Negro carbón

Negro de humo (con subtipos negro de acetileno, negro de canal, negro de horno, negro de lámpara y negro térmico) es un material producido por la combustión incompleta de alquitrán de hulla, materia vegetal o productos derivados del petróleo, incluido fueloil, alquitrán de craqueo catalítico fluido y craqueo de etileno en un suministro limitado. de aire. El negro de carbón es una forma de carbón paracristalino que tiene una alta relación superficie-volumen, aunque menor que la del carbón activado. Se diferencia del hollín en su relación superficie-volumen mucho mayor y en su contenido de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) significativamente menor (insignificante y no biodisponible).

El negro de humo se utiliza como colorante y relleno de refuerzo en neumáticos y otros productos de caucho; pigmento y aditivo protector contra el desgaste en plásticos, pinturas y pigmentos de tinta. Se utiliza en la UE como colorante alimentario cuando se produce a partir de materia vegetal (E153).

La evaluación actual de la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) es que "el negro de humo es posiblemente cancerígeno para los humanos (Grupo 2B)". La exposición a corto plazo a altas concentraciones de polvo de negro de carbón puede producir molestias en el tracto respiratorio superior a través de irritación mecánica.

Usos comunes

El uso más común (70%) del negro de humo es como pigmento y fase de refuerzo en neumáticos de automóviles. El negro de humo también ayuda a conducir el calor lejos de la banda de rodadura y el área del cinturón del neumático, lo que reduce el daño térmico y aumenta la vida útil del neumático. Su bajo costo lo convierte en una adición común a los cátodos y ánodos y se considera un reemplazo seguro del litio metálico en las baterías de iones de litio. Alrededor del 20% de la producción mundial se destina a correas, mangueras y otros productos de caucho distintos de los neumáticos. El 10% restante del uso del negro de carbón proviene de pigmentos en tintas, recubrimientos y plásticos, además de usarse como aditivo conductor en baterías de iones de litio.

El negro de humo se agrega al polipropileno porque absorbe la radiación ultravioleta, que de lo contrario causa que el material se degrade. Las partículas de negro de humo también se emplean en algunos materiales absorbentes de radar, en tóner de fotocopiadoras e impresoras láser, y en otras tintas y pinturas. La alta resistencia colorante y la estabilidad del negro de humo también han permitido su uso en la coloración de resinas y películas. El negro de humo se ha utilizado en diversas aplicaciones de la electrónica. Buen conductor de la electricidad, el negro de humo se utiliza como relleno mezclado en plásticos, elastómeros, películas, adhesivos y pinturas. Se utiliza como agente aditivo antiestático en tapas y tuberías de combustible de automóviles.

El negro de humo de origen vegetal se utiliza como colorante alimentario, conocido en Europa como aditivo E153. Está aprobado para su uso como aditivo 153 (negros de humo o carbón vegetal) en Australia y Nueva Zelanda, pero ha sido prohibido en EE. UU. El pigmento colorante negro de humo se utiliza ampliamente desde hace muchos años en envases de alimentos y bebidas. Se utiliza en botellas de leche UHT multicapa en EE. UU., partes de Europa, Asia y Sudáfrica, y en artículos como bandejas de comida y bandejas de carne para microondas en Nueva Zelanda.

La extensa revisión del negro de carbón realizada por el gobierno canadiense en 2011 concluyó que el negro de carbón podría seguir utilizándose en productos (incluidos los envases de alimentos para los consumidores) en Canadá. Esto se debe a que "en la mayoría de los productos de consumo, el negro de carbón está unido en una matriz y no está disponible para su exposición, por ejemplo como pigmento en plásticos y cauchos". y "se propone que el negro de humo no ingrese al medio ambiente en una cantidad o concentración o en condiciones que constituyan o puedan constituir un peligro en Canadá para la vida o la salud humana".

Dentro de Australasia, el color pigmento carbono negro en embalaje debe cumplir con los requisitos de la normativa de embalaje UE o EE.UU. Si se utiliza algún colorante, debe cumplir el acuerdo parcial europeo AP(89)1.

La producción total fue de alrededor de 8.100.000 toneladas métricas (8.900.000 toneladas cortas) en 2006. Se espera que el consumo mundial de negro de humo, estimado en 13,2 millones de toneladas métricas, valoradas en 13,7 mil millones de dólares estadounidenses, en 2015 alcance 13,9 millones de toneladas métricas, valoradas en 2016 ascendieron a 14.400 millones de dólares.

Si bien es distinto del hollín y partículas similares, el negro de humo se puede utilizar como compuesto modelo para el hollín de diésel para comprender mejor cómo se comporta el hollín de diésel en diversas condiciones de reacción. El negro de humo y el hollín diésel tienen algunas propiedades similares, como tamaños de partículas, densidades y capacidades de adsorción de copolímeros, que contribuyen a que tengan comportamientos similares en diversas reacciones, como los experimentos de oxidación.

Se prevé que el consumo mundial mantendrá una CAGR (tasa de crecimiento anual compuesta) del 5,6% entre 2016 y 2022, alcanzando 19,2 millones de toneladas métricas, valoradas en 20.400 millones de dólares, para 2022.

Negros de humo de refuerzo

El uso de mayor volumen de negro de carbón es como relleno de refuerzo en productos de caucho, especialmente neumáticos. Si bien una vulcanización de goma pura de estireno-butadieno tiene una resistencia a la tracción de no más de 2 MPa y una resistencia a la abrasión insignificante, combinarla con un 50 % de negro de humo en peso mejora su resistencia a la tracción y la resistencia al desgaste, como se muestra en la siguiente tabla. Se utiliza a menudo en la industria aeroespacial en elastómeros para componentes de control de vibraciones de aeronaves, como soportes de motores.

Prácticamente todos los productos de caucho donde las propiedades de desgaste por tracción y abrasión son importantes utilizan negro de carbón, por lo que son de color negro. Cuando las propiedades físicas son importantes pero se desean colores distintos del negro, como las zapatillas de tenis blancas, se ha sustituido el negro de humo por sílice precipitada o pirógena. Los rellenos a base de sílice también están ganando participación de mercado en neumáticos para automóviles porque ofrecen un mejor equilibrio entre eficiencia de combustible y manejo en mojado debido a una menor pérdida de rodadura. Tradicionalmente, los rellenos de sílice tenían peores propiedades de desgaste por abrasión, pero la tecnología ha mejorado gradualmente hasta un punto en el que pueden igualar el rendimiento de abrasión del negro de carbón.

Pigmento

Negro de carbón (Color Index International, PBK-7) es el nombre de un pigmento negro común, producido tradicionalmente a partir de materiales orgánicos carbonizados como madera o hueso. Parece negro porque refleja muy poca luz en la parte visible del espectro, con un albedo cercano a cero. El albedo real varía según el material de origen y el método de producción. Se le conoce por diversos nombres, cada uno de los cuales refleja un método tradicional para producir negro de carbón:

• Marfil negro fue producido tradicionalmente por el carbón de marfil o huesos (véase el hueso char).
• Vine negro fue producido tradicionalmente por el cultivo de viñas y tallos desecados.
• Lámpara negra fue producido tradicionalmente coleccionando hollín de lámparas de aceite.

Todos estos tipos de negro de humo se utilizaron ampliamente como pigmentos de pintura desde tiempos prehistóricos. Rembrandt, Vermeer, Van Dyck y, más recientemente, Cézanne, Picasso y Manet emplearon pigmentos de negro de carbón en sus pinturas. Un ejemplo típico es "Música en las Tullerías" de Manet, donde los vestidos negros y los sombreros de los hombres están pintados en negro marfil.

Los métodos más nuevos de producción de negro de carbón han reemplazado en gran medida a estas fuentes tradicionales. Para fines artesanales, sigue siendo común el negro de humo producido por cualquier medio.

Química superficial y superficial

Todos los negros de carbón tienen complejos de oxígeno quimisorbidos (es decir, grupos carboxílicos, quinónicos, lactónicos, fenólicos y otros) en sus superficies en diversos grados dependiendo de las condiciones de fabricación. Estos grupos de oxígeno superficiales se denominan colectivamente contenido volátil. También se sabe que es un material no conductor debido a su contenido volátil.

Las industrias de recubrimientos y tintas prefieren grados de negro de carbón que se oxidan con ácido. Se rocía ácido en secadores de alta temperatura durante el proceso de fabricación para cambiar la química superficial inherente del negro. La cantidad de oxígeno unido químicamente en la superficie del negro aumenta para mejorar las características de rendimiento.

Uso en baterías de iones de litio

El negro de humo es un aditivo conductor común para las baterías de iones de litio, ya que tienen tamaños de partículas pequeños y áreas de superficie específicas (SSA) grandes que permiten que el aditivo se distribuya bien por todo el cátodo o ánodo, además de ser barato y de larga duración. perdurable. A diferencia del grafito, que es uno de los otros materiales comunes utilizados en las baterías recargables, el negro de humo consiste en redes cristalinas que están más separadas y promueve la intercalación de Li+ porque permite más vías para el almacenamiento de litio.

El negro de carbón tiene una baja densidad que permite dispersar un gran volumen para que sus efectos conductores se apliquen uniformemente en toda la batería. Además, su disposición de cristales similares al grafito distribuidos aleatoriamente mejora la estabilidad de la batería debido a la disminución de la barrera potencial de la intercalación del litio en el grafito, lo que en última instancia afecta el rendimiento de los cátodos.

Si bien el negro de humo es liviano y está bien disperso por toda la batería y aumenta el rendimiento conductivo de las baterías, también contiene oxígeno que contiene grupos funcionales hidrófilos que pueden provocar reacciones secundarias en la batería y provocar la descomposición del electrolito. La grafitización (calentamiento) del negro de humo puede descomponer térmicamente los grupos funcionales hidrofílicos y así aumentar el ciclo de vida de la batería, lo que mantiene las capacidades conductoras del negro de humo y al mismo tiempo mitiga el daño que los grupos funcionales hidrofílicos pueden causar a las baterías.

Las medias celdas creadas con grafitización intensa, grafitización ligera y sin grafitización mostraron que la celda creada con grafitización intensa tenía un ciclo de vida estable de 320 ciclos, la celda con grafitización ligera mostró un ciclo de vida estable de 200 ciclos y la celda con grafitización ligera mostró un ciclo de vida estable de 200 ciclos. sin grafitización mostró un ciclo de vida estable de 160 ciclos.

Seguridad

Carcinogenicidad

El negro de humo se considera posiblemente cancerígeno para los seres humanos y se clasifica como carcinógeno del Grupo 2B porque existe evidencia suficiente en animales de experimentación con evidencia inadecuada en estudios epidemiológicos en humanos. La evidencia de carcinogenicidad en estudios con animales proviene de dos estudios de inhalación crónica y dos estudios de instilación intratraqueal en ratas, que mostraron tasas significativamente elevadas de cáncer de pulmón en animales expuestos. Un estudio de inhalación en ratones no mostró tasas significativamente elevadas de cáncer de pulmón en los animales expuestos. Los datos epidemiológicos provienen de tres estudios de cohortes de trabajadores de la producción de negro de humo. Dos estudios, del Reino Unido y Alemania, con más de 1.000 trabajadores en cada grupo de estudio mostraron una mortalidad elevada por cáncer de pulmón. Un tercer estudio de más de 5.000 trabajadores de negro de carbón en los Estados Unidos no mostró una mortalidad elevada. Los nuevos hallazgos sobre el aumento de la mortalidad por cáncer de pulmón en una actualización del estudio del Reino Unido sugieren que el negro de carbón podría ser un carcinógeno en etapa avanzada. Sin embargo, un estudio más reciente y más amplio realizado en Alemania no confirmó esta hipótesis.

Seguridad laboral

Existen pautas estrictas disponibles y vigentes para garantizar que los empleados que fabrican negro de humo no corran el riesgo de inhalar dosis peligrosas de negro de humo en su forma cruda. Se recomienda equipo de protección personal respiratoria para proteger adecuadamente a los trabajadores de la inhalación de negro de humo. El tipo de protección respiratoria recomendado varía dependiendo de la concentración de negro de humo utilizada.

Las personas pueden quedar expuestas al negro de humo en el lugar de trabajo por inhalación y contacto con la piel o los ojos. La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal (límite de exposición permisible) para la exposición al negro de humo en el lugar de trabajo en 3,5 mg/m³ durante una jornada laboral de 8 horas. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 3,5 mg/m³ durante una jornada laboral de 8 horas. En niveles de 1750 mg/m³, el negro de humo es inmediatamente peligroso para la vida y la salud.