stringtranslate.com

Углеродная сажа

Рабочий на заводе технического углерода, 1942 г.

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.

Распространенное использование

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 пластиками, 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]

Армирующие сажи

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.

Пигмент

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]

Поверхность и поверхностная химия

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.

Использование в литий-ионных аккумуляторах

Общая структура технического углерода.

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]

Безопасность

Канцерогенность

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 на производстве 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 на производстве технического углерода в Соединенных Штатах не показало повышенной смертности. [3] Новые данные об увеличении смертности от рака легких в обновлении 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]

Охрана труда

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]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Запись в базе данных веществ GESTIS Института охраны труда и здоровья
  2. ^ "Исследование рынка: технический углерод". Ceresana . Получено 26.04.2013 .
  3. ^ abcdef Kuempel, Eileen D.; Sorahan, Tom (2010). "Identification of Research Needs to Resolve the Cancerogenicity of High-priority IARC Cancerogens" (PDF) . Views and Expert Opinions of an IARC/NORA Expert Group Meeting, Lyon, France, 30 June – 2 July 2009. IARC Technical Publication No. 42. Lyon, France: International Agency for Research on Cancer . 42 : 61–72. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. . Получено 30 августа 2012 г. .
  4. ^ Gnanamuthu, RM.; Lee, Chang Woo (2011-11-01). «Электрохимические свойства сажи Super P в качестве анодного активного материала для литий-ионных аккумуляторов». Materials Chemistry and Physics . 130 (3): 831–834. doi :10.1016/j.matchemphys.2011.08.060. ISSN  0254-0584.
  5. ^ abc Qi, Xin; Blizanac, Berislav; DuPasquier, Aurelien; Lal, Archit; Niehoff, Philip; Placke, Tobias; Oljaca, Miodrag; Li, Jie; Winter, Martin (2015). "Влияние термически обработанной проводящей добавки углеродной сажи на производительность высоковольтного шпинельного Cr-легированного композитного катодного электрода LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4". Журнал электрохимического общества . 162 (3): A339–A343. doi :10.1149/2.0401503jes. ISSN  0013-4651.
  6. ^ abc "Примеры применения технического углерода". Mitsubishi Chemical . Получено 2013-01-14 .
  7. ^ Кодекс пищевых стандартов Австралии и Новой Зеландии "Стандарт 1.2.4 – Маркировка ингредиентов". 8 сентября 2011 г. Получено 27 октября 2011 г.
  8. ^ US FDA: «Список статуса красящих добавок». Управление по контролю за продуктами и лекарствами . Получено 27 октября 2011 г.
  9. ^ "Проект оценки отбора для конкурса". 29 января 2010 г. Получено 14 января 2013 г.
  10. ^ "Australia New Zealand Food Standards Code". Архивировано из оригинала 20.12.2012 . Получено 14.01.2013 .
  11. ^ "Что такое технический углерод". Международная ассоциация технического углерода. Архивировано из оригинала 2009-04-01 . Получено 2009-04-14 .
  12. ^ Growney, David J.; Mykhaylyk, Oleksandr O.; Middlemiss, Laurence; Fielding, Lee A.; Derry, Matthew J.; Aragrag, Najib; Lamb, Gordon D.; Armes, Steven P. (2015-09-29). «Является ли технический углерод подходящим модельным коллоидным субстратом для дизельной сажи?». Langmuir . 31 (38): 10358–10369. doi : 10.1021/acs.langmuir.5b02017 . ISSN  0743-7463. PMID  26344920. S2CID  206670654.
  13. ^ "Экспериментальное и кинетическое исследование взаимодействия коммерческой сажи с NO при высокой температуре" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2013-02-15 . Получено 2012-04-25 .
  14. ^ Углеродная сажа — обзор мирового рынка, январь 2016 г. • Отчет отраслевых экспертов CP024 • 328 страниц
  15. Винтер, Дж. и Уэст Фицхью, Э., Пигменты на основе углерода, в Berrie, BH Editor, Художественные пигменты, Справочник по их истории и характеристикам, Том 4, стр. 1–37.
  16. ^ Кость черная, ColourLex
  17. ^ Бомфорд Д., Кирби Дж., Лейтон Дж., Рой А. Искусство в процессе становления: импрессионизм. National Gallery Publications, Лондон, 1990, стр. 112–119.
  18. ^ Эдуард Мане, «Музыка в саду Тюильри», ColourLex
  19. ^ Хеннион, Мари-Клер (июль 2000 г.). «Графитированные угли для твердофазной экстракции». Журнал хроматографии A. 885 ( 1–2): 73–95. doi :10.1016/S0021-9673(00)00085-6. PMID  10941668.
  20. ^ abc Ху, Цзинвэй; Чжун, Шэнвэнь; Янь, Тинтин (2021-10-01). «Использование сажи для облегчения быстрой зарядки литий-ионных аккумуляторов». Журнал источников питания . 508 : 230342. Bibcode : 2021JPS...50830342H. doi : 10.1016/j.jpowsour.2021.230342. ISSN  0378-7753.
  21. ^ Юнеси, Реза; Кристиансен, Ане Салланд; Сципиони, Роберто; Нго, Дюк-Те; Симонсен, Сорен Бредмоз; Эдстрем, Кристина; Хьельм, Йохан; Норби, Пол (2015). «Анализ интерфазы технического углерода, образующейся в высоковольтных батареях». Журнал Электрохимического общества . 162 (7): А1289–А1296. дои : 10.1149/2.0761507jes . ISSN  0013-4651. S2CID  53486824.
  22. ^ Доминко, Роберт; Габершек, Миран; Дрофеник, Йерней; Беле, Марьян; Пейовник, Стане; Ямник, Янко (2003-06-01). "Роль распределения сажи в катодах для литий-ионных аккумуляторов". Журнал источников питания . Избранные доклады, представленные на 11-й Международной встрече по литиевым аккумуляторам. 119–121: 770–773. Bibcode :2003JPS...119..770D. doi :10.1016/S0378-7753(03)00250-7. ISSN  0378-7753.
  23. ^ Сорахан Т., Харрингтон Дж. М. (2007). «Анализ «перегруженных» рисков рака легких у рабочих на производстве технического углерода в Великобритании, 1951–2004». Am J Ind Med . 50 (8): 555–564. doi :10.1002/ajim.20481. PMID  17516558.
  24. ^ Ward EM, Schulte PA, Straif K, Hopf NB, Caldwell JC, Carreón T, DeMarini DM, Fowler BA, Goldstein BD, Hemminki K, Hines CJ, Pursiainen KH, Kuempel E, Lewtas J, Lunn RM, Lynge E, McElvenny DM, Muhle H, Nakajima T, Robertson LW, Rothman N, Ruder AM, Schubauer-Berigan MK, Siemiatycki J, Silverman D, Smith MT, Sorahan T, Steenland K, Stevens RG, Vineis P, Zahm SH, Zeise L, Cogliano VJ (2010). «Рекомендации по исследованиям для отдельных агентов, классифицированных МАИР». Перспективы охраны окружающей среды и здоровья . 118 (10): 1355–62. дои : 10.1289/ehp.0901828. ПМЦ 2957912 . ПМИД  20562050. 
  25. ^ Морфельд П., МакКанни Р.Дж. (2007). «Углеродная сажа и рак легких: тестирование новой метрики воздействия в немецкой когорте». Am J Ind Med . 50 (8): 565–567. doi :10.1002/ajim.20491. PMID  17620319.
  26. ^ "Руководство по охране труда и технике безопасности для технического углерода: потенциальный канцероген для человека, Центры по контролю и профилактике заболеваний, Национальный институт охраны труда и техники безопасности" (PDF) . Получено 14.01.2013 .
  27. ^ "Руководство по охране труда и технике безопасности для технического углерода: потенциальный канцероген для человека" (PDF) . Центры по контролю и профилактике заболеваний, Национальный институт охраны труда и техники безопасности . Получено 11 января 2013 г. .
  28. ^ "CDC – NIOSH Карманный справочник по химическим опасностям – технический углерод". www.cdc.gov . Получено 27.11.2015 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки