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.
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]
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.
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 una mejor relación 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.
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:
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]
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.
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]
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]
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]
