Технический углерод (с подтипами ацетиленовая сажа , канальная сажа , печная сажа , ламповая сажа и термическая сажа ) — это материал, получаемый при неполном сгорании каменноугольной смолы , растительного вещества или нефтепродуктов , включая мазут, смолу каталитического крекинга и этиленовый крекинг в ограниченном количестве воздуха. Технический углерод — это форма паракристаллического углерода , которая имеет высокое отношение площади поверхности к объему , хотя и ниже, чем у активированного угля . Он отличается от сажи гораздо более высоким отношением площади поверхности к объему и значительно более низким (ничтожным и небиодоступным) содержанием полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).
Технический углерод используется в качестве красителя и армирующего наполнителя в шинах и других резиновых изделиях; пигмента и добавки для защиты от износа в пластмассах, красках и пигменте чернил . [2] В ЕС он используется в качестве пищевого красителя при производстве из растительного сырья (E153).
Текущая оценка Международного агентства по изучению рака (МАИР) гласит: «Технический углерод, возможно, канцерогенен для человека ( Группа 2B )». [3] Кратковременное воздействие высоких концентраций пыли технического углерода может вызвать дискомфорт в верхних дыхательных путях из-за механического раздражения.
Наиболее распространенное применение (70%) технического углерода — в качестве пигмента и армирующей фазы в автомобильных шинах. Технический углерод также помогает отводить тепло от протектора и пояса 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 аккумуляторах. [4] Около 20% мирового производства идет на ремни, шланги и другие нешинные резиновые изделия. Оставшиеся 10% использования технического углерода приходится на пигмент в чернилах, покрытиях и пластике, а также на использование в качестве токопроводящей добавки в литий-ионных аккумуляторах. [5]
Технический углерод добавляется в полипропилен, поскольку он поглощает ультрафиолетовое излучение, которое в противном случае приводит к деградации материала. Частицы технического углерода также используются в некоторых материалах, поглощающих радиолокационные лучи , в тонере для копировальных аппаратов и лазерных принтеров , а также в других чернилах и красках. Высокая прочность окрашивания и стабильность технического углерода также обеспечили его использование в окрашивании смол и пленок. [6] Технический углерод использовался в различных приложениях для электроники. Будучи хорошим проводником электричества, технический углерод используется в качестве наполнителя, смешанного с пластмассами, эластомерами, пленками, клеями и красками. [6] Он используется в качестве антистатической присадки в крышках топливных баков и трубах автомобилей.
Сажа растительного происхождения используется в качестве пищевого красителя, известного в Европе как добавка E153 . Она одобрена для использования в качестве добавки 153 (сажа или растительный углерод) в Австралии и Новой Зеландии [7], но запрещена в США. [8] Цветной пигмент сажа широко используется в течение многих лет в упаковке продуктов питания и напитков. Она используется в многослойных бутылках для молока UHT в США, некоторых частях Европы и Азии, а также в Южной Африке, а также в таких предметах, как подносы для еды, пригодные для разогрева в микроволновой печи, и подносы для мяса в Новой Зеландии.
Обширный обзор канадского правительства по техническому углероду в 2011 году пришел к выводу, что технический углерод может продолжать использоваться в продуктах, включая упаковку пищевых продуктов для потребителей, в Канаде. Это было связано с тем, что «в большинстве потребительских товаров технический углерод связан в матрице и недоступен для воздействия, например, как пигмент в пластике и резине» и «предполагается, что технический углерод не попадает в окружающую среду в количестве или концентрациях или в условиях, которые представляют или могут представлять опасность в Канаде для жизни или здоровья человека». [9]
В пределах Австралазии цветной пигмент технический углерод в упаковке должен соответствовать требованиям либо ЕС, либо США по упаковке. Если используется какой-либо краситель, он должен соответствовать Европейскому частичному соглашению AP(89)1. [10]
Общий объем производства в 2006 году составил около 8 100 000 метрических тонн (8 900 000 коротких тонн). [11] Мировое потребление технического углерода, оцениваемое в 13,2 миллиона метрических тонн на сумму 13,7 миллиарда долларов США в 2015 году, как ожидается, достигнет 13,9 миллиона метрических тонн на сумму 14,4 миллиарда долларов США в 2016 году.
Хотя технический углерод отличается от сажи и подобных частиц, его можно использовать в качестве модельного соединения для дизельной сажи, чтобы лучше понять, как дизельная сажа ведет себя в различных условиях реакции. Технический углерод и дизельная сажа имеют некоторые схожие свойства, такие как размер частиц, плотность и способность к адсорбции сополимера, что способствует их схожему поведению в различных реакциях, таких как эксперименты по окислению. [12] [13] [ требуется лучший источник ]
Прогнозируется, что мировое потребление сохранит среднегодовой темп прироста (CAGR) на уровне 5,6% в период с 2016 по 2022 год и достигнет 19,2 млн метрических тонн на сумму 20,4 млрд долларов США к 2022 году. [14]
Наибольший объем использования технического углерода приходится на армирующий наполнитель в резиновых изделиях, особенно в шинах. В то время как чистая вулканизация стирол -бутадиена имеет прочность на разрыв не более 2 МПа и незначительную стойкость к истиранию, его компаундирование с 50% технического углерода по весу улучшает его 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 двигателей.
Практически все резиновые изделия, где важны свойства растяжения и абразивного износа, используют технический углерод, поэтому они черного цвета. Там, где важны физические свойства, но желательны цвета, отличные от черного, например, белые теннисные туфли, осажденный или коллоидный диоксид кремния был заменен на технический углерод. Наполнители на основе диоксида кремния также завоевывают долю рынка автомобильных шин, поскольку они обеспечивают лучший компромисс между топливной экономичностью и управляемостью на мокрой дороге из-за меньших потерь качения. Традиционно наполнители на основе диоксида кремния имели худшие свойства абразивного износа, но технология постепенно улучшилась до такой степени, что они могут сравниться с характеристиками абразивного износа технического углерода.
Углеродная сажа ( Color Index International , PBK-7) — название распространённого чёрного пигмента, традиционно получаемого путём обугливания органических материалов, таких как древесина или кость. Он кажется чёрным, потому что отражает очень мало света в видимой части спектра, с альбедо, близким к нулю. Фактическое альбедо варьируется в зависимости от исходного материала и метода производства. Он известен под разными названиями, каждое из которых отражает традиционный метод производства углеродной сажи:
Все эти типы сажи широко использовались в качестве пигментов для красок с доисторических времен. [15] Рембрандт , Вермеер , Ван Дейк , а позднее 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 цвет слоновой кости. [18]
Более новые методы производства технического углерода в значительной степени вытеснили эти традиционные источники. [ необходима ссылка ] Для кустарных целей технический углерод, произведенный любым способом, остается обычным. [6]
Все виды технического углерода имеют хемосорбированные кислородные комплексы (т. е. карбоксильные , хинонные , лактонные, фенольные группы и другие) на своих поверхностях в различной степени в зависимости от условий производства. [19] Эти поверхностные кислородные группы в совокупности называются летучим содержимым. Известно также, что это непроводящий материал из-за его летучего содержимого.
В индустрии покрытий и чернил предпочитают сорта технического углерода, окисленные кислотой. Кислота распыляется в высокотемпературных сушилках в процессе производства, чтобы изменить химию поверхности черного цвета. Количество химически связанного кислорода на поверхности черного цвета увеличивается для улучшения эксплуатационных характеристик.
Технический углерод является распространенной проводящей добавкой для литий-ионных аккумуляторов, поскольку частицы имеют небольшие размеры и большую удельную площадь поверхности (SSA), что позволяет добавке хорошо распределяться по катоду или аноду, а также является дешевым и долговечным. [5] [20] В отличие от графита , который является одним из других распространенных материалов, используемых в заряжаемых аккумуляторах, технический углерод состоит из кристаллических решеток, которые находятся дальше друг от друга, и способствует интеркаляции Li + , поскольку это обеспечивает больше путей для хранения лития. [20]
Углеродная сажа имеет низкую плотность, что позволяет распределять ее в больших объемах, так что ее проводящие эффекты равномерно распределяются по всей батарее. [21] [22] Кроме того, ее расположение в виде хаотично распределенных графитоподобных кристаллов повышает стабильность батареи из-за снижения потенциального барьера интеркаляции лития в графит, что в конечном итоге влияет на производительность катодов. [20]
Хотя технический углерод легкий и хорошо распределен по всей батарее и повышает проводящие характеристики батарей, он также содержит кислородсодержащие гидрофильные функциональные группы, которые могут вызывать побочные реакции в батарее и приводить к разложению электролита. Графитизация (нагревание) технического углерода может термически разлагать гидрофильные функциональные группы и, таким образом, увеличивать срок службы батареи, что сохраняет проводящие способности технического углерода, одновременно смягчая ущерб, который может быть нанесен батареям гидрофильными функциональными группами.
Полуэлементы, созданные с сильной графитизацией, слабой графитизацией и без графитизации, показали, что элемент, созданный с сильной графитизацией, имел стабильный циклический ресурс 320 циклов, элемент с легкой графитизацией показал стабильный циклический ресурс 200 циклов, а элемент без графитизации показал стабильный циклический ресурс 160 циклов. [5]
Технический углерод считается потенциально канцерогенным для человека и классифицируется как канцероген Группы 2B, поскольку имеются достаточные доказательства в экспериментах на животных при недостаточных доказательствах в эпидемиологических исследованиях человека . [3] Доказательства канцерогенности в исследованиях на животных получены в результате двух исследований хронического вдыхания и двух исследований интратрахеального вливания на крысах, которые показали значительно повышенные показатели рака легких у подвергшихся воздействию животных. [3] Исследование вдыхания на мышах не показало значительно повышенных показателей рака легких у подвергшихся воздействию животных. [3] Эпидемиологические данные получены в результате трех когортных исследований рабочих по производству технического углерода. Два исследования, проведенные в Великобритании и Германии, с участием более 1000 рабочих в каждой группе исследования, показали повышенную смертность от рака легких. [3] Третье исследование с участием более 5000 рабочих по производству технического углерода в Соединенных Штатах не показало повышенной смертности. [3] Новые данные об увеличении смертности от рака легких в обновленной версии исследования в Великобритании предполагают, что технический углерод может быть канцерогеном на поздней стадии . [23] [24] Однако более позднее и более масштабное исследование из Германии не подтвердило эту гипотезу. [25]
Существуют строгие руководящие принципы, гарантирующие, что работники, которые производят технический углерод, не подвергаются риску вдыхания небезопасных доз технического углерода в его сырой форме. [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 путем вдыхания и контакта с кожей или глазами. Управление по охране труда и промышленной гигиене (OSHA) установило допустимый предел ( допустимый предел воздействия ) для воздействия технического углерода на рабочем месте в размере 3,5 мг/ м3 в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт охраны труда и промышленной гигиене (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) в размере 3,5 мг/м3 в течение 8-часового рабочего дня. При уровнях 1750 мг/м3 технический углерод немедленно становится опасным для жизни и здоровья . [28]
