Dans l'industrie du caoutchouc et de nombreux domaines de la science des matériaux, une substance appelée noir de carbone blanc joue un rôle important. Beaucoup de personnes savent peut-être que la poudre de silice blanche est communément appelée noir de carbone blanc. Mais comment a-t-elle obtenu ce nom ? Pour répondre à cela, il faut examiner sa relation avec le noir de carbone.
La compréhension du noir de carbone a une longue histoire. Il y a plus de 3 000 ans, les gens maîtrisaient déjà la technique de brûler de la fumée pour fabriquer de l'encre. Cependant, la technologie de production du noir de carbone a progressé lentement pendant longtemps. Ce n’est qu’en 1872 que l’industrie du noir de carbone a commencé la production à grande échelle, et le terme « Noir de Carbone » est entré en usage.
En 1912, l’effet de renforcement du noir de carbone sur le caoutchouc a été découvert, en particulier sa capacité à améliorer significativement la résistance à l’usure des pneus. Cela a entraîné une augmentation de la demande pour le noir de carbone, en faisant un matériau indispensable dans l’industrie du caoutchouc. Pendant la Première Guerre mondiale, il y a eu une pénurie de matériaux énergétiques pour la production de noir de carbone.
L’Allemagne a commencé à utiliser de la silice blanche précipitée comme substitut. Cette silice amorphe blanche possède des propriétés et des usages similaires à ceux des noirs de carbone.
C’est pourquoi elle est appelée noir de carbone blanc.
Avec le développement rapide des industries automobile et des transports, et la hausse des coûts des matières premières pour le noir de carbone, la demande en économies d’énergie et en réduction des émissions a augmenté. En conséquence, le rôle du noir de carbone blanc en tant que matériau de renforcement dans l’industrie du caoutchouc est devenu plus important.
Aujourd’hui, les noirs de carbone blancs peuvent remplacer complètement le noir de carbone pour le renforcement dans les produits en caoutchouc colorés. Il répond au besoin de produits blancs ou translucides, et fonctionne exceptionnellement bien dans la fabrication de pneus « verts » pour voitures et pneus d’hiver. Il aide les pneus à atteindre une résistance au roulement plus faible et une meilleure traction, améliorant ainsi l’efficacité énergétique.
Méthode de préparation du noir de carbone blanc
Il existe de nombreuses méthodes pour préparer la silice, principalement divisées en méthode de précipitation et méthode de phase gazeuse.
Le noir de carbone blanc précipité est généralement produit par une réaction de précipitation de neutralisation entre des silicates (généralement le métasilicate de sodium) et des acides inorganiques (typiquement l’acide sulfurique) pour produire de la silice hydratée.
Sa taille de particule est d’environ 20-40 nm, avec une pureté inférieure et des propriétés de renforcement plus faibles comparé à la silice fumée. Les propriétés diélectriques du composé de caoutchouc, surtout après exposition à l’humidité, sont également moins bonnes. Cependant, il est moins cher et possède de meilleures performances de traitement. Il peut être utilisé seul dans des caoutchoucs généraux comme le NR et le SBR, ou mélangé avec du noir de carbone pour améliorer la résistance du caoutchouc à la fissuration par flexion, ralentissant la croissance des fissures. La silice fumée, quant à elle, est produite par décomposition thermique des halogénures de polysilicic (SiClx) à haute température, par réaction en phase vapeur. Elle est également connue sous le nom de calcination ou méthode sèche de production du noir de carbone blanc.
Méthode sèche noir de carbone blanc a une taille de particule extrêmement petite, d’environ 15-25 nm, avec une haute dispersibilité et peu d’impuretés. Elle offre de bonnes propriétés de renforcement, mais sa préparation est complexe et coûteuse. Elle est principalement utilisée dans le caoutchouc de silicone, produisant des produits transparents ou translucides. Ces produits ont de bonnes propriétés physiques, mécaniques et diélectriques, avec une excellente résistance à l’eau.
Structure du noir de carbone blanc
Structurally, about 95-99% of white carbon black is composed of SiO₂. La structure des noirs de carbone blancs varie selon la méthode de préparation. La silice fumée possède une structure interne presque entièrement composée d’un réseau de silicate tridimensionnel étroitement empaqueté. Cette structure entraîne une faible absorption d’humidité, une adsorption de surface forte et d’excellentes propriétés de renforcement. En revanche, la silice précipitée, en plus de former une structure de silicate tridimensionnelle, conserve également une quantité importante de structures de silicate bidimensionnelles. Cela rend la structure plus poreuse, avec de nombreuses structures capillaires, ce qui la rend plus susceptible d’absorber l’humidité, réduisant ainsi son activité de renforcement.
Les particules de base du noir de carbone blanc sont sphériques. Lors de la production, ces particules entrent en collision à haute température pour former des structures en chaîne reliées par des liaisons chimiques. Les structures en chaîne sont ensuite reliées par des liaisons hydrogène pour former des agrégats secondaires. Ces agrégats se brisent facilement lors du processus de mélange.
Propriétés chimiques de surface de la silice
Sa surface contient des groupes hydroxyles adjacents, des groupes hydroxyles isolés et des groupes dihydroxyles. La silice fumée possède plus de groupes hydroxyles de surface que la silice précipitée, qui sont difficiles à éliminer à des températures plus élevées. Ces groupes de surface sont réactifs, comprenant des réactions de déshydratation et d'hydrolyse, des réactions avec des chlorures d'acyle, des réactions avec de l'hydrogène actif, et la formation de liaisons hydrogène. La surface du noir de carbone blanc possède une forte activité d'adsorption chimique, qui est liée à ses groupes hydroxyles de surface.
Elle peut se lier à l'eau par des liaisons hydrogène, formant une adsorption multilayer. De plus, elle peut adsorber de nombreuses petites molécules organiques. Les amines ou alcools avec plusieurs groupes fonctionnels ont une adsorption plus élevée que ceux avec un seul groupe fonctionnel. Par conséquent, dans les composés de SiO₂, des agents multifonctionnels comme l'éthanolamine, le glycole d'éthylène et la triéthanolamine sont souvent utilisés comme activateurs. Lorsqu'on chauffe le noir de carbone blanc, l'humidité est libérée. La majorité de l'humidité est libérée entre 150-200°C.
Après 200°C, le taux de libération ralentit, avec un point de retournement clair. Avant ce point, l'eau adsorbée est désorbé. Après ce point, les groupes hydroxyles de surface subissent des réactions de condensation. Il existe deux façons d'empêcher la structuration. L'une consiste à ajouter lors du mélange des substances pouvant réagir avec les groupes hydroxyles de surface du noir de carbone blanc, comme le siloxane hydroxylé, le diphénylsilane glycol ou la silazane. L'autre consiste à pré-modifier la surface du noir de carbone blanc en éliminant une partie des groupes hydroxyles de surface.
Effet de renforcement sur le caoutchouc silicone
Le noir de carbone blanc est un agent de renforcement blanc avec des propriétés de renforcement second seulement au noir de carbone de four. Le caoutchouc vulcanisé avec une certaine quantité de noir de carbone blanc possède une résistance plus élevée. Il présente également une plus grande élasticité, une résistance à la déchirure plus élevée, une dureté supérieure et une meilleure isolation.
En général, le noir de carbone et le noir de carbone blanc sont utilisés ensemble pour de meilleures performances globales. Cependant, le noir de carbone blanc présente encore des problèmes de traitement, d'électricité statique et de coût. Sa voie de développement se concentre sur une dispersibilité accrue, un raffinage, une granulation et une modification de surface. Ces améliorations visent à renforcer son rôle dans les domaines des matériaux.
Conclusion
Le noir de carbone blanc, avec ses avantages uniques, s'est profondément intégré dans l'industrie du caoutchouc. De l'amélioration des performances des produits à la stimulation de l'innovation technologique et à l'expansion des limites d'application, sa valeur est inestimable.
Il n'est pas seulement un additif clé pour améliorer la performance du caoutchouc, mais aussi un moteur important du développement et de l'innovation de l'industrie.
Il occupe une position centrale indispensable dans l'industrie du caoutchouc, injectant continuellement une forte dynamique dans le secteur.
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