Технический углерод (подтипы - ацетиленовая сажа , канальная сажа , топочная сажа , ламповая сажа и термическая сажа ) - это материал, получаемый в результате неполного сгорания тяжелых нефтепродуктов, таких как смола FCC , каменноугольная смола , смола крекинга этилена или растительные вещества. Технический углерод - это форма паракристаллического углерода, которая имеет высокое отношение площади поверхности к объему , хотя и более низкое, чем у активированного угля . Не похож на сажув его гораздо более высоком соотношении площади поверхности к объему и значительно более низком (незначительном и небиодоступном) содержании полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Однако технический углерод широко используется в качестве модельного соединения для дизельной сажи в экспериментах по окислению дизельного топлива. [2] [ необходим лучший источник ] Технический углерод в основном используется в качестве упрочняющего наполнителя в шинах и других резиновых изделиях. В пластмассах, красках и чернилах технический углерод используется в качестве цветного пигмента . [3] В некоторых странах, например, в ЕС, он используется в качестве пищевого красителя, если производится из растительного сырья (E153).
Имена | |
---|---|
Другие названия Ацетиленовый черный; Канал черный; Печь черная; Лампа черная; Термальный черный; CI Пигмент Черный 6 | |
Идентификаторы | |
| |
3D модель ( JSmol ) | |
ECHA InfoCard | 100.014.191 |
Номер ЕС |
|
Номер E | E152 (цвета) |
UNII | |
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| |
Характеристики | |
C | |
Молярная масса | 12,011 г · моль -1 |
Появление | Черный твердый |
Плотность | 1,8-2,1 г / см3(20 ° C) [1] |
Практически нерастворим [1] | |
Опасности | |
Смертельная доза или концентрация (LD, LC): | |
LD 50 ( средняя доза ) | > 15400 мг / кг (перорально, крыса) [1] 3000 мг / кг (кожный, кролик) [1] |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). | |
Ссылки на инфобоксы | |
Текущая оценка Международного агентства по изучению рака (IARC) такова: «Технический углерод, возможно, канцерогенен для человека ( группа 2B )». [4] Кратковременное воздействие высоких концентраций сажи может вызвать дискомфорт в верхних дыхательных путях из- за механического раздражения.
Общее использование
Чаще всего (70%) технический углерод используется в качестве пигмента и армирующей фазы в автомобильных шинах. Технический углерод также помогает отводить тепло от протектора и области ремня шины, уменьшая термическое повреждение и увеличивая срок службы шины. Около 20% мирового производства приходится на ремни, шланги и другие резиновые изделия, не относящиеся к шинам. Весы в основном используются в качестве пигмента в чернилах, покрытиях и пластмассах.
Технический углерод добавляется к полипропилену, потому что он поглощает ультрафиолетовое излучение, которое в противном случае вызывает разрушение материала. Частицы сажи также используются в некоторых материалах , поглощающих радары , в тонере для фотокопировальных машин и лазерных принтеров , а также в других чернилах и красках. Высокая способность к окрашиванию и стабильность углеродной сажи также позволили использовать ее при окрашивании смол и пленок. [5] Технический углерод использовался в различных приложениях для электроники. Технический углерод, являющийся хорошим проводником электричества, используется в качестве наполнителя при добавлении пластмасс, эластомеров, пленок, клеев и красок. [5] Он используется в качестве антистатической добавки в крышках и трубках автомобильных топливных баков.
Технический углерод растительного происхождения используется в качестве пищевого красителя, известного в Европе как добавка E153 . Он одобрен для использования в качестве добавки 153 (технический углерод или растительный углерод) в Австралии и Новой Зеландии [6], но был запрещен в США. [7] Цветной пигмент технический углерод уже много лет широко используется в упаковке продуктов питания и напитков. Он используется в многослойных бутылках для ультрапастерированного молока в США, некоторых странах Европы и Азии, а также в Южной Африке, а также в подносах для еды и мяса в Новой Зеландии, которые можно использовать в микроволновой печи.
В ходе обширного обзора технического углерода, проведенного правительством Канады в 2011 году, был сделан вывод о том, что технический углерод может и дальше использоваться в продуктах, в том числе в упаковке пищевых продуктов для потребителей, в Канаде. Это произошло потому, что «в большинстве потребительских товаров сажа связана в матрице и недоступна для воздействия, например, в качестве пигмента в пластмассах и каучуках» и «предполагается, что сажа не попадает в окружающую среду в количестве или концентрациях или ниже условия, которые представляют или могут представлять опасность в Канаде для жизни или здоровья человека ». [8]
В Австралазии цветной пигментный технический углерод в упаковке должен соответствовать требованиям ЕС или США в отношении упаковки. Если используется какой-либо краситель, он должен соответствовать европейскому частичному соглашению AP (89) 1. [9]
Общий объем производства составил около 8 100 000 метрических тонн (8 900 000 коротких тонн) в 2006 году. [10] Мировое потребление технического углерода, оцениваемое в 13,2 миллиона метрических тонн, оценивается в 13,7 миллиарда долларов США, в 2015 году ожидается на уровне 13,9 миллиона метрических тонн, оцененных в 14,4 млрд долларов США в 2016 году.
Согласно прогнозам, мировое потребление будет поддерживать CAGR (совокупный годовой темп роста) в 5,6% в период с 2016 по 2022 год, достигнув к 2022 году 19,2 млн метрических тонн на сумму 20,4 млрд долларов США [11].
Армирующий технический углерод
Наибольшее количество технического углерода используется в качестве армирующего наполнителя в резиновых изделиях, особенно в шинах. В то время как чистая резина, полученная вулканизацией стирол-бутадиена, имеет предел прочности на разрыв не более 2 МПа и незначительную стойкость к истиранию, добавление в нее 50 мас.% Углеродной сажи улучшает ее прочность на разрыв и износостойкость, как показано в таблице ниже. Он часто используется в аэрокосмической промышленности в эластомерах для компонентов контроля вибрации самолетов, таких как опоры двигателя.
Имя | Аббревиатура | ASTM Desig. | Размер частиц нм | Предел прочности при растяжении МПа | Относительное лабораторное истирание | Относительное истирание дорожного износа |
---|---|---|---|---|---|---|
Печь для сверхабразивной обработки | SAF | N110 | 20–25 | 25,2 | 1,35 | 1,25 |
Средний SAF | ISAF | N220 | 24–33 | 23,1 | 1,25 | 1,15 |
Высокая абразивная печь | HAF | N330 | 28–36 | 22,4 | 1,00 | 1,00 |
Канал простой обработки | EPC | N300 | 30–35 | 21,7 | 0,80 | 0,90 |
Быстрая экструзионная печь | FEF | N550 | 39–55 | 18,2 | 0,64 | 0,72 |
Печь с высоким модулем упругости | HMF | N660 | 49–73 | 16.1 | 0,56 | 0,66 |
Полуармированная печь | SRF | N770 | 70–96 | 14,7 | 0,48 | 0,60 |
Fine Thermal | FT | N880 | 180–200 | 12,6 | 0,22 | - |
Средний термический | MT | N990 | 250–350 | 9,8 | 0,18 | - |
Практически все резиновые изделия, для которых важны свойства растяжения и абразивного износа, используют технический углерод, поэтому они имеют черный цвет. Если физические свойства важны, но желательны другие цвета, например, белые теннисные туфли, углеродная сажа заменена осажденным или коллоидным кремнеземом . Наполнители на основе диоксида кремния также завоевывают долю рынка автомобильных шин, поскольку они обеспечивают лучший компромисс между топливной экономичностью и управляемостью на мокрой дороге за счет более низких потерь при качении. Традиционно кремнеземные наполнители обладали худшими характеристиками абразивного износа, но технология постепенно улучшалась до такой степени, что они могут соответствовать характеристикам абразивного износа сажи.
Пигмент
Технический углерод ( Color Index International , PBK-7) - это название распространенного черного пигмента, традиционно производимого из обугленных органических материалов, таких как дерево или кость. Он кажется черным, потому что отражает очень мало света в видимой части спектра с близким к нулю альбедо . Фактическое альбедо варьируется в зависимости от исходного материала и метода производства. Он известен под разными названиями, каждое из которых отражает традиционный метод производства технического углерода:
- Черный цвет слоновой кости традиционно производился путем обугливания слоновой кости или костей (см. Костяной уголь ).
- Vine черного традиционно производится обугливание обезвоженных виноградных лоз и стеблей.
- Ламповый черный традиционно производился путем сбора сажи из масляных ламп.
Все эти типы технического углерода широко использовались в качестве красок с доисторических времен. [12] Рембрандт , Вермеер , Ван Дайк , а в последнее время Сезанн , Пикассо и Мане [13] использовали пигменты сажи в своих картинах. Типичный пример - « Музыка в Тюильри » [14], где черные платья и мужские шляпы окрашены в черный цвет слоновой кости. [15]
Новые методы производства технического углерода в значительной степени вытеснили эти традиционные источники. В кустарных целях сажа, произведенная любыми способами, остается обычным явлением. [5]
Поверхность и химия поверхности
Все углеродные сажи имеют хемосорбированные кислородные комплексы (т.е. карбоксильные , хиноновые , лактоновые, фенольные группы и другие) на своей поверхности в различной степени в зависимости от условий производства. [16] Эти поверхностные кислородные группы все вместе называются летучими веществами. Он также известен как непроводящий материал из-за содержания летучих веществ.
Промышленность по производству покрытий и красок отдает предпочтение сортам сажи, которые окисляются кислотой. Кислота распыляется в высокотемпературных сушилках во время производственного процесса, чтобы изменить характерный химический состав поверхности сажи. Количество химически связанного кислорода на поверхности сажи увеличивается для улучшения эксплуатационных характеристик.
Безопасность
Канцерогенность
Технический углерод считается, возможно, канцерогенным для человека и классифицируется как канцероген Группы 2B, поскольку имеется достаточно доказательств на экспериментальных животных с недостаточными доказательствами в эпидемиологических исследованиях на людях . [4] Доказательства канцерогенности в исследованиях на животных получены в двух исследованиях хронической ингаляции и двух исследованиях интратрахеальной инстилляции на крысах, которые показали значительно повышенную частоту рака легких у подвергшихся воздействию животных. [4] Исследование ингаляций на мышах не показало значительного повышения частоты рака легких у животных, подвергшихся воздействию. [4] Эпидемиологические данные получены из трех когортных исследований рабочих, занятых в производстве технического углерода. Два исследования, проведенные в Великобритании и Германии, с участием более 1000 сотрудников в каждой исследовательской группе, показали повышенную смертность от рака легких. [4] Третье исследование более 5000 рабочих сажи в Соединенных Штатах не показало повышенной смертности. [4] Новые данные об увеличении смертности от рака легких в обновленном исследовании, проведенном в Великобритании, предполагают, что технический углерод может быть канцерогеном на поздней стадии . [17] [18] Однако более недавнее и более крупное исследование, проведенное в Германии, не подтвердило эту гипотезу. [19]
Профессиональная безопасность
Существуют строгие правила, которые гарантируют, что сотрудники, производящие технический углерод, не подвергаются риску вдыхания небезопасных доз технического углерода в необработанном виде. [20] Средства индивидуальной защиты органов дыхания рекомендуются для надлежащей защиты рабочих от вдыхания сажи. Рекомендуемый тип защиты органов дыхания зависит от концентрации используемой сажи. [21]
Люди могут подвергаться воздействию технического углерода на рабочем месте при вдыхании и контакте с кожей или глазами. Управление по охране труда и здоровья (OSHA) установило допустимый предел ( допустимый предел воздействия ) для воздействия сажи на рабочем месте на уровне 3,5 мг / м 3 в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт профессиональной безопасности и здоровья (NIOSH) установила предел Рекомендуемый экспозиции (REL) 3,5 мг / м 3 в течение 8-часового рабочего дня. При уровне 1750 мг / м 3 технический углерод сразу же опасен для жизни и здоровья . [22]
Смотрите также
- Активированный уголь
- Biochar
- Джордж Энслагер - раннее использование технического углерода в резине
- Жан-Батист Донне - пионер технического углерода
- Джозеф К. Крейчи - пионер технического углерода
- Kværner-process - добыча из углеводородов
- Список неорганических пигментов
- Зигфрид Вольф - пионер технического углерода
- Уильям Б. Виганд - пионер технического углерода
Рекомендации
- ^ a b c d Запись в базе данных веществ GESTIS Института безопасности и гигиены труда
- ^ "Экспериментальное и кинетическое исследование взаимодействия коммерческой сажи с NO при высокой температуре" (PDF) . Проверено 25 апреля 2012 .
- ^ «Исследование рынка: технический углерод» . Черезана . Проверено 26 апреля 2013 .
- ^ а б в г д е Kuempel, Eileen D .; Сорахан, Том (2010). «Определение потребностей в исследованиях для определения канцерогенности высокоприоритетных канцерогенов МАИР» (PDF) . Мнения и мнения экспертов совещания группы экспертов МАИР / NORA, Лион, Франция, 30 июня - 2 июля 2009 г. Техническая публикация МАИР № 42. Лион, Франция: Международное агентство по изучению рака . 42 : 61–72 . Проверено 30 августа 2012 года .
- ^ а б в «Примеры применения технического углерода» . Mitsubishi Chemical . Проверено 14 января 2013 .
- ^ Кодекс пищевых стандартов Австралии и Новой Зеландии «Стандарт 1.2.4 - Маркировка ингредиентов» . Проверено 27 октября 2011 .
- ^ США FDA: «Список статуса цветовой добавки» . Проверено 27 октября 2011 .
- ^ «Проект отборочного экзамена для задания» . Проверено 14 января 2013 .
- ^ «Кодекс пищевых стандартов Австралии и Новой Зеландии» . Архивировано из оригинала на 2012-12-20 . Проверено 14 января 2013 .
- ^ «Что такое технический углерод» . Международная ассоциация технического углерода. Архивировано из оригинала на 2009-04-01 . Проверено 14 апреля 2009 .
- ^ Технический углерод - Обзор мирового рынка, январь 2016 г. • Отчет отраслевых экспертов CP024 • 328 страниц
- ↑ Winter, J. и West FitzHugh, E., Пигменты на основе углерода, в Берри, редактор BH, Художественные пигменты, Справочник по их истории и характеристикам, том 4, стр. 1–37.
- ^ Костно- черный , ColourLex
- ^ Бомфорд Д., Кирби Дж., Лейтон, Дж., Рой А. Искусство в процессе создания: импрессионизм. Публикации Национальной галереи, Лондон, 1990, стр. 112–119.
- ^ Эдуар Мане, «Музыка в Тюильри» , ColourLex
- ^ Хеннион, Мария-Клер (июль 2000 г.). «Графитированные угли для твердофазной экстракции». Журнал хроматографии A . 885 (1-2): 73–95. DOI : 10.1016 / S0021-9673 (00) 00085-6 . PMID 10941668 .
- ^ Сорахан Т., Харрингтон Дж. М. (2007). «Анализ рисков рака легких у рабочих, занятых в производстве технического углерода в Великобритании, 1951–2004 годы». Am J Ind Med . 50 (8): 555–564. DOI : 10.1002 / ajim.20481 . PMID 17516558 .
- ^ Ward EM, Schulte PA, Straif K, Hopf NB, Caldwell JC, Carreón T., DeMarini DM, Fowler BA, Goldstein BD, Hemminki K, Hines CJ, Pursiainen KH, Kuempel E, Lewtas J, Lunn RM, Lynge E, McElvenny DM , Muhle H, Nakajima T, Робертсон LW, Ротман N, Рудер AM, Schubauer-Berigan MK, Siemiatycki J, Silverman D, Smith MT, Sorahan T, Steenland K, Stevens RG, Vineis P, Zahm SH, Zeise L, Cogliano VJ (2010). «Рекомендации по исследованиям для избранных агентов, классифицированных IARC» . Перспективы гигиены окружающей среды . 118 (10): 1355–62. DOI : 10.1289 / ehp.0901828 . PMC 2957912 . PMID 20562050 .
- ^ Морфельд П., МакКанни Р.Дж. (2007). «Технический углерод и рак легких: тестирование нового показателя воздействия в когорте Германии». Am J Ind Med . 50 (8): 565–567. DOI : 10.1002 / ajim.20491 . PMID 17620319 .
- ^ «Рекомендации по безопасности и гигиене труда для технического углерода: потенциальный канцероген для человека, Центры по контролю и профилактике заболеваний, Национальный институт безопасности и гигиены труда» (PDF) . Проверено 14 января 2013 .
- ^ «Руководство по безопасности и гигиене труда для технического углерода: потенциальный канцероген для человека» (PDF) . Центры по контролю и профилактике заболеваний, Национальный институт охраны труда . Проверено 11 января 2013 года .
- ^ «CDC - Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям - технический углерод» . www.cdc.gov . Проверено 27 ноября 2015 .
дальнейшее чтение
- Доернер, Макс. Материалы художника и их использование в живописи: с примечаниями к технике старых мастеров , переработанное издание. Харкорт (1984). ISBN 0-15-657716-X . Это современное англоязычное издание работы, первоначально опубликованной на немецком языке .
- Мейер, Ральф. Справочник художника по материалам и методам . Издание пятое, переработанное и обновленное. Викинг (1991) ISBN 0-670-83701-6
- Технический углерод: руководство пользователя . Опубликовано Международной ассоциацией технического углерода .
Внешние ссылки
- Международная карта химической безопасности 0471
- «Технический углерод» - Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям , запись на веб-сайте CDC
- «Индустрия технического углерода» из Справочника Texas Online
- Международная ассоциация технического углерода
- Специальная сажа - PentaCarbon GmbH