Negro carbón

El negro de humo (con subtipos como 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 , incluyendo fueloil, alquitrán de craqueo catalítico fluidizado y craqueo de etileno , en un suministro limitado de aire. El negro de humo es una forma de carbono paracristalino que posee una elevada relación superficie-volumen , aunque inferior a la del carbón activado . Se diferencia del hollín por su relación superficie-volumen mucho mayor y su contenido significativamente menor (insignificante y no biodisponible) de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP).

El negro de humo se utiliza como colorante y relleno de refuerzo en neumáticos y otros productos de caucho, y como pigmento y aditivo de protección contra el desgaste en plásticos, pinturas y pigmentos de tinta . ^{[ 2 ]} En la UE se utiliza 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 carcinógeno para los humanos ( Grupo 2B )". ^{[ 3 ]} La exposición a corto plazo a altas concentraciones de polvo de negro de humo puede producir molestias en las vías respiratorias superiores debido a irritación mecánica.

El uso más común (70%) del negro de humo es como fase de refuerzo en neumáticos de automóviles. El negro de humo también ayuda a disipar el calor de la banda de rodadura y la zona de la banda del neumático, reduciendo el daño térmico y aumentando la vida útil del neumático. Su bajo costo lo convierte en un aditivo común para cátodos y ánodos, y se considera un sustituto seguro del litio metálico en baterías de iones de litio. ^{[ 4 ]} 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 humo proviene de pigmentos en tintas, recubrimientos y plásticos, así como de su uso como aditivo conductor en baterías de iones de litio. ^{[ 5 ]}

El negro de humo se añade al polipropileno porque absorbe la radiación ultravioleta , que de otro modo provoca la degradación del material. Las partículas de negro de humo también se emplean en algunos materiales absorbentes de radar , en el tóner de fotocopiadoras e impresoras láser , y en otras tintas y pinturas. La alta capacidad colorante y estabilidad del negro de humo también ha permitido su uso en la coloración de resinas y películas. ^{[ 6 ]} El negro de humo se ha utilizado en diversas aplicaciones para la electrónica. Como buen conductor de electricidad, el negro de humo se utiliza como relleno mezclado en plásticos, elastómeros, películas, adhesivos y pinturas. ^{[ 6 ]} Se utiliza como agente aditivo antiestático en tapones 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 (negro de humo o carbón vegetal) en Australia y Nueva Zelanda ^{[ 7 ]} , pero ha sido prohibido en Estados Unidos ^{[ 8 ]} . El pigmento de color negro de humo se ha utilizado ampliamente durante muchos años en envases de alimentos y bebidas. Se utiliza en botellas de leche UHT multicapa en Estados Unidos, partes de Europa y Asia, y Sudáfrica, y en artículos como bandejas de comida para microondas y bandejas de carne en Nueva Zelanda.

La exhaustiva revisión del negro de humo realizada por el Gobierno canadiense en 2011 concluyó que este podía seguir utilizándose en productos, incluidos los envases de alimentos para el consumidor, en Canadá. Esto se debía a que «en la mayoría de los productos de consumo, el negro de humo está integrado en una matriz y no está disponible para la exposición, por ejemplo, como pigmento en plásticos y cauchos», y a que «se plantea que el negro de humo no se libera al medio ambiente en cantidades, concentraciones o condiciones que constituyan o puedan constituir un peligro para la vida o la salud humana en Canadá». ^{[ 9 ]}

En Australasia, el pigmento de color negro de humo en los envases debe cumplir con los requisitos de las normativas de envasado de la UE o de EE. UU. Si se utiliza algún colorante, debe cumplir con el acuerdo parcial europeo AP(89)1. ^{[ 10 ]}

La producción total fue de alrededor de 8.100.000 toneladas métricas (8.900.000 toneladas cortas) en 2006. ^{[ 11 ]} Se espera que el consumo mundial de negro de humo, estimado en 13,2 millones de toneladas métricas, valoradas en 13.700 millones de dólares estadounidenses, en 2015, alcance los 13,9 millones de toneladas métricas, valoradas en 14.400 millones de dólares estadounidenses en 2016.

Aunque distinto del hollín y partículas similares, el negro de humo puede utilizarse como compuesto modelo para el hollín diésel, lo que permite comprender mejor su comportamiento en diversas condiciones de reacción. El negro de humo y el hollín diésel comparten algunas propiedades similares, como el tamaño de las partículas, la densidad y la capacidad de adsorción de copolímeros, lo que contribuye a que presenten comportamientos similares en diversas reacciones, como en experimentos de oxidación. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Se prevé que el consumo mundial mantenga una tasa de crecimiento anual compuesta (TCAC) del 5,6 % entre 2016 y 2022, alcanzando los 19,2 millones de toneladas métricas, valoradas en 20.400 millones de dólares estadounidenses, para 2022. ^{[ 14 ]}

El uso más frecuente del negro de humo es como carga de refuerzo en productos de caucho, especialmente neumáticos. Si bien la 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, la adición de un 50 % de negro de humo en peso mejora su resistencia a la tracción y al desgaste, como se muestra en la tabla a continuación. Se utiliza con frecuencia en la industria aeroespacial en elastómeros para componentes de control de vibraciones de aeronaves, como los soportes del motor.

Prácticamente todos los productos de caucho donde las propiedades de tracción y resistencia a la abrasión son importantes utilizan negro de humo, por lo que son de color negro. Cuando las propiedades físicas son importantes pero se desean colores distintos al negro, como en el caso de las zapatillas blancas, se ha sustituido el negro de humo por sílice precipitada o pirogénica . Los rellenos a base de sílice también están ganando cuota de mercado en los neumáticos de 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 resistencia a la abrasión, pero la tecnología ha mejorado gradualmente hasta el punto de que pueden igualar el rendimiento de abrasión del negro de humo.

El negro de humo ( Color Index International , PBK-7) es un pigmento negro común, tradicionalmente producido mediante la carbonización de materiales orgánicos como madera o hueso. Su color negro se debe a que refleja muy poca luz en el espectro visible, con un albedo cercano a cero. El albedo real varía según el material de origen y el método de producción. Se conoce con diversos nombres, cada uno de los cuales refleja un método tradicional para su producción.

• El negro marfil se producía tradicionalmente carbonizando marfil o huesos (véase carbón de hueso ).
• El negro de vid se producía tradicionalmente carbonizando vides y tallos de uva desecados .
• El negro de humo se producía tradicionalmente recogiendo el hollín de las lámparas de aceite.

Todos estos tipos de negro de humo se utilizaron ampliamente como pigmentos de pintura desde tiempos prehistóricos. ^{[ 15 ]} Rembrandt , Vermeer , Van Dyck y, más recientemente, Cézanne , Picasso y Manet ^{[ 16 ]} emplearon pigmentos de negro de humo en sus pinturas. Un ejemplo típico es " Música en las Tullerías " de Manet, ^{[ 17 ]} donde los vestidos negros y los sombreros de los hombres están pintados en negro marfil. ^{[ 18 ]}

Los métodos más recientes de producción de negro de humo han reemplazado en gran medida a estas fuentes tradicionales. Para fines artesanales , el negro de humo producido por cualquier medio sigue siendo común. ^{[ 6 ]}

Todos los negros de humo presentan complejos de oxígeno quimisorbido (es decir, grupos carboxílicos , quinónicos , lactónicos, fenólicos y otros) en sus superficies en distintos grados, dependiendo de las condiciones de fabricación. ^{[ 19 ]} 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 los grados de negro de humo oxidados con ácido. Durante el proceso de fabricación, se rocía ácido en secadores de alta temperatura para modificar la química superficial del negro. Se incrementa la cantidad de oxígeno químicamente unido en la superficie del negro para mejorar sus características de rendimiento.

El negro de humo es un aditivo conductor común para baterías de iones de litio, ya que sus partículas tienen tamaños pequeños y una gran superficie específica (SSA), lo que permite que el aditivo se distribuya bien en el cátodo o el ánodo, además de ser económico y duradero. ^{[ 5 ] [ 20 ]} A diferencia del grafito , otro material común utilizado en baterías recargables, el negro de humo presenta redes cristalinas más separadas, lo que favorece la intercalación de Li ⁺ al proporcionar más vías para el almacenamiento de litio. ^{[ 20 ]}

El negro de humo tiene una baja densidad que permite dispersar un gran volumen del mismo, de modo que sus efectos conductores se aplican uniformemente en toda la batería. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Además, su disposición de cristales similares al grafito distribuidos aleatoriamente mejora la estabilidad de la batería debido a la disminución de la barrera de potencial de la intercalación de litio en el grafito, lo que en última instancia afecta el rendimiento de los cátodos. ^{[ 20 ]}

Si bien el negro de humo es ligero y se distribuye uniformemente en la batería, mejorando su conductividad, también contiene grupos funcionales hidrófilos que contienen oxígeno y que pueden provocar reacciones secundarias y la descomposición del electrolito. La grafitización (calentamiento) del negro de humo descompone térmicamente estos grupos hidrófilos, aumentando así la vida útil de la batería y manteniendo su conductividad a la vez que se minimizan los daños que pueden causar dichos grupos.

Las semiceldas creadas con grafitización intensa, grafitización ligera y sin grafitización mostraron que la celda creada con grafitización intensa tenía una vida útil estable de 320 ciclos, la celda con grafitización ligera mostró una vida útil estable de 200 ciclos y la celda sin grafitización mostró una vida útil estable de 160 ciclos. ^{[ 5 ]}

• Tarjeta Internacional de Seguridad Química 0471
• "Negro de humo" – Guía de bolsillo del NIOSH sobre riesgos químicos , entrada del sitio web de los CDC
• "Industria del negro de humo" del Manual de Texas Online
• Asociación Internacional de Negro de Carbón