Cuando se mira de forma casual, el negro de humo se parece mucho al hollín y, en cierto sentido, eso es lo que es. El hollín también está compuesto en su mayor parte por carbono, resultante de la combustión parcial de materia basada en el carbono. En su forma más pura, el negro de humo existe como un polvo fino compuesto casi exclusivamente de carbono. El negro de humo es un componente vital en muchos productos de uso cotidiano, que se produce al encender petróleo de baja calidad, gas natural u otros tipos de residuos basados en el carbono, y luego se calienta a altas temperaturas bajo un proceso controlado.
¿Cuál es la historia del negro de humo?
Los antiguos habitantes de China y Egipto mezclaban el hollín con alquitrán, aceites vegetales o resinas para crear tintes y tintas. Los antiguos griegos, y más tarde los romanos a mayor escala, utilizaban hornos revestidos de ladrillos para fabricar grandes cantidades de negro de humo, que utilizaban para decorar las paredes. Este fue el precursor del proceso de negro de humo para fabricar negro de humo.
Con la invención, a mediados del siglo XIV, de la imprenta en Alemania, el negro de humo se convirtió en un ingrediente de la tinta de imprenta. Utilizando resina de pino de la Selva Negra, la zona se convirtió en el epicentro de una próspera industria de producción de negro de humo. La demanda de negro de humo aumentó aún más con la invención de la tipografía, ya que su consistencia se adaptaba mejor a la nueva tecnología que las tintas más viscosas.
Durante la revolución industrial, la fácil disponibilidad del alquitrán de hulla hizo posible la producción en masa de negro de humo. Sin embargo, las técnicas seguían siendo prácticamente las mismas que se utilizaban en la antigua Roma. A mediados del siglo XIX, la fabricación de negro de humo empezó a utilizar sistemas de filtrado, lo que hizo que el proceso fuera más respetuoso con el medio ambiente. Al mismo tiempo, en Norteamérica se desarrolló un método que utilizaba gas natural como materia prima. Las plantas de cocción en Estados Unidos se diseñaron para aprovechar los abundantes suministros de gas natural producidos por la extracción de petróleo, y las plantas de cocción se convirtieron en operaciones móviles que se trasladaban a otro pozo una vez que el gas de uno se agotaba.
El negro de humo fabricado de este modo se conoce como negro de canal. El mercado creció espectacularmente cuando la industria descubrió que podía reforzar el caucho, mientras que la incipiente industria automovilística descubrió que las partículas más finas de este nuevo proceso aumentaban la longevidad de los neumáticos. Mientras tanto, la falta de gas natural en Europa hizo que se utilizara el alquitrán de hulla, conocido como el método del "negro de gas". Desde entonces, los fabricantes han desarrollado varios grados de negro de humo, cada uno con propiedades ligeramente diferentes.
¿Para qué se utiliza ahora el negro de humo?
El descubrimiento de las propiedades de refuerzo del negro de humo se produjo por accidente. Anteriormente, los fabricantes utilizaban óxido de zinc para eliminar la pegajosidad que se producía de forma natural en el caucho. El negro de humo no sólo reducía las tendencias adhesivas del caucho, sino que también ayudaba a reforzarlo, lo que daba lugar a neumáticos más duraderos. A principios de la década de 1920, el negro de humo se convirtió en el principal medio para reforzar los neumáticos de los coches.
También se hizo cada vez más evidente que las técnicas de procesamiento podían alterar las propiedades de los materiales con los que se combinaba el negro de humo. Esto dio lugar a nuevas clasificaciones del negro de humo, como los negros MPC (canal de procesamiento medio) y HAF (horno de alta abrasión). Las diferentes iteraciones de negro de humo dieron lugar a neumáticos con menor resistencia a la rodadura, lo que minimizó la fricción y aumentó la eficiencia del combustible.
Propiedades: ¿Qué es el negro de humo?
Los fabricantes utilizan procesos muy controlados para producir un negro de humo diseñado para tener determinadas propiedades. La forma en que se unen estos agregados de carbono determina las propiedades físicas, ópticas y eléctricas del material.
Las aplicaciones del negro de humo dependen de las siguientes propiedades fundamentales:
- El tamaño de las partículas influye tanto en la coloración como en las propiedades del caucho, ya que las partículas más pequeñas ofrecen mayor conductividad y viscosidad, mayor capacidad de resistencia a la intemperie, mayor refuerzo, mayor resistencia a la tracción y mayor resistencia a la abrasión.
- La permeabilidad puede controlarse durante la producción, con negros de humo que son muy porosos, lo que aumenta la resistencia y la conductividad eléctrica en el material con el que se combina.
- La forma física del negro de humo, ya sea en grano o en polvo, afecta a su manipulación y mezcla, ya que los negros en grano requieren menos polvo, mayores densidades a granel y capacidad de manipulación a granel.
- La estructura se refiere a la forma y al modo en que las partículas de carbono se ramifican al formar agregados. Una mayor viscosidad, una dispersión más fácil y una mejor conductividad eléctrica son el resultado de un material mezclado con partículas de carbono muy estructuradas.
- La actividad o química de la superficie implica su exposición al calor. Generalmente se trata de superficies oxidadas, que mejoran la reología, la humectación, la dispersión y el rendimiento general del material. También afecta a la resistencia a la abrasión, el módulo, la resistencia a la tracción y otras características físicas del caucho.
¿Cuál es la principal propiedad física del negro de humo?
La industria del caucho utiliza hoy en día la mayor parte del negro de humo para aumentar su rendimiento. El negro de humo se utiliza con el caucho natural y los elastómeros sintéticos; el negro de humo actúa como reforzador, fortaleciendo el material. Esto implica mezclar el negro de humo con elastómeros y azufre, junto con múltiples aceites de procesamiento y productos químicos. A continuación, se calientan para producir una gran variedad de productos.
Ofrece las siguientes ventajas tanto para los elastómeros naturales como para los sintéticos:
- Agente de refuerzo económico
- Mejora la resistencia del material
- Evita que el material se rompa
- Promueve la conductividad
- Refuerza el material
Debido a su importancia dentro de la industria del caucho, a menudo se le denomina negro de humo de caucho.
¿Cuál es la propiedad de conductividad eléctrica del negro de humo?
La conductividad eléctrica suele medirse sólo para los compuestos que contienen negro de humo. Estos polímeros y otros aglutinantes tienen una mayor conductividad eléctrica cuando se mezclan con el negro de humo. La conductividad depende de la concentración y dispersión del negro de humo en la mezcla, así como del tipo de materiales con los que se combina. El negro de humo también controla las cargas estáticas, por lo que los polímeros utilizados para aislar el cableado suelen utilizar negros de humo especiales.
¿Cuáles son las propiedades ópticas del negro de humo?
Aunque se utiliza principalmente para reforzar el caucho, el negro de humo tiene varias propiedades visuales, lo que lo hace esencial como material de revestimiento y pigmento. También se sigue utilizando en la industria de la impresión y en otras aplicaciones especializadas. Las partículas finas de negro de humo se utilizan en las pinturas, incluso como ingrediente clave en los colores negro intenso para colorear polímeros.
En comparación con los colorantes orgánicos negros, los negros de humo especiales tienen las siguientes ventajas:
- Mantiene los colores estables
- Oculta las superficies sobre las que se aplica
- Resistente a disolventes, ácidos y sustancias alcalinas
- Estable cuando se expone al calor
Muchos pigmentos negros y pinturas con subtonos azulados utilizan negros de humo fabricados con partículas más finas por su atractivo visual dentro de la industria del automóvil. Los negros de humo más gruesos se utilizan habitualmente para las pinturas con subtonos marrones, proporcionando un tono grisáceo.
¿Cuál es la capacidad de bloqueo de los rayos UV del negro de humo?
Otra de las principales ventajas del negro de humo es su capacidad para absorber la luz ultravioleta (UV) del sol, que luego convierte en calor. Utilizado con polímeros como el polietileno o el polipropileno, evita que se degraden cuando se exponen a la radiación UV de la luz solar.
¿Para qué se utiliza el negro de humo?
La industria del caucho utiliza más del 90% de la producción mundial de negro de humo. Aunque se utiliza principalmente para reforzar los neumáticos, sus propiedades lo convierten en un ingrediente importante en una amplia variedad de materiales como agente conductor o aislante, pigmento y estabilizador de rayos UV. Las propiedades fundamentales del negro de humo dentro de los elastómeros, sobre todo cuando se trata de neumáticos, se determinan en función del tamaño de las partículas, la actividad superficial y la forma en que se forman los agregados.
El negro de humo se utiliza en:
- Cintas transportadoras
- Productos industriales de caucho
- Aislamiento de cables y conductos
- Productos mecánicos de caucho
- Techos de membrana
- Pinturas para vehículos de motor
- Pigmentos para la industria gráfica
- Tintas de impresión
- Sellos, correas, juntas y mangueras en motores de combustión interna
- Componentes de los neumáticos, como las bandas de rodadura, los flancos y el revestimiento interior
- Neumáticos del vehículo
Cuando se utilizan para componentes industriales y mecánicos, los negros de humo modernos se valoran por su capacidad de dispersión eficaz, su fiabilidad durante el procesamiento y su calidad constante. Sus propiedades de aislamiento eléctrico lo convierten en un ingrediente importante para el cableado aislante en las industrias eléctrica y de la construcción, incluida la mejora de las propiedades de aislamiento del poliestireno.
El tratamiento posterior de los aglutinantes con negro de humo también mejora las propiedades de la tinta, y sigue siendo un ingrediente importante para la impresión sin impacto. Los negros de humo también se utilizan en otras industrias de revestimientos, construcción, fibra, pintura, papel, plásticos e impresión.
Procesamiento del negro de humo
El principal equipo utilizado para procesar el negro de humo es el reactor en el que se cuece, con ajustes en las condiciones que producen diferentes grados. Las temperaturas, los caudales, el tiempo de permanencia en el reactor y su diseño afectan a las características físicas del producto final.
Un proceso típico de negro de humo sigue este camino:
- El aire precalentado y la materia prima (gas natural, petróleo u otro combustible a base de carbono) se introducen en el reactor en cantidades estrictamente reguladas.
- La materia prima y el aire reaccionan hasta que los hidrocarburos se queman parcialmente, se descomponen por el calor, se nuclean y se agregan, un proceso que dura aproximadamente una centésima de segundo.
- A continuación, se inyecta agua para reducir la temperatura y detener las reacciones del "humo" al salir del reactor.
- Esta corriente de "humo" pasa a un filtro de mangas, donde el negro de humo se separa del gas de cola del reactor, con filtros que capturan el negro de humo y lo envían a un tanque acumulador.
- A continuación, se forman gránulos mezclando un agente aglutinante con agua al negro de humo en polvo.
- A continuación, estos gránulos se secan en un secador rotatorio, lo que aumenta su densidad aparente y facilita su transporte.
- A continuación, los gránulos de negro de humo se empaquetan y se envían a los usuarios finales.
¿Cuál es la gama de tamaños de partículas comercializables del negro de humo?
Las partículas de carbono pueden variar según la química de la superficie, el tamaño de las partículas y los agregados, la forma y la permeabilidad con el negro de humo producido comercialmente. Normalmente, el negro de humo está compuesto por más del 95 por ciento de carbono, con trazas de hidrógeno, nitrógeno y oxígeno. Durante el proceso de fabricación, las partículas de negro de humo se forman en tamaños que van de 10 a 500 nanómetros. A continuación, estas partículas se unen en cadenas de agregados, cuya estructura determina el grado de negro de humo, y el producto final puede ser en polvo o granulado.
Uso de la clasificación del aire en la producción de negro de humo
Durante el proceso de fabricación, se forman impurezas conocidas como "arenilla" dentro del negro de humo utilizable. Estas impurezas tienen un tamaño varias veces superior al del negro de humo agregado. En lo que respecta a la fabricación de neumáticos, si estas impurezas no se eliminan del negro de humo utilizable, afectará negativamente a la calidad del producto final.
Debido a este factor, los molinos de alta velocidad y clasificadores de aire han logrado alcanzar niveles de grano más bajos. Cuando uso de la clasificación por aire para eliminar la arenilla, la construcción del clasificador es esencial, ya que el negro de humo tiene una baja densidad aparente, por lo que no puede utilizar configuraciones estándar de alimentación por la parte inferior. En su lugar, es necesario alimentar los materiales desde la parte superior del clasificador y, una vez clasificados y separados, los polvos finos resultantes pueden venderse como un negro de humo de mayor calidad, mientras que el material más grueso puede volver a molerse o venderse como un grado inferior.
