Углеродная сажа (с подтипами ацетиленовая сажа , канальная сажа , печная сажа , ламповая сажа и термическая сажа ) — материал, получаемый в результате неполного сгорания каменноугольной смолы , растительных веществ или нефтепродуктов , включая мазут, смолу жидкого каталитического крекинга и этилен. растрескивание при ограниченном доступе воздуха. Углеродная сажа — это форма паракристаллического углерода , которая имеет высокое соотношение площади поверхности к объему , хотя и ниже, чем у активированного угля . Он отличается от сажи гораздо более высоким соотношением площади поверхности к объему и значительно более низким (незначительным и небиодоступным) содержанием полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Тем не менее, технический углерод можно использовать в качестве модельного соединения для дизельной сажи, чтобы лучше понять, как дизельная сажа ведет себя в различных условиях реакции, поскольку технический углерод и дизельная сажа имеют некоторые схожие свойства, такие как размеры частиц, плотность и способность к адсорбции сополимеров, которые способствуют им. имеющие сходное поведение в различных реакциях, таких как эксперименты по окислению. [2] [3] [ нужен лучший источник ] Технический углерод используется в качестве красителя и армирующего наполнителя в шинах и других резиновых изделиях; пигмент и добавка для защиты от износа в пластмассах, красках и пигментах чернил . [4] В ЕС он используется в качестве пищевого красителя, если его производят из растительного сырья (E153).
Текущая оценка Международного агентства по исследованию рака (IARC) гласит: «Техуглерод, возможно, канцерогенен для человека ( Группа 2B )». [5] Кратковременное воздействие высоких концентраций сажи может вызвать дискомфорт в верхних дыхательных путях из-за механического раздражения.
Наиболее распространенное использование (70%) технического углерода — в качестве пигмента и армирующей фазы в автомобильных шинах. Углеродная сажа также помогает отводить тепло от протектора и брекера шины, уменьшая термические повреждения и увеличивая срок службы шины. Его низкая стоимость делает его обычным дополнением к катодам и анодам и считается безопасной заменой металлического лития в литий-ионных батареях. [6] Около 20% мирового производства приходится на ремни, шланги и другие резиновые изделия, не связанные с шинами. Остальные 10% технического углерода приходится на пигменты в чернилах, покрытиях и пластмассах, а также в качестве проводящей добавки в литий-ионных батареях. [7]
Углеродная сажа добавляется в полипропилен , поскольку он поглощает ультрафиолетовое излучение, что в противном случае приводит к разрушению материала. Частицы технического углерода также используются в некоторых радиопоглощающих материалах , в тонере для копировальных аппаратов и лазерных принтеров , а также в других чернилах и красках. Высокая красящая способность и стабильность технического углерода также позволили использовать его для окраски смол и пленок. [8] Технический углерод использовался в различных приложениях для электроники. Хороший проводник электричества, технический углерод используется в качестве наполнителя в пластмассах, эластомерах, пленках, клеях и красках. [8] Используется в качестве антистатической присадки в крышках топливных баков и трубах автомобилей.
Технический углерод растительного происхождения используется в качестве пищевого красителя, известного в Европе как добавка Е153 . Он одобрен для использования в качестве добавки 153 (технический углерод или растительный углерод) в Австралии и Новой Зеландии [9], но запрещен в США. [10] Цветной пигмент углеродная сажа уже много лет широко используется в упаковке пищевых продуктов и напитков. Он используется в многослойных бутылках для ультрапастеризованного молока в США, некоторых частях Европы и Азии, а также в Южной Африке, а также в таких предметах, как подносы для еды и мяса, которые можно разогревать в микроволновой печи, в Новой Зеландии.
Обширный обзор технического углерода, проведенный канадским правительством в 2011 году, пришел к выводу, что технический углерод может продолжать использоваться в продуктах, включая упаковку пищевых продуктов для потребителей, в Канаде. Это произошло потому, что «в большинстве потребительских товаров сажа связана в матрице и недоступна для воздействия, например, в качестве пигмента в пластмассах и резинах» и «предполагается, что сажа не попадает в окружающую среду в количестве или концентрациях или при условия, которые представляют или могут представлять опасность в Канаде для жизни или здоровья людей». [11]
В Австралазии цветной пигмент сажа в упаковке должен соответствовать требованиям правил упаковки ЕС или США. Если используется какой-либо краситель, он должен соответствовать Европейскому частичному соглашению AP(89)1. [12]
Общий объем производства в 2006 году составил около 8 100 000 метрических тонн (8 900 000 коротких тонн) . на уровне 14,4 млрд долларов США в 2016 году.
Прогнозируется, что в период с 2016 по 2022 год мировое потребление сохранит среднегодовой темп роста (совокупный годовой темп роста) на уровне 5,6%, достигнув 19,2 миллиона метрических тонн на сумму 20,4 миллиарда долларов США к 2022 году. [14]
Наибольший объем использования технического углерода приходится на использование в качестве армирующего наполнителя в резиновых изделиях, особенно в шинах. В то время как чистая вулканизированная бутадиен -стирольная смола имеет прочность на разрыв не более 2 МПа и незначительную стойкость к истиранию, добавление к ней 50% технического углерода по массе улучшает ее прочность на разрыв и износостойкость, как показано в таблице ниже. Он часто используется в аэрокосмической промышленности в эластомерах для компонентов контроля вибрации самолетов, таких как опоры двигателя.
Практически во всех резиновых изделиях, для которых важны свойства на растяжение и истирание, используется технический углерод, поэтому они имеют черный цвет. Там, где физические свойства важны, но желательны цвета, отличные от черного, например, белые теннисные туфли, углеродную сажу заменяют осажденным или коллоидным диоксидом кремния. Наполнители на основе диоксида кремния также завоевывают долю рынка автомобильных шин, поскольку они обеспечивают лучший компромисс между топливной экономичностью и управляемостью на мокрой дороге благодаря меньшим потерям качения. Традиционно кремнеземные наполнители имели худшие свойства к абразивному износу, но технология постепенно улучшилась до такой степени, что они могут соответствовать характеристикам абразивного износа сажи.
Углеродная сажа ( Международный индекс цвета , PBK-7) — это название обычного черного пигмента, традиционно получаемого из обуглившихся органических материалов, таких как дерево или кость. Он кажется черным, потому что отражает очень мало света в видимой части спектра, а альбедо близко к нулю. Фактическое альбедо варьируется в зависимости от исходного материала и метода производства. Он известен под множеством названий, каждое из которых отражает традиционный метод получения технического углерода:
Все эти виды технического углерода широко использовались в качестве пигментов для красок с доисторических времен. [15] Рембрандт , Вермеер , Ван Дейк , а в последнее время Сезанн , Пикассо и Мане [16] использовали пигменты сажи в своих картинах. Типичным примером является « Музыка в Тюильри » Мане [17] , где черные платья и мужские шляпы окрашены в черный цвет слоновой кости. [18]
Новые методы производства технического углерода в значительной степени вытеснили эти традиционные источники. Для кустарных целей остается распространенным технический углерод, добываемый любыми способами. [8]
Все сажи имеют на своей поверхности хемосорбированные кислородные комплексы (т. е. карбоксильные , хиноновые , лактоновые, фенольные группы и другие) в различной степени в зависимости от условий производства. [19] Эти поверхностные кислородные группы вместе называются летучими компонентами. Также известно, что он является непроводящим материалом из-за его летучего содержания.
Производители покрытий и чернил предпочитают сорта технического углерода, окисленные кислотой. Кислота распыляется в высокотемпературных сушилках во время производственного процесса, чтобы изменить химический состав поверхности сажи. Количество химически связанного кислорода на поверхности сажи увеличено для улучшения эксплуатационных характеристик.
Углеродная сажа является распространенной проводящей добавкой для литий-ионных аккумуляторов, поскольку они имеют небольшой размер частиц и большую удельную поверхность (SSA), что позволяет добавке хорошо распределяться по катоду или аноду, а также является дешевым и долговечным. [7] [20] В отличие от графита , который является одним из других распространенных материалов, используемых в заряжаемых батареях, углеродная сажа состоит из кристаллических решеток, которые расположены дальше друг от друга и способствуют интеркаляции Li + , поскольку открывает больше путей для хранения лития. [20]
Углеродная сажа имеет низкую плотность, что позволяет диспергировать большой ее объем, благодаря чему ее проводящие эффекты распределяются равномерно по всей батарее. [21] [22] Кроме того, расположение случайно распределенных графитоподобных кристаллов улучшает стабильность батареи из-за уменьшения потенциального барьера интеркаляции лития в графит, что в конечном итоге влияет на производительность катодов. [20]
Хотя углеродная сажа легкая и хорошо распределяется по всей батарее и повышает проводящие характеристики батарей, она также содержит кислородсодержащие гидрофильные функциональные группы, которые могут вызывать побочные реакции в батарее и приводить к разложению электролита. Графитизация (нагрев) технического углерода может термически разложить гидрофильные функциональные группы и, таким образом, увеличить срок службы батареи, сохраняя при этом проводящие способности технического углерода и одновременно уменьшая ущерб, который может быть нанесен батареям гидрофильными функциональными группами.
Полуэлементы, созданные с тяжелой графитацией, легкой графитацией и без графитации, показали, что ячейка, созданная с тяжелой графитацией, имела стабильный циклический срок службы 320 циклов, ячейка с легкой графитацией показала стабильный циклический срок службы 200 циклов, а ячейка без графитации показал стабильный срок службы в 160 циклов. [7]
Углеродная сажа считается потенциально канцерогенной для человека и классифицируется как канцероген группы 2B, поскольку имеется достаточно доказательств на экспериментальных животных и недостаточные доказательства в эпидемиологических исследованиях на людях . [5] Доказательства канцерогенности в исследованиях на животных получены в результате двух исследований при хроническом вдыхании и двух исследований при интратрахеальной инстилляции на крысах, которые показали значительно повышенный уровень заболеваемости раком легких у животных, подвергшихся воздействию. [5] Исследование ингаляционного воздействия на мышах не выявило значительного увеличения заболеваемости раком легких у животных, подвергшихся воздействию. [5] Эпидемиологические данные получены в результате трех когортных исследований рабочих на производстве технического углерода. Два исследования, проведенные в Великобритании и Германии с участием более 1000 работников в каждой исследовательской группе, показали повышенную смертность от рака легких. [5] Третье исследование, в котором приняли участие более 5000 рабочих, занимающихся сажей, в Соединенных Штатах, не выявило повышенной смертности. [5] Новые данные о повышении смертности от рака легких в обновленной версии британского исследования позволяют предположить, что технический углерод может быть канцерогеном на поздней стадии . [23] [24] Однако более недавнее и более масштабное исследование, проведенное в Германии, не подтвердило эту гипотезу. [25]
Существуют строгие правила, гарантирующие, что сотрудники, производящие технический углерод, не подвергаются риску вдыхания небезопасных доз технического углерода в сыром виде. [26] Для надлежащей защиты работников от вдыхания технического углерода рекомендуется использовать средства индивидуальной защиты органов дыхания . Рекомендуемый тип защиты органов дыхания варьируется в зависимости от концентрации используемого технического углерода. [27]
Люди могут подвергаться воздействию технического углерода на рабочем месте при вдыхании и контакте с кожей или глазами. Управление по охране труда (OSHA) установило законный предел ( допустимый предел воздействия ) воздействия технического углерода на рабочем месте на уровне 3,5 мг/м 3 в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт охраны труда (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) на уровне 3,5 мг/м 3 в течение 8-часового рабочего дня. При уровне 1750 мг/м 3 технический углерод сразу опасен для жизни и здоровья . [28]
