O desempenho da aplicação do negro de fumo é determinada por suas propriedades fundamentais e pelo nível de dispersão atingido. As propriedades físicas e químicas mais importantes incluem o tamanho das partículas, porosidade, estrutura e química de superfície. Essas propriedades são distributivas por natureza, sendo que a distribuição das propriedades afeta o desempenho. O nível de dispersão em qualquer matriz determinada é fortemente influenciada pelo equipamento de mistura, fórmula (incluindo seleção de dispersante) e forma física.
O que é o negro de fumo? Um componente vital para tornar muitos dos produtos que usamos todos os dias mais fortes, com profundidade de cor e mais duradouros, o negro de fumo em sua forma pura é um pó negro fino, composto essencialmente por carbono elementar. É produzido por queima parcial e pirólise de resíduos de óleo de baixo valor a altas temperaturas sob condições de processo controladas.
O negro de fumo é principalmente utilizado como carga de reforço para a borracha, mas também pode ser utilizado como pigmento, estabilizador UV e agente condutivo ou isolante em uma variedade de aplicações em borracha, plástico, tinta e revestimento. Além de pneus, os usos do negro de fumo no dia a dia incluem mangueiras, correias transportadoras, plásticos, tintas de impressão e revestimentos automotivos.
As propriedades fundamentais do negro de fumo determinam o desempenho da aplicação. Essas incluem:
Tamanho da Partícula
Estrutura
Porosidade
Química de Superfície ou Atividade de Superfície
Forma Física
TAMANHO DE PARTÍCULA
Medida por microscopia eletrônica, essa é a propriedade fundamental que tem um efeito significativo nas propriedades da borracha, bem como nas propriedades de cor para negros de fumo especiais.
Para negros de fumo especiais, o diâmetro menor das partículas suscita uma área superfícial e poder tintorial maiores. A área superfícial elevada é normalmente associada por uma maior profundidade de cor, maior condutividade, maior resistência às intempéries e viscosidade mais elevada, mas requer maior energia para dispersão.
Para a borracha, partículas menores aumentam as propriedades de o reforço, e resistência à abrasão e tensão de ruptura. Contudo, dispersar o tamanho de partículas menor requer um tempo de mistura maior e mais energia. Os tamanhos de partículas típicos vão de 8 nanômetros a 100 nanômetros para negros de fumo de fornalha. A área superficial é utilizada na indústria como um indicador do nível de “fineza” do negro de fumo e, por conseguinte, do tamanho das partículas.
ESTRUTURA
Esta é uma medida da fusão tridimensional das partículas de negro de fumo para formarem agregados, que poderão conter um grande número de partículas. A forma e grau da ramificação dos agregados são referidas como estrutura.
Os negros de fumo com alta estrutura proporcionam uma viscosidade mais elevada, maior condutividade elétrica e uma dispersão mais fácil para negros de fumo especiais. As medidas da estrutura dos agregados poderão ser obtidas através de distribuições de forma através de análise via microscopia eletrônica , absorção de óleo (OAN) ou análise de volume vazio.
O nível de estrutura de um negro de fumo determina, em última análise, seus efeitos em várias propriedades importantes da borracha. Aumentando a estrutura do negro de fumo aumenta o módulo, dureza, condutividade elétrica e melhora a dispersão do negro de fumo, mas aumenta a viscosidade do composto.
POROSIDADE
Essa é uma propriedade fundamental do negro de fumo que pode ser controlada durante o processo de produção. Pode afetar a medida da área de superfície resultando uma área superficial total (NSA) maior do que a área superficial externa (STSA).
Os negros de fumo especiais condutivos tendem a ter muita porosidade, enquanto um aumento na porosidade também permite o aumento da carga de negro de fumo em um composto de borracha, mantendo em simultâneo o peso específico do composto. Isso leva a um aumento no módulo do composto e na condutividade elétrica para a mesma carga de negro de fumo.
QUÍMICA DE SUPERFÍCIE OU ATIVIDADE DE SUPERFÍCIE
Essa é uma função do processo de fabricação e o histórico térmico de um negro de fumo e geralmente se refere aos grupos que contêm oxigênio presentes na superfície de um negro de fumo.
Para negros de fumo especiais, as superfícies oxidadas melhoram a umectação, , dispersão, reologia e desempenho geral dos pigmentos em determinados sistemas. Em outros casos, a oxidação aumenta a resistividade elétrica e torna os negros de fumo mais hidrofílicos. A extensão da oxidação de superfície é medida determinando a quantidade do componente “volátil” no negro de fumo. Níveis voláteis altos são associados ao pH baixo.
Embora seja difícil medir diretamente para na borracha, a química de superfície se manifesta através de seus efeitos em tais propriedades da borracha, como resistência à abrasão, resistência à tração, histerese e módulo. O efeito da atividade de superfície nas características da cura dependerá muito do sistema de cura utilizado.
FORMA FÍSICA
Isso é importante para identificar um negro de fumo com o equipamento pelo qual será disperso. A forma física (granulado ou pó) pode afetar o manuseio e características de mistura.
O grau de dispersão também está associado aos procedimentos de mistura e equipamentos utilizados. Os negros de fumo em pó são recomendados em dispersores de baixo cisalhamento e em moinhos de três rolos. Os negros de fumo granulados são recomendados para moinhos de bola e outros equipamentos de alta energia. A forma de grânulos proporciona menor quantidade de pó no ambiente, fácil manuseio e maior densidade em granel, enquanto os negros de fumo em pó oferecem facilidade na dispersão.
Perguntas frequentes
O negro de fumo refere-se às nanopartículas de carbono projetadas que se fundem para formar agregados tridimensionais únicos. O negro de fumo, em sua forma pura, é um pó preto fino. É produzido através da queima parcial e da pirólise de resíduos de óleo ou gás natural a altas temperaturas em condições de processo controladas. O negro de fumo é diferente do carvão vegetal. O negro de fumo tem uma estrutura complexa de partículas, que é formada em uma fase gasosa produzida a partir de hidrocarbonetos totalmente pirolisados a altas temperaturas. O carvão vegetal é produzido através da pirólise da madeira ou de outros materiais carbonáceos a temperaturas mais baixas e está disponível na forma de pó a granel ou moído. Devido às suas diferenças estruturais e morfológicas, eles têm desempenhos nitidamente diferentes.
O negro de fumo é geralmente feito de óleos ricos em hidrocarbonetos, por exemplo, alcatrão de carvão refinado ou petróleo pesado ou gás natural. Os hidrocarbonetos derivados de pneus reciclados e a biomassa, por exemplo, a madeira, etc., estão ganhando cada vez mais atenção como fontes sustentáveis de matéria-prima.
O negro de fumo é um componente vital para tornar muitos dos produtos que usamos todos os dias resistentes, apelativos, duráveis e seguros. Algumas dessas soluções incluem pneus, vedações de borracha e correias para o setor automóvel, peças de plástico, revestimentos, tintas e vedantes. Por exemplo, os pneus sem reforço de negro de fumo não percorreriam mais de 100 milhas. Como pigmento, o negro de fumo oferece a resistência de cor desejada para aplicações que vão desde caixas eletrônicas a revestimentos para o setor automóvel e eletrodomésticos. O negro de fumo confere resistência aos raios UV a produtos de borracha e plástico para garantir que sua vida útil dura algumas décadas. Como aditivo condutor de eletricidade, o negro de fumo torna os materiais isolantes de borracha e plástico antiestáticos, dissipativos do ponto de vista eletroestático ou condutores para proporcionar segurança e proteção e, portanto, confiabilidade para o setor da mineração, para acondicionamentos eletrônicos e para aplicações de fios e cabos, para dar alguns exemplos.
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