NEGRUL DE FUM

NEGRUL DE FUM

Metode de obtinere a negrului de fum

Industria de negru de fum s-a dezvoltat odata cu avantul pe care l-a luat industria cauciucului, deoarece confera compozitiilor de cauciuc proprietati deosebite .

Pana in anul 1912, negrul de fum era folosit in amestecurile de cauciuc numai pentru colorarea in negru a acestora. Cand s-a descoperit insa ca aceasta rezista mai bine la abraziune, sfasiere, imbatranire etc. a crescut vertiginos importanta si valoarea sa.

Principala sarja activa pentru majoritatea articolelor de cauciuc este negrul de fum care indeplineste concomitent rolul de materiale de ranforsare , de umplutura si de colorare.

Arderea incompleta a metanului se foloseste in scopul producerii industriale a negrului de fum.

Arderea incomplete a metanuli consta in oxidarea partiala a metanului la carban si apa. Aceasta se realiyeaya prin ardere intr-un mediu cu mai putin oxygen decat ar fi necesar pentru a se produce combustia completa.

CH₄ + O₂ C + 2H₂O

Arderea incompleta este un fenomen nedorit in arzatoare, unde urmarim obtinerea de energie; atunci flacara "afuma" si produce mai putina caldura, deoarece lipseste energia care s-ar degaja daca ar avea loc si reactia carbonului cu oxigenul pentru a da bioxid de carbon, ca la arderea completa.

Negrul de fum se poate obtine si prin reactia de descompunere a metanului in elemente:

CH₄ C + 2 H₂

Negrul de fum se poate ob'ine ;I prin arderea incompleta a hidrocarburilor; materia prima este furnizata fie de gazele naturale, fie de unele produse petroliere. In functie de metoda de preparare a negrului de fum se disting trei tipuri principale de furnal, de canal si termic (de disociere). Uneori se foloseste un al patrulea tip de negru de fum, provenit prin descompunerea acetilenei.

De regula, continutul de carbon depaseste 98% la toate tipurile de negru de fum, furnal si termic si 95% pentru negrul de fum de canal.

Principalele caracteristici ale negrului de fum sunt dimensionarea medie a particulelor (si deci suprafata acestora), forma suprafetei, structura si activitatea fizico-chimica superficiala. Cu cat negrul de fum va fi mai fin divizat, cu cat acesta reflecta o cantitate mai mica de lumina si este deci mai negru. Este de remarcat ca, pe masura ce scade dimensiunea particulelor unei pulberi, suprafata sa specifica creste foarte mult. Daca suprafata particulelor este poroasa, atunci suprafata superficiala este mai mare decat cea care arrezulta daca particulele ar avea forma sferica.

2. Clasificarea negrului de fum

Clasificarea negrului de fum are la baza procedeul de obtinere, dimensiunile si structura particulelor, pH-ul ca si proprietatile amestecurilor negrul de fum-cauciuc. In tabelul 1 se prezinta standardizarea internationala a negrului de fum.

Standardizarea internationala a negrului de fum

Calitatile tipurilor de negru de fum pot fi prezentate succinct astfel:

MT- negrul de fum termic mediu este foarte ieftin si se iibuteliaza ca material de umplutura foarte slab active, mai ales in amestecuri de cauciuc de volum mare, in amestecuri de cauciuc cu polietilena, in amestecuri unde este necesara reyistenta la incarcaturi mari.

FT- negrul de fum termic fin este un material de umplutura excellent pentru neoprene, cu o duritate cuprinsa intre 40 si 80 Sh, se foloseste in articole unde rezistenta la compresie este esebtiala, in foile de amestec pe suport textile obtinandu-se produse flexibile si rezistente. Deasemenea are utilizare la incaltaminte, izolarea cablurilor si sarmelor, in amestecuri reuistente la ulei.

SRF- negrul de fum de furnal semiranforsant este folosit pentru o gama mare de articole din cauciuc, in campoztiile degumarea cordului si izolarea sarmei pentru talon, destinate fabricarii anvelopelor.

GRF- negrul de fum de uz general are aplicatii multilaterale. Se recomanda in compozitii de carcasa, breker si flancuri ale anvelopelor si la articole din cauciuc care lucreaza la solicitari dinamice. Se mai utilizeaza la piese mecanice realiyate prin extrudere si calandrare, incaltaminte, cabluri, curele pentru viteye mari si de transport.

HMF- negrul de fum ridicat se caracterizeaza prin cost redus, o prelucrare usoara, contractie mica si proprietati fizice convenabile. Ofera rezilienta si o rezistenta la rupere prin indoire, precum si acumulare redusa de caldura. Se recomanda pentru compozitii de gumare a cordului pentru anvelope, la fabricarea camerelor de aer, cabluri, incaltaminte, sarmei pentru talon destinate fabricarii anvelopelor.

FF- negrul de fum fin de furnal are o utilizare restransa si se recomanda in amestecuri pe baza de cauciuc natural pentru articole din cauciuc cu destinatii speciale.

FEF- negrul de fum de extrudere rapida este folosit pentru majoritatea articolelor de cauciuc ale caror dimensiuni la operatiile de extrudere si formare trebuie sa se mentina.

Se recomanda in unele cazuri impreuna cu ARF pentru amestecuri de carcasa deasa la anvelope de camion unde mentine o temperatuta scazuta a flancurilor si confera o buna rezistenta la flexiuni si temperature ridicate. Acest tip de negru de fum se mai foloseste in mod satisfacator in amestecurile pentru camere de aer din cauciuc butilic, datorita unei bune reziliente, pentru prelucrarea usoara la dimensiuni stabile si reducerea acumularii de caldura. Confera produselor o suprafata neteda si lucioasa si permite obtinerea de profilate fine cu muchii ascutite, suplet si flexibilitate.

HAF- care este un intermediar in ce priveste rezistenta la abraziune si la fisurare, se recomanda pentru banda de rulare a anvelopelor, in benzi transportoare si in alte produse.

SAF- negrul de fum cu rezistenta superioara la abraziune, dupa cum arata si denumirea, confera amestecurilor de cauciuc cea mai buna rezistenta la abrayiune si de aceea se utilizeaza mai ales in banda de rulare a anvelopelor. De asemenea se mai poate folosi la curele trapezoidale si la alte produse carora li se cere o rezistenta la abraziune in conditii grele de serviciu.

EPC- negrul de fum de canal se prelucreaza usor si MPC - negru de fum de canal cu prelucrare medie confera compozitiilor de cauciuc o rezistenta la tractiune si alungire corespunzatoare. Aceste tipuri de negru de fum au aplicatii la benzile de rulare pentru anvelope din cauciuc natural, de exemplu cele utilizate pe drumuri si in terenuri accidentate unde rezistenta la abraziune, taiere, sfasiere si acumulare de caldura sunt indinspesabile. Se recomanda de asemenea in compoyitiile de gumare a cordului metallic.

CC- negrul de fum de canal conductive si CF- negru de fum de furnal conductive cu aplicatii la piese de cauciuc unde este necesara o buna conductibilitate termica.

Industria negrului de fum se deyvolta mai ales pe tipurile de negru de fum de furnal, deoarece cel de canal este foarte costisitor, se obtine prin procedee invechite cu rabdamente mici si mai ales nu are o utileyare corespunyatoare in cazul compozitiilor de cauciuc pe baza de cauciucuri sintetice.

3. Caracteristicile negrului de fum

Particulele de negru de fum se prezinta intr-o gama foarte larga in ceea ce priveste dimensiunile si agregarea lor. Diametrul particulei de negru de fum poate varia de la 10 la 500μm, dupa tipul acestuia. Diametrul se poate masura direct la microscopul electric, cu care se poate calcula apoi diametrul mediu arithmetic dupa formula:

unde:

n_i- numarul particulelor cu diametrul d_i

n- numarul total al particulelor luate in calcul.

Suprafata se poate determina in mai multe moduri. Prin calcul, plecandu-se de la diametrul masurat la microscopul electronic se poate afla suprafata specifica folosind formula m²/g, unde D reprezinta diametrul particulei in μm si 1,86 densitatea negrului de fum, in g/cm³.

Continutul in hidrogen si oxigen caracterizeaza de asemenea negrul de fum si comportarea acestuia in procesul de amestecare. In conditiile fabricarii negrului de fum, la temperature foarte mari, are loc o dehidrogenare a hidrocarburilor si apoi a particulelor de negru de fum ce se formeaza. DE aceea relatia timp-temperatura si natura cambustibilului sunt importanti in determinarea continutului in hydrogen. Cu privire la continutul in hydrogen se poate aprecia negrul de fum ca fiind un intermediar intre hidricarburi aromatice policondensate si grafit, primele reactionand cu oxigenul si radicalii liberi, iar grafitul fiind foarte nereactiv.

Atomii de hidrogen sunt distribuiti peste tot pe suprafata si interiorul particulelor de negru de fum , majoritatea fiind atasati la muchiile cristalelor sau atomii de carbon neorganizati. In felul acesta, atomii de hidrogen satisfac o parte din valentele libere intr-o masura in care cazul tipurilor de negru de fum cu un continut ridicat in hidrogen si mai putin in cazul negrului de fum de acetilena si a altor tipuri de negru de fum de structura inalta.

Continutul in oxigen al negrului de fum este determinat prin suprafata specifica, si prin anumite conditii la care a fost supusa in cursul formarii si ulterior. Se cunoaste ca circa 25% din oxigen se gaseste sub forma de combinatii chinonice, acesta influentand intr-o oarecare masura procesul de vulcanizare a compozitiilor de cauciuc. Circa 8% din ozigenul de pe suprafata negrului de fum este asociat cu hidrogen activ, sub forma grupelor carbozilice si fenolice.

Structura negrului de fum reprezinta una dintre cele mai importante caracteristici ale acestuia, prin care se intelege tendinta spre a se aglomera sub forma unor agregate. Agregatele formate din particule primare sau chiar asocieri mai avansate ale particulelor primare, asa-numita strucura secundara, in care reactioneaza fortele de legatura Van der Waals.

Asocierea particulelor de negru de fum in lanturi sau retele, sub forma agregatelor, care caracterizeaza si gradul de structura, da indicatii asupra prelucrabilitatii compozitiilor de cauciuc, ceea ce are o mare insemnatate la stabilirea retelelor de fabricatie care sa conduca la produse cu caracteristici tehnico- economice superioare.

4.Utilizari ale negrului de fum

Negrul de fum se utilizeaza in industria de lacuri si vopsele, ca agent de colorare pentru plasticuri, la obtinerea cernelurilor tipografice, a hartiei, in industria cauciucului, la obtinerea grafitului de mare puritate si este un ingredient pretios pentru fabricarea anvelopelor de automobile. De asemenea, el poate asigura conductivitatea electrica si termica a unui compozit polimeric.

In functie de aplicatie, sortul si producatorul trebuie selectati cu grija, in scopul abtinerii unei performante optime.

Pe piata exista diferite tipuri comerciale de negru de fum. Diferentele include marimea particulelor, distributia marimii particulelor, suprafata specifica, structura suprafetei, gradul de aglomerare, continutul de umuditate si impuritati precum metale, sulf, oxigen si hidrogen. Aceste diferente sunt datorate, de fapt, naturii materiei prime si metodelor de fabricatie utilizate in producerea diferitelor sorturi de negru de fum.

Rolul negrului de fum in amestecuri de cauciuc este complez. In general, se considera ca amestecurile cauciuc-sarja este necesar ca ingredientul sa fie compatibil cu polimerul; cu alte cuvinte cauciucul trebuie s[ umecteze suprafata particulei de ingrediente. In cauciuc si negrul de fum se stabilesc forte diferite, la interfata actioneaza fote de tensiune interfaciala. Tocmai pentru a imunatati contactul negrul de fum-polimer, se utilizeaza plastifianti polari de tipul acidului stearic, acizilor grasi sintetici etc. care usureaza fenomenul de umectare.

In tabelul 2 se prezinta diferite sorturi de negru de fum fabricate in Romania.

Cu cat dimensiunea particulelor este mai mica, cu atat suprafata de contact ingredient-polimer este mai mare, iar sistemul mai stabil si mai rezistent din punct de vedere mecanic.

In toate amestecurile de cauciuc, negrul de fum are un efect de ranforsare; acest fenomen poate fi pus in evidenta prin cresterea vascozitatii Mooney odata cu sporirea continutului de negru de fum.

Desi se considera in general ca interactiunile negru de fum-caiciuc sunt de natura fiyica, se constata ca tipul de negru de fum influenteaza modul in care decurge procesul de vulcanizare;acest fenomen poate fi considerat un argument pentru faptul ca negrul de fum interactioneaza chimic cu sistemul de vulcanizare(sulf si acceleratori).