Noir de carbone est un noir amorphe poudre composé de carbone. Il est principalement produit par combustion incomplète ou craquage thermique de matière organique (telle que le gaz naturel, le pétrole lourd, le goudron de houille, etc.) dans des conditions d'air insuffisant. Ses particules sont extrêmement fines, et la taille des particules se situe généralement entre 5 nanomètres et 500 nanomètres. Il possède une grande surface spécifique (10-3000 m²/g) et une structure d'agrégats en chaîne ou en grappes unique. Le noir de carbone est largement utilisé dans le caoutchouc, les plastiques, les encres, les revêtements et d'autres domaines industriels en raison de sa forte teneur en carbone (plus de 95%) et d'une faible quantité d'oxygène, d'hydrogène, de soufre et d'autres éléments.
Propriétés de base du noir de carbone
Les principales propriétés du noir de carbone sont la taille des particules, la structure et les propriétés de surface. Elles ont une influence importante sur les propriétés de traitement et l'effet de renforcement du caoutchouc.
Taille des particules
La taille des particules de noir de carbone fait référence à la taille des particules primaires. La taille moyenne des particules de noir de carbone pour le caoutchouc se situe généralement entre 11 et 500 nanomètres. Plus la taille des particules est petite, plus la surface spécifique est grande, plus la zone de contact entre le noir de carbone et le caoutchouc est importante, et plus il y a de points actifs. Cela renforce sa capacité de liaison chimique et d'adsorption physique, améliorant ainsi l'effet de renforcement. La taille des particules est influencée par le procédé de fabrication. Par exemple, dans la méthode du four à huile, plus le degré d'atomisation est élevé, plus la température du four est haute, plus le rapport air-huile est grand, et plus la vitesse du flux d'air est rapide, plus les particules de noir de carbone sont petites.
Structure
La structure du noir de carbone fait référence à la complexité de la structure primaire, c'est-à-dire à l'agrégat spatial formé par des liaisons chimiques entre les particules primaires. La structure primaire est stable et constitue l'unité dispersée la plus petite dans le caoutchouc. Plusieurs structures primaires s'agrègent davantage pour former des structures secondaires via des forces de Van der Waals, mais sont facilement détruites par des forces de cisaillement lors du traitement. Plus la structure est complexe, avec plus de branches et de vides internes, plus son effet d'absorption et de rétention sur le caoutchouc est fort, et meilleure est la performance de renforcement.
Propriétés de surface
Les propriétés de surface du noir de carbone incluent la rugosité de surface et les propriétés chimiques. Des micropores à l'échelle nanométrique existent souvent à la surface des particules, ce qui réduit la surface de contact effective et affecte l'effet de renforcement. En général, la surface du noir de carbone à canal est la plus rugueuse, tandis que celle du noir de carbone à four et de craquage thermique est plus lisse. La rugosité peut être mesurée par microscopie électronique ou adsorption d'azote.
Les propriétés chimiques de surface du noir de carbone proviennent principalement de ses groupes fonctionnels contenant de l'oxygène (tels que carboxyle, hydroxyle, phénolique, quinone, lactone) et des radicaux libres. Ces structures lui confèrent une certaine activité chimique et renforcent sa capacité de liaison avec le caoutchouc. Plus l'activité chimique est forte, plus l'effet de renforcement du noir de carbone est évident. La composition élémentaire du noir de carbone est principalement du carbone (90-99%), contenant une petite quantité d'oxygène, d'hydrogène, de soufre et de cendres, et possède des caractéristiques structurales aromatiques.
Cinq caractéristiques du noir de carbone
Effet de renforcement : Il peut améliorer la résistance à la traction, la résistance à l'usure et la résistance au vieillissement du caoutchouc. Le noir de carbone représente 20-70% dans les pneus ;
Performance en coloration : Il possède une forte noirceur et une résistance aux intempéries élevée. C'est le pigment noir principal des encres et des revêtements ;
Protection contre les ultraviolets : Il absorbe les radiations ultraviolettes et est utilisé dans les plastiques et les revêtements pour prolonger la durée de vie des produits ;
Conductivité et conductivité thermique: La conductivité du noir de carbone d'acétylène est proche de celle du graphite. La conductivité thermique du caoutchouc contenant du noir de carbone est considérablement améliorée ;
Adsorption environnementale : La grande surface spécifique lui permet de jouer un rôle d'adsorption dans la purification des gaz résiduaires et le traitement de l'eau
Domaines d'application diversifiés du noir de carbone
- Industrie du caoutchouc (application principale)
Fabrication de pneus : améliorer la résistance à l'usure, réduire la résistance au roulement, les pneus haute performance ont une teneur plus élevée en noirs de carbone.
Matériaux d'étanchéité : renforcer la résistance à haute température et la performance anti-âge, utilisés dans l'aérospatiale et les domaines mécaniques. - Plastiques et revêtements
Modification des plastiques : coloration, antistatique, protection UV, souvent ajoutés sous forme de masterbatch.
Amélioration des revêtements : améliorer la noirceur, la résistance à la corrosion chimique et l'adhérence.
- Encres et électronique
Encre d'imprimerie : le pigment noir de carbone détermine la noirceur de l'encre et la qualité d'impression.
Produits électroniques : utilisés pour la couche anti-reflet des écrans et l'agent conducteur des batteries.
- Protection de l'environnement et énergie
Adsorbant : traitement des gaz résiduaires organiques et des eaux usées contenant des métaux lourds.
Technologie des batteries : en tant que matériau conducteur pour électrodes afin d'améliorer la durée de vie en cycle.
- Domaines spécialisés
Produits en silicone : renforcer la résistance à la traction des fibres et la durabilité des matériaux d'étanchéité.
Militaire et aérospatial : composants d'étanchéité et conducteurs résistants aux environnements extrêmes
Conclusion
Les noirs de carbone jouent un rôle essentiel dans diverses industries en raison de leurs propriétés exceptionnelles de renforcement, de coloration et de conduction. La taille de leurs particules, leur structure et leurs caractéristiques de surface impactent directement la performance des produits, ce qui en fait un additif indispensable dans le caoutchouc, les plastiques, les revêtements, et au-delà.
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