Tiene muchos nombres, dependiendo del proceso que lo produce: carbon black, negro de carbón, negro de humo, negro de acetileno, negro de horno o negro térmico son algunos de ellos. Pero, ¿qué es el carbon black o negro de carbón? Es una forma casi pura de carbono elemental. Se produce por la combustión incompleta de hidrocarburos principalmente de petróleo en condiciones controladas, lo que da como resultado un granulado o polvo fino con una alta relación superficie/volumen. Este material está presente en numerosos objetos utilizados en nuestra vida diaria.

Se utiliza en neumáticos, productos de caucho y plástico, tintas de impresión y pinturas, entre otros, y está relacionado con propiedades de una superficie específica, el tamaño y la estructura de las partículas, la conductividad y el color.

Según datos de la International Carbon Black Association (ICBA) el negro de carbón se encuentra en el top de los 50 productos químicos industriales fabricados en todo el mundo, según el tonelaje anual. La producción mundial actual es de aproximadamente 8,1 millones de toneladas. Un 90% del carbon black se utiliza en aplicaciones de la industria del caucho.

Un gran porcentaje del carbon black es utilizado como refuerzo enmezclas de caucho para la industria de neumáticos.La mayoría del carbon black del mundo se produce por dos métodos: negro de horno (furnace black) o negro térmico (thermal black). El negro de horno es el proceso más ampliamente utilizado para la producción de carbon black. En éste, los aceites aromáticos pesados ​​se introducen mediante una corriente de gas caliente en un horno de pirolización para formar partículas de carbono microscópicas. Éstas pueden procesarse adicionalmente para eliminar cualquier impureza. En el proceso de negro térmico se usa metano como materia prima. Un par de hornos se utilizan para alternar la producción. El metano se inyecta en un horno con revestimiento refractario donde, en ausencia de aire, el gas natural se descompone en carbon black e hidrógeno.

 Fuente de las imágenes: Guía del usuario de Negro de Carbón (ICBA).

No es hollín
El producto carbon black terminado es carbono elemental casi puro (> 97%), que lo diferencia de lo que comúnmente se conoce como “hollín”. El hollín es el material sólido residual resultante de la combustión incompleta de combustibles que contienen carbono, como el diesel y la madera. El material sólido resultante contiene algo de carbono elemental (<60%), pero también puede contener una gran cantidad de otros productos químicos, como impurezas inorgánicas y especies de carbono orgánico, incluidos los hidrocarburos aromáticos poli cíclicos (HAP). El carbon black generalmente contiene menos del 1% de compuestos orgánicos extraíbles, mientras que el hollín puede contener más del 50% de especies orgánicas, incluidas PAHs y metales.

 Fuente de la imagen: Guía del usuario de Negro de Carbón (ICBA).

En la imagen superior se muestra la secuencia de desarrollo de la estructura de negro de carbón. El nódulo esferoidal (partícula primaria) es el bloque fundamental de la estructura del negro de carbón, fuertemente fusionadas en agregados de dimensión coloidal que componen una morfología en forma de racimos. Fuerzas eléctricas poderosas mantienen la integridad del agregado y promueven la formación de aglomerados.

Vista de microscopio de barrido electrónico de un agregado típico de negrode carbón que consta de partículas primarias fusionadas (280.000 x). Fuente de la imagen: Guía del usuario de Negro de Carbón (ICBA).

Índice de Adsorción de yodo
Dependiendo del uso previsto, el negro de humo debe tener unas características particulares. El número de adsorción de yodo (IAN-Iodine Adsorption Number Test) y el área de superficie del carbon black se pueden determinar por titulación. El IAN es la cantidad de yodo que se adsorbe en una cantidad definida de negro de humo y, por tanto, determina la cantidad de sustancias volátiles o extraíbles por disolventes que pueden disminuir la relación S-V y también reducir la calidad y el valor del material base. Esto quiere decir que, por ejemplo, en presencia de especies altamente volátiles o extraíbles, el IAN disminuye e indica un mayor nivel de impurezas dentro del material de negro de carbón. Un IAN menor también puede indicar problemas en las condiciones de producción o el envejecimiento del material.

Como el negro de humo es utilizado en diversas aplicaciones en la industria del caucho, plástico y también como un pigmento en colores, implica un cierto IAN para alcanzar y mantener las propiedades físicas del producto final. Por ejemplo, la vida útil de un neumático de automóvil aumenta a medida que el carbon black mejora su resistencia a la abrasión y su estabilidad.

Los métodos estándar para la adsorción de yodo se describen en la norma estadounidense ASTM D 1510 y en la norma ISO 1304:2016. El primero, es uno de los más usados y describe dos procedimientos: uno de titulación manual y otro alternativo usando un sistema automatizado de preparación y análisis, como un valorador automático. Concretamente, el primer procedimiento (Método A) prueba una muestra pesada de carbon black que se trata con una solución estándar de yodo. El exceso de yodo se valora con una solución estandarizada de tiosulfato de sodio (sodium thiosulfate solution). El segundo procedimiento (Método B) también prueba una muestra pesada de negro de carbón tratada con una solución de yodo estandarizada. En este método, la muestra se trata usando un procesador de muestras automatizado y se somete a una titulación automática usando una solución estandarizada de tiosulfato de sodio (standardized solution of sodium thiosulfate). En ambos métodos, el yodo adsorbido se informa como una fracción de la masa total de carbon black.

Nuestra representada SPEX CertiPrep, fabricante especializado en materiales de referencia certificados, dispone de reactivos de negro de humo para la norma ASTM D1510.

REFERENCIAS

SPEX CertiPrep’s Guide to Standard Test Methods for Carbon Black Iodine Adsorption Number (ASTM D1510). SPEX CertiPrep. 2017. Documento completo disponible aquí

Carbon Black Reagents for ASTM D1510. SPEX CertiPrep 2018. Documento disponible aquí

Guía del Usuario de Negro de Carbón. Asociación Internacional de Negro de Carbón. www.carbon-black.org Documento completo aquí.

ASTM D 1510 – 08c; Standard Test Method for Carbon Black – Iodine Adsorption Number. www.astm.org

ISO 1304:2016; Rubber compounding ingredients – Carbon black – Determination of iodine adsorption number.

Crédito imágenes: Pixabay / ICBA / SPEX CertiPrep