カーボンブラックとは？簡単な基礎知識

カーボンブラックは純粋な黒色粉末で、カーボン・ヒュームとも呼ばれています。元素状炭素からなり、非晶質で カーボン.多くの産業でベースとして使用されている主な材料はカーボンブラックである。炭化水素の不十分な空気燃焼によりカーボンブラックが生成される。すすとは異なり、カーボンブラックは無機汚染や抽出可能な有機残留物を含まない。

カーボンブラックの特性

カーボンブラックは、最も広く使用されているナノ材料といえる。カーボンブラックは、数十から数百ナノメートルの直径を持つ微結晶構造で構成されています。下の表は、カーボンブラックの物理化学的特性の完全な概要を示しており、主な特性と産業界に関連する特性を要約しています。

粒子径

サイズは、カーボンブラック粒子の平均直径として定義することができ、一般的に10～200ナノメートルで構成されています。寸法は粒子の様々な分布の中で異なり、様々な製造工程や原料の性質に関係しています。

構造

カーボンブラックは、凝集体と呼ばれる硬いコロイド体に融合する一次「粒子」または「結節」から成る。これらのノジュールは、表面に垂直なc軸を持つ微小なグラファイトのスタックから構成されている。

多孔性

カーボンブラックの細孔には、マイクロポーラスとメソポーラスの2種類がある。前者は孔径が2nm未満、後者は2nm～50nmの孔を指す。このような細孔がゴムの耐老化性と耐摩耗性を高める。

化学組成

カーボンブラックの主成分は、元素状炭素（>97%）、水素、酸素、硫黄、窒素である。

表面化学

カーボンブラック表面の酸素官能基（フェノール、キノン、カルボキシル基）は、その反応性、分散性、電気的特性に影響を与える。カーボンブラックの酸化は、カーボンブラック顔料の分散性を向上させると同時に、pHを低下させ、硫酸化反応速度を変化させる。

密度

カーボンブラックの密度は、嵩密度と実密度の中間に位置する。カーボンブラックの種類によって充填密度は異なる。その中でも、加硫カーボンブラックと熱分解カーボンブラックは充填密度が高く、気相表面処理カーボンブラックは充填密度が低い。

カラー

カーボンブラックは一般に、着色力と粒径によって高顔料、中顔料、普通顔料、低顔料に分けられる。分散性、着色力、被覆力に優れています。

溶解度

不可逆的な溶解特性を持ち、液状に溶解することは困難である。しかし、実際のカーボンブラックは特殊な条件下で部分的に溶解します。

放熱

カーボンブラックの熱分散は、ゴム製品の機械的特性、耐熱性、酸化安定性に影響を与えます。カーボンブラックの分散を達成するための典型的な方法は、機械的混合と湿式または乾式処理である。分散剤、表面改質剤、および高度な処理方法は、カーボンブラックをより均一に分散させることが多い。

カーボンブラックの用途

タイヤ・ゴム産業

カーボンブラックは、ゴム用補強製品の主要なクラスの総称でもある。現在、世界のカーボンブラック生産量のうち70%がゴムタイヤ産業用に生産・消費されている。カーボンブラックは、タイヤの耐摩耗性を高めるため、タイヤのトラクションやグリップを向上させるため、耐久性や安定性を高めるためにタイヤを補強するためにタイヤに添加される。

プラスチックとコーティング

 プラスチック

カーボンブラックは以下のプラスチックに使用されている：ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル ポリスチレン耐引張性、耐摩耗性などの機械的特性を向上させ、導電性を与え、耐熱性、耐候性を向上させる。

コーティング

で重要な役割を果たしている。 コーティング 建築、自動車、鉄道車両、船舶など。一般に、塗料には高い黒色度、良好な流動性、沈降に対する良好な安定性といった特性が求められる。

伝導と電子材料

カーボンブラックの導電性は、主に導電チャンネルと電界放出メカニズムを通じて、構造、表面、粒径密度に関係している。

EMIシールド

導電性は、主にカーボンブラックを主原料とし、特定のフィラーや接着剤を加えたカーボンブラック-ポリマーの複合材料によって実現することができる。導電性カーボンブラックは、導電性、帯電防止性、電磁波遮蔽性があるため、電磁波遮蔽材料の製造にも使用できる。

カーボンブラックグレード

粒子径、構造（表面積やDBPA値など）、使用特性によって、そのグレードは通常以下のように分類される：

カーボンブラックはどのようにして作られるのか？

炉内ブラックカーボン

原料油を反応炉で不完全燃焼させたものである。

チャンネル・ブラック

天然ガスから製造されるインキは、粒子が小さく、比表面積が大きく、黒色度が高く、発色力が強いという利点がある。より多くの酸素官能基は、ゴムの加硫プロセスを遅延させ、インクの流動性と印刷適性を高めることができる。

サーマルブラック

主に、無酸素・無炎症条件下での高温天然ガス分解によって製造される。このカーボンブラックの比表面積は低く、表面上の酸素含有量も少ない。

カーボンブラックの市場価格は？

原材料費

カーボンブラックは主にコールタールを原料として製造される。最近、コールタールの市場価格の変動が生産コストに直接影響を及ぼしている。例えば今年3月には、コールタール価格が645USD/トンも高騰し、カーボンブラックのコストを押し上げた。

市場の需給関係

そのため、2024年の初めには、アジアのカーボンブラック・メーカーは需要が大幅に増加すると予想し、それに応じて生産を増やした。しかし、すぐに実際の調達率が見積もりと異なることが判明した。これが市場に供給過剰をもたらした。市況は四半期末のため最近改善し、価格も安定しつつある。

カーボンブラックとグラファイトの比較

化学的性質

カーボンブラックの化学的特性は比較的活性であるのに対し、グラファイトの化学的特性は安定性、高温性、耐食性を示す。 グラファイト は、水や有機溶媒に対しては非溶解性の挙動を示す。高温では酸素や金属と容易に反応し、それぞれ酸化物や炭化物を形成する。

物理的性質

黒鉛は異なる鎖状またはブドウ状の凝集構造を持ち、その主な外観は結晶性である。グラファイトとカーボンブラックは共に良好な導電性を示す。

光学特性

黒鉛は黒さが比較的均一で、光散乱力が高いため、効果的な顔料としては使用できない。カーボンブラックの黒さは主に光を吸収する能力に由来し、一般的に粒子径が細かいほど黒さは高くなる。

カーボンブラック環境影響

エネルギー消費

カーボンブラックの製造工程では、石油や天然ガスなどの膨大なエネルギーを燃焼させている。しかし、電力の過剰消費は資源の過剰利用と温室効果ガスの排出をもたらす。

大気汚染

カーボンブラックの製造は、粒子状物質とともにVOCを排出し、大気の質を悪化させる一因となる。

代替と持続可能性

カーボンブラックの製造プロセスの性質上、使用済み廃棄物や代替グリーン素材を取り入れるだけでなく、クリーンエネルギーの太陽光や風力を利用することができる。

結論

カーボンブラックは、現代産業において欠かすことのできない物質である。その高い着色性、高い電気伝導性、優れた熱分散性により、ゴム、プラスチック、塗料、インクなどにおいて非常に重要なものとなっている。カーボンブラックは、生産による環境汚染との関係で、さまざまな産業のニーズを満たすことができ、その改善方法を探求する必要性がまだあります。