O negro de fumo é um pó preto puro e também é chamado de fumaça de carbono. Ele consiste em carbono elementar, uma forma amorfa de carbono. O principal material usado como base em muitos setores é o negro de fumo. A combustão de hidrocarbonetos com ar insuficiente produz o negro de fumo. Ao contrário da fuligem, o negro de fumo não contém nenhuma contaminação inorgânica e resíduos orgânicos extraíveis.
Propriedades do negro de fumo
O negro de fumo pode ser considerado o nanomaterial mais amplamente utilizado. Ele consiste em estruturas microcristalinas com diâmetros de dezenas a centenas de nanômetros. A tabela abaixo apresenta uma visão geral completa das propriedades físico-químicas do negro de fumo; ela resume as principais características e as propriedades que são relevantes nos setores.
Tamanho da partícula
O tamanho pode ser definido como o diâmetro médio das partículas de negro de fumo, que normalmente consiste em algo entre 10 e 200 nanômetros. As dimensões diferem em várias distribuições das partículas e estão relacionadas a diferentes processos de produção e naturezas das matérias-primas.
Estrutura
O negro de fumo consiste em "partículas" primárias ou "nódulos" que se fundem em entidades coloidais rígidas chamadas agregados. Esses nódulos consistem em micro pilhas de grafite com seu eixo c perpendicular à superfície.
Porosidade
Os poros do negro de fumo são de dois tipos: microporosos e mesoporosos. O primeiro refere-se a menos de 2 nm de tamanho de poro, enquanto o segundo refere-se a poros entre 2 nm e 50 nm. Esses poros aumentam a resistência ao envelhecimento e à abrasão da borracha.
Composição química
Os principais componentes do negro de fumo são carbono elementar (>97%), hidrogênio, oxigênio, enxofre e nitrogênio.
Química de superfície
Os grupos funcionais de oxigênio (fenóis, quinonas, grupos carboxílicos) na superfície do negro de fumo afetam sua reatividade, dispersão e propriedades elétricas. A oxidação do negro de fumo melhora a dispersão dos pigmentos de negro de fumo e, ao mesmo tempo, reduz o pH e altera a cinética da sulfatação.
Densidade
A densidade do negro de fumo está entre a densidade aparente e a densidade real. Diferentes tipos de negros de fumo têm diferentes densidades de empacotamento. Entre eles, o negro de fumo vulcanizado e o pirolítico têm densidades de empacotamento mais altas, e o negro de fumo tratado na superfície em fase gasosa tem densidades de empacotamento mais baixas.
Cor
O negro de fumo é geralmente dividido em negro de fumo de alta pigmentação, média pigmentação, pigmentação comum e baixa pigmentação, de acordo com a intensidade da cor e o tamanho da partícula. Ele tem bom desempenho de dispersão, poder de coloração e forte poder de cobertura.
Solubilidade
Ele tem propriedades de dissolução irreversíveis e é difícil de ser dissolvido na forma líquida. Entretanto, o negro de fumo real é parcialmente dissolvido sob algumas condições especiais.
Dissipação de calor
A dispersão térmica do negro de fumo afeta as propriedades mecânicas, a resistência ao calor e a estabilidade oxidativa dos produtos de borracha. A mistura mecânica e o processamento úmido ou seco são métodos típicos para obter a dispersão do negro de fumo. Dispersantes, modificadores de superfície e métodos sofisticados de processamento frequentemente o distribuem de maneira mais uniforme.
Para que é usado o negro de fumo?
Indústrias de pneus e borracha
O negro de fumo também é um termo genérico para uma grande classe de produtos de reforço para borracha. Atualmente, o mundo produz e consome 70% do suprimento mundial de produção de negro de fumo para o setor de pneus de borracha. O negro de fumo é adicionado aos pneus para aumentar a resistência à abrasão, melhorar a tração ou a aderência do pneu ao solo e reforçar o desempenho do pneu em termos de durabilidade e estabilidade.
Plásticos e revestimentos
Plásticos
O negro de fumo é utilizado nos seguintes plásticos: polietileno, polipropileno, cloreto de polivinila e poliestirenoA tecnologia de ponta é a mais avançada, melhorando propriedades mecânicas como resistência à tração e à abrasão, proporcionando condutividade elétrica e resistência ao calor e às intempéries.
Revestimentos
Ele desempenha um papel importante em revestimentos para construção, automóveis, vagões de trem e navios. Em geral, os revestimentos exigem as seguintes propriedades: alta escuridão, boas propriedades de fluxo e boa estabilidade contra sedimentação.
Materiais eletrônicos e de condução
A condutividade do negro de fumo está relacionada à estrutura, à superfície e à densidade do tamanho das partículas, principalmente por meio de canais condutores e do mecanismo de emissão de campo.
Blindagem EMI
A condutividade pode ser obtida por meio de compostos de negro de fumo e polímero, sendo que o negro de fumo é usado principalmente como a principal matéria-prima, com a adição de determinados enchimentos e adesivos. Devido às suas qualidades condutoras, antiestáticas e de proteção contra interferência eletromagnética, o negro de fumo condutor também pode ser usado na produção de materiais de proteção eletromagnética.
Classes de negro de fumo
De acordo com o tamanho da partícula, a estrutura (como a área de superfície e os valores de DBPA) e as propriedades de uso, seus graus geralmente são divididos nas seguintes categorias:
| Super Abrasion Furnace Preto, SAF | Tamanho mínimo de partícula e alta resistência à abrasão para bandas de rodagem de pneus especiais exigentes
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| Preto para forno de alta abrasão, HAF | Tamanho de partícula ligeiramente maior, combinando alta resistência ao desgaste e boa processabilidade
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| Preto para forno de alta abrasão para uso geral, GP-HAF | Tamanho médio das partículas, alta resistência à abrasão |
| Forno Semi-Reforçado Preto, SRF | Propriedades de baixo reforço com alto módulo e baixa expansão modal |
| Forno de uso geral preto, GPF | Negro de fumo de uso geral com módulo médio e boa resistência à fadiga por flexão |
| Preto térmico | Maior tamanho de partícula, baixa estrutura |
Como o negro de fumo é produzido?
Carbono negro do forno
Ele é derivado da combustão incompleta do óleo da matéria-prima em um reator.
Canal Preto
Ela é produzida a partir de gás natural e tem as vantagens de ter partículas minúsculas, grande área de superfície específica, alta escuridão e forte poder de coloração. Mais grupos funcionais de oxigênio podem retardar o processo de vulcanização da borracha para aumentar a fluidez e a capacidade de impressão da tinta.
Preto térmico
Ele é fabricado principalmente por craqueamento de gás natural em alta temperatura em condições livres de oxigênio e de chamas. A área de superfície específica desse negro de fumo é baixa, com baixo teor de oxigênio em sua superfície.
Qual é o preço do negro de fumo no mercado?
Custos de matéria-prima
O negro de fumo utiliza principalmente matérias-primas produzidas com alcatrão de carvão. Recentemente, a flutuação do preço de mercado do alcatrão de carvão afetou diretamente os custos de produção. No mês de março deste ano, por exemplo, o preço do alcatrão de carvão subiu 645 dólares americanos/tonelada, aumentando o custo do negro de fumo.
Relação entre oferta e demanda do mercado
Portanto, no início de 2024, os fabricantes de negro de fumo na Ásia previram que a demanda aumentaria significativamente e, portanto, aumentaram a produção de acordo. No entanto, logo se percebeu que a taxa de aquisição real era diferente da estimada. Isso causou um excesso de oferta no mercado. As condições do mercado melhoraram recentemente devido ao final do trimestre, e os preços estão se estabilizando a partir de agora.
Negro de fumo vs. grafite
Propriedades químicas
As propriedades químicas do negro de fumo são relativamente ativas, ao passo que as propriedades químicas do grafite indicam estabilidade, alta temperatura e resistência à corrosão. Grafite apresenta comportamento não solúvel em água e em solventes orgânicos. Em altas temperaturas, ele reage prontamente com oxigênio ou metal e forma óxidos ou carbonetos, respectivamente.
Propriedades físicas
O grafite tem diferentes estruturas de agregação em cadeia ou em forma de uva, e sua aparência principal é cristalina. Tanto o grafite quanto o negro de fumo apresentam uma boa condutividade elétrica.
Propriedades ópticas
O grafite é relativamente homogêneo em termos de escuridão e tem um alto poder de dispersão de luz e, portanto, não pode ser usado como um pigmento eficaz. A escuridão do negro de fumo decorre principalmente de sua capacidade de absorver luz; geralmente, quanto mais fino o tamanho da partícula, maior a escuridão.
Impacto ambiental do negro de fumo
Consumo de energia
O processo de fabricação do negro de fumo envolve a combustão de grandes quantidades de energia, como petróleo e gás natural. No entanto, o consumo excessivo de energia resulta na superutilização de recursos e na emissão de gases de efeito estufa.
Poluição do ar
A produção de negro de fumo emite VOCs juntamente com material particulado, que contribuem para a degradação da qualidade do ar.
Substituição e sustentabilidade
Devido à natureza do processo de criação do negro de fumo, há a possibilidade de utilizar energia limpa, solar e eólica, além de incorporar resíduos usados e materiais verdes alternativos.
Conclusão
O negro de fumo é uma substância indispensável na indústria moderna. Devido à sua alta coloração, alta condutividade elétrica e boa dispersão térmica, ele se tornou muito importante em borracha, plásticos, revestimentos, tintas etc. O negro de fumo pode atender às necessidades de diferentes setores em relação à poluição ambiental causada pela produção, e ainda há necessidade de explorar como melhorá-lo.
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