
| Forno super-abrasivo nero, SAF | Dimensione minima delle particelle ed elevata resistenza all'abrasione per i battistrada speciali più esigenti
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| Nero di forno ad alta abrasione, HAF | Particelle di dimensioni leggermente maggiori, che combinano un'elevata resistenza all'usura e una buona lavorabilità
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| Forno per usi generali ad alta abrasione nero, GP-HAF | Dimensione media delle particelle, elevata resistenza all'abrasione |
| Forno semi-rinforzato nero, SRF | Proprietà di rinforzo basse con alto modulo e bassa espansione modale |
| Forno per usi generici nero, GPF | Nerofumo per usi generici con modulo medio e buona resistenza alla fatica da flessione |
| Nero termico | Dimensione delle particelle maggiore, struttura ridotta |
Come si produce il nerofumo?
Forno Carbonio nero
È derivato dalla combustione incompleta del petrolio grezzo in un reattore.
Canale Nero
Prodotto dal gas naturale, presenta i vantaggi di particelle minuscole, grande area superficiale specifica, elevato grado di nero e forte potere colorante. Un maggior numero di gruppi funzionali di ossigeno può ritardare il processo di vulcanizzazione della gomma e migliorare la fluidità e la stampabilità dell'inchiostro.
Nero termico
Viene prodotto principalmente mediante cracking ad alta temperatura di gas naturale in condizioni di assenza di ossigeno e di fiamma. L'area superficiale specifica di questo nero carbone è bassa, con un basso contenuto di ossigeno sulla sua superficie.
Qual è il prezzo del nerofumo sul mercato?
Costi delle materie prime
Il nero carbone utilizza principalmente materie prime prodotte dal catrame di carbone. Recentemente, la fluttuazione del prezzo di mercato del catrame di carbone ha avuto un impatto diretto sui costi di produzione. Nel mese di marzo di quest'anno, ad esempio, il prezzo del catrame di carbone ha subito un'impennata di 645USD/tonnellata, facendo lievitare il costo del nero carbone.
Relazione tra domanda e offerta di mercato
Pertanto, all'inizio del 2024, i produttori di nerofumo in Asia hanno previsto un aumento significativo della domanda, aumentando di conseguenza la produzione. Tuttavia, ben presto ci si è resi conto che il tasso di approvvigionamento effettivo era diverso da quello stimato. Ciò ha causato un eccesso di offerta sul mercato. Le condizioni di mercato sono recentemente migliorate grazie alla fine del trimestre e i prezzi si stanno stabilizzando.
Nerofumo vs Grafite
Proprietà chimiche
Le proprietà chimiche del nero carbone sono relativamente attive, mentre quelle della grafite indicano stabilità, resistenza alle alte temperature e alla corrosione. Grafite mostra un comportamento non solubile in acqua e nei solventi organici. Ad alte temperature reagisce facilmente con l'ossigeno o con il metallo, formando rispettivamente ossidi o carburi.
Proprietà fisiche
La grafite presenta diverse strutture di aggregazione a catena o a grappolo d'uva e il suo aspetto principale è cristallino. Sia la grafite che il nerofumo presentano una buona conducibilità elettrica.
Proprietà ottiche
La grafite è relativamente omogenea in termini di nero e ha un elevato potere di diffusione della luce, pertanto non può essere utilizzata come pigmento efficace. Il nero del nero di carbonio deriva principalmente dalla sua capacità di assorbire la luce; in genere, più fine è la dimensione delle particelle, maggiore è il nero.
Impatto ambientale del nerofumo
Consumo di energia
Il processo di produzione del nerofumo comporta la combustione di enormi quantità di energia, come petrolio e gas naturale. Tuttavia, il consumo eccessivo di energia comporta un sovrautilizzo delle risorse e l'emissione di gas serra.
Inquinamento atmosferico
La produzione di nerofumo emette COV e particolato, che contribuiscono al degrado della qualità dell'aria.
Sostituzione e sostenibilità
Data la natura del processo di creazione del nerofumo, è possibile utilizzare energia pulita, solare ed eolica, oltre a incorporare rifiuti usati e materiali verdi alternativi.
Conclusione
Il nerofumo è una sostanza indispensabile nell'industria moderna. Grazie alla sua elevata colorazione, all'alta conducibilità elettrica e alla buona dispersione termica, è diventato molto importante nella gomma, nella plastica, nei rivestimenti, negli inchiostri, ecc. Il nero carbone è in grado di soddisfare le esigenze di diversi settori industriali in relazione all'inquinamento ambientale causato dalla produzione, e c'è ancora bisogno di esplorare come migliorarlo.
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