Negro carbón
Compuesto químico
Negro carbón
Nombres
Otros nombres
  • Acetileno negro
  • Canal negro
  • Horno negro
  • Lámpara negra
  • Negro térmico
  • Pigmento CI negro 6
Identificadores
  • 1333-86-4 controlarY
Modelo 3D ( JSmol )
  • Imagen interactiva
Tarjeta informativa de la ECHA100.014.191
Número CE
  • 215-609-9
Número EE152 (colores)
UNIVERSIDAD
  • 4XYU5U00C4 controlarY
  • DTXSID7051216
  • do
Propiedades
do
Masa molar12,011  g·mol −1
AparienciaNegro sólido
Densidad1,8–2,1  g/cm3 ( 20  °C) [1]
Prácticamente insoluble [1]
Peligros
Dosis o concentración letal (LD, LC):
LD 50 ( dosis media )
> 15400  mg/kg (oral, rata) [1]
3000  mg/kg (dérmica, conejo) [1]
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para los materiales en su estado estándar (a 25 °C [77 °F], 100 kPa).
Compuesto químico
Trabajador en una planta de negro de carbón, 1942

El negro de carbón (con los subtipos 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 , incluido el fueloil, el alquitrán de craqueo catalítico fluido y el craqueo de etileno en un suministro limitado de aire. El negro de carbón es una forma de carbono paracristalino que tiene una alta relación área-volumen , aunque menor que la del carbón activado . Es diferente al hollín en su relación área-volumen mucho mayor y su contenido de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) significativamente menor (insignificante y no biodisponible) .

El negro de carbón se utiliza como colorante y relleno de refuerzo en neumáticos y otros productos de caucho; pigmento y aditivo de protección contra el desgaste en plásticos, pinturas y pigmentos de tinta . [2] Se utiliza en la UE como colorante alimentario cuando se produce a partir de materia vegetal (E153).

La evaluación actual de la Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer (IARC) es que "el negro de carbón es posiblemente cancerígeno para los humanos ( Grupo 2B )". [3] La exposición a corto plazo a altas concentraciones de polvo de negro de carbón puede producir molestias en el tracto respiratorio superior a través de irritación mecánica.

Usos comunes

El uso más común (70%) del negro de carbón es como pigmento y fase de refuerzo en los neumáticos de automóviles. El negro de carbón también ayuda a conducir el calor lejos de la banda de rodadura y el área del cinturón del neumático, reduciendo el daño térmico y aumentando la vida útil del neumático. Su bajo costo lo convierte en un agregado común a los cátodos y ánodos y se considera un reemplazo seguro del metal de litio en las baterías de iones de litio. [4] Aproximadamente el 20% de la producción mundial se destina a cinturones, mangueras y otros productos de caucho no relacionados con los neumáticos. El 10% restante del uso del negro de carbón proviene de pigmentos en tintas, recubrimientos y plásticos, además de usarse como aditivo conductor en baterías de iones de litio. [5]

El negro de carbón se añade al polipropileno porque absorbe la radiación ultravioleta , que de lo contrario hace que el material se degrade. Las partículas de negro de carbón 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 fuerza de teñido y la estabilidad del negro de carbón también han proporcionado uso en la coloración de resinas y películas. [6] El negro de carbón se ha utilizado en varias aplicaciones para la electrónica. Un buen conductor de electricidad, el negro de carbón se utiliza como relleno mezclado en plásticos, elastómeros, películas, adhesivos y pinturas. [6] Se utiliza como agente aditivo antiestático en tapas y tuberías de combustible de automóviles.

El negro de carbón de origen vegetal se utiliza como colorante alimentario, conocido en Europa como aditivo E153 . Está aprobado para su uso como aditivo 153 (negros de carbón o carbón vegetal) en Australia y Nueva Zelanda [7], pero ha sido prohibido en los EE. UU. [8] El pigmento de color negro de carbón se ha utilizado ampliamente durante muchos años en envases de alimentos y bebidas. Se utiliza en botellas de leche UHT multicapa en los EE. UU., partes de Europa y Asia, y Sudáfrica, y en artículos como bandejas de comida para microondas y bandejas de carne en Nueva Zelanda.

En 2011, el Gobierno canadiense realizó una amplia revisión del negro de carbono, que concluyó que se podía seguir utilizando en productos, incluidos los envases de alimentos para el consumidor, en Canadá. Esto se debió a que "en la mayoría de los productos de consumo, el negro de carbono está ligado a una matriz y no está disponible para la exposición, por ejemplo, como pigmento en plásticos y cauchos" y "se propone que el negro de carbono no está entrando al medio ambiente en una cantidad o concentraciones o en condiciones que constituyan o puedan constituir un peligro en Canadá para la vida o la salud humana". [9]

En Australasia, el pigmento de color negro de carbono en los envases debe cumplir con los requisitos de las normas de envasado de la UE o de los 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 carbón, 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.

Si bien es distinto del hollín y otras partículas similares, el negro de carbón se puede utilizar como compuesto modelo para el hollín diésel a fin de comprender mejor cómo se comporta este último en diversas condiciones de reacción. El negro de carbón y el hollín diésel tienen algunas propiedades similares, como tamaños de partículas, densidades y capacidades de adsorción de copolímeros, que contribuyen a que tengan comportamientos similares en diversas reacciones, como experimentos de oxidación. [12] [13] [ se necesita una mejor fuente ]

Se prevé que el consumo mundial mantenga una CAGR (tasa de crecimiento anual compuesta) del 5,6% entre 2016 y 2022, alcanzando 19,2 millones de toneladas métricas, valoradas en 20 400 millones de dólares estadounidenses, en 2022. [14]

Refuerzo de los negros de carbón

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

Ciertos tipos de negro de carbón utilizados en neumáticos, plásticos y pinturas.
NombreAbreviaturaDiseño ASTM
.
Tamaño de partícula
nm
Resistencia a la tracción
MPa		Abrasión relativa
de laboratorio
Abrasión relativa por desgaste
de la carretera
Horno de súper abrasiónFuerza Aérea SudafricanaN11020–2525.21.351.25
SAF intermedioFuerza Internacional de Asistencia para la Seguridad (ISAF)N22024–3323.11.251.15
Horno de alta abrasiónHAFN33028–3622.41.001.00
Canal de procesamiento fácilCEPN30030–3521.70,800,90
Horno de extrusión rápidaFEFN55039–5518.20,640,72
Horno de alto móduloHMFN66049–7316.10,560,66
Horno de semirreforzamientoFondo de Reserva de Recursos NaturalesN77070–9614.70,480,60
Termal finoPIEN880180–20012.60,22–
Térmica mediaMONTEN990250–3509.80,18–

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

Pigmento

El negro de carbón ( Color Index International , PBK-7) es el nombre de un pigmento negro común, producido tradicionalmente a partir de la carbonización de materiales orgánicos como madera o hueso. Parece negro porque refleja muy poca luz en la parte visible del espectro, con un albedo cercano a cero. El albedo real varía según el material de origen y el método de producción. Se lo conoce con una variedad de nombres, cada uno de los cuales refleja un método tradicional para producir negro de carbón:

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

Todos estos tipos de negro de carbón se han utilizado 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 carbón en sus pinturas. Un ejemplo típico es " La 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 nuevos de producción de negro de carbón han reemplazado en gran medida a estas fuentes tradicionales. [ cita requerida ] Para fines artesanales , el negro de carbón producido por cualquier medio sigue siendo común. [6]

Química de superficies y superficies

Todos los negros de carbón tienen complejos de oxígeno quimisorbidos (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 de la superficie 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 grados de negro de carbón que se oxidan con ácido. El ácido se rocía en secadores de alta temperatura durante el proceso de fabricación para cambiar la química superficial inherente del negro. La cantidad de oxígeno unido químicamente en el área de la superficie del negro se aumenta para mejorar las características de rendimiento.

Uso en baterías de iones de litio

La estructura genérica del negro de carbón.

El negro de carbón es un aditivo conductor común para las baterías de iones de litio, ya que las partículas tienen tamaños pequeños y grandes áreas de superficie específicas (SSA) que permiten que el aditivo se distribuya bien por todo el cátodo o ánodo, además de ser barato y duradero. [5] [20] A diferencia del grafito , que es uno de los otros materiales comunes utilizados en baterías recargables, el negro de carbón consiste en redes cristalinas que están más separadas y promueven la intercalación de Li + porque permite más vías para el almacenamiento de litio. [20]

El negro de carbón tiene una baja densidad que permite que se disperse un gran volumen de este para que sus efectos conductores se apliquen 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 potencial de intercalación de litio en el grafito, lo que en última instancia afecta el rendimiento de los cátodos. [20]

Si bien el negro de carbón es liviano y se distribuye bien por toda la batería y aumenta el rendimiento conductivo de las baterías, también contiene grupos funcionales hidrófilos que contienen oxígeno que pueden provocar reacciones secundarias en la batería y provocar la descomposición del electrolito. La grafitización (calentamiento) del negro de carbón puede descomponer térmicamente los grupos funcionales hidrófilos y, por lo tanto, aumentar la vida útil de la batería, lo que mantiene las capacidades conductivas del negro de carbón y, al mismo tiempo, mitiga el daño que pueden causar los grupos funcionales hidrófilos a las baterías.

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

Seguridad

Carcinogenicidad

El negro de carbón se considera posiblemente cancerígeno para los humanos y se clasifica como un carcinógeno del Grupo 2B porque hay evidencia suficiente en animales experimentales con evidencia inadecuada en estudios epidemiológicos humanos . [3] La evidencia de carcinogenicidad en estudios animales proviene de dos estudios de inhalación crónica y dos estudios de instilación intratraqueal en ratas, que mostraron tasas significativamente elevadas de cáncer de pulmón en animales expuestos. [3] Un estudio de inhalación en ratones no mostró tasas significativamente elevadas de cáncer de pulmón en animales expuestos. [3] Los datos epidemiológicos provienen de tres estudios de cohorte de trabajadores de producción de negro de carbón. Dos estudios, del Reino Unido y Alemania, con más de 1000 trabajadores en cada grupo de estudio mostraron una mortalidad elevada por cáncer de pulmón. [3] Un tercer estudio de más de 5000 trabajadores de negro de carbón en los Estados Unidos no mostró una mortalidad elevada. [3] Hallazgos más recientes de aumento de la mortalidad por cáncer de pulmón en una actualización del estudio del Reino Unido sugieren que el negro de carbón podría ser un carcinógeno en etapa tardía . [23] [24] Sin embargo, un estudio más reciente y más grande de Alemania no confirmó esta hipótesis. [25]

Seguridad laboral

Existen directrices estrictas disponibles y en vigor para garantizar que los empleados que fabrican negro de carbón no corran el riesgo de inhalar dosis peligrosas de negro de carbón en su forma cruda. [26] Se recomienda el uso de equipos de protección respiratoria personal para proteger adecuadamente a los trabajadores de la inhalación de negro de carbón. El tipo de protección respiratoria recomendado varía según la concentración de negro de carbón utilizada. [27]

Las personas pueden estar expuestas al negro de carbón en el lugar de trabajo por inhalación y por contacto con la piel o los ojos. La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal ( límite de exposición permisible ) para la exposición al negro de carbón en el lugar de trabajo en 3,5 mg/m 3 durante una jornada laboral de 8 horas. El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 3,5 mg/m 3 durante una jornada laboral de 8 horas. A niveles de 1750 mg/m 3 , el negro de carbón es inmediatamente peligroso para la vida y la salud . [28]

Véase también

Referencias

  1. ^ abcd Registro en la base de datos de sustancias GESTIS del Instituto de Seguridad y Salud Ocupacional
  2. ^ "Estudio de mercado: Carbon Black". Ceresana . Consultado el 26 de abril de 2013 .
  3. ^ abcdef Kuempel, Eileen D.; Sorahan, Tom (2010). "Identificación de las necesidades de investigación para resolver la carcinogenicidad de los carcinógenos de alta prioridad del IARC" (PDF) . Opiniones y opiniones de expertos de una reunión del grupo de expertos del IARC/NORA, Lyon (Francia), 30 de junio – 2 de julio de 2009. Publicación técnica del IARC n.º 42. Lyon (Francia): Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer . 42 : 61–72. Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2016. Consultado el 30 de agosto de 2012 .
  4. ^ Gnanamuthu, RM.; Lee, Chang Woo (1 de noviembre de 2011). "Propiedades electroquímicas del negro de carbono Super P como material activo de ánodo para baterías de iones de litio". Química y física de materiales . 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). "Influencia del aditivo conductor de negro de carbón tratado térmicamente en el rendimiento del electrodo de cátodo compuesto de LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 dopado con espinela de alto voltaje". Revista de la Sociedad Electroquímica . 162 (3): A339–A343. doi :10.1149/2.0401503jes. ISSN  0013-4651.
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  8. ^ FDA de EE. UU.: "Lista de estados de aditivos colorantes". Administración de Alimentos y Medicamentos . Consultado el 27 de octubre de 2011 .
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  10. ^ "Código de normas alimentarias de Australia y Nueva Zelanda". Archivado desde el original el 20 de diciembre de 2012. Consultado el 14 de enero de 2013 .
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Lectura adicional

  • Doerner, Max. Los materiales del artista y su uso en la pintura: con notas sobre las técnicas de los antiguos maestros , edición revisada. Harcourt (1984). ISBN 0-15-657716-X . Se trata de una edición contemporánea en inglés de una obra publicada originalmente en alemán . 
  • Meyer, Ralph. Manual del artista sobre materiales y técnicas . Quinta edición, revisada y actualizada. Viking (1991) ISBN 0-670-83701-6 
  • Negro de carbón: guía del usuario. Publicado por la Asociación Internacional de Negro de Carbón.
Wikisource tiene el texto de un artículo de la Enciclopedia Americana de 1920 sobre el negro de carbón .
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Negro de carbón .
  • Ficha internacional de seguridad química 0471
  • "Negro de carbón": Guía de bolsillo de NIOSH sobre peligros químicos , entrada del sitio web de los CDC
  • "La industria del negro de carbono" del Manual de Texas Online
  • Asociación Internacional de Negro de Carbono
  • Negros de carbón especiales - PentaCarbon GmbH
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