Como o negro de fumo é fabricado: processos de fornalha, canal/gás e térmico — e o que cada um significa para o seu negro
Dois masterbatches pretos podem partir de negros de fumo que no papel parecem idênticos — mesmo tamanho de partícula, mesma carga — e ainda assim se comportar de forma diferente em intensidade de preto, dispersão e cura. Parte do motivo é de onde veio o negro de fumo. O processo com que ele é fabricado fixa seu DNA básico: quão pequenas são as partículas, quão ramificados são os agregados, o que há na superfície da partícula e quão limpo ele é. Este artigo percorre as principais rotas de produção — fornalha, canal e gás, térmico, e as rotas de nicho de acetileno e fumo de lâmpada — e explica como cada rota molda o negro que você acaba comprando.
A resposta curta
O processo de fornalha fabrica a grande maioria do negro de fumo do mundo; é muito controlável e cobre um amplo leque de grades, e com ele se fazem a maioria dos negros para borracha e plásticos. O processo de canal já fez os negros mais finos e de cor mais profunda, mas foi quase totalmente eliminado; o processo de negro de gás o substituiu para os negros pigmento finos usados em plásticos e revestimentos. O processo térmico fabrica os negros mais grossos, mais limpos e de menor estrutura, usados como cargas de alta dosagem. O acetileno e o fumo de lâmpada são rotas de nicho para condutividade e pigmentos especiais. Conhecer a rota diz a você, antes de ler um único número, aproximadamente com que tipo de negro está lidando.
Negro de fornalha: o cavalo de batalha
No processo de fornalha, uma matéria-prima aromática pesada — normalmente um resíduo da destilação ou do craqueamento do petróleo — é injetada em um reator fechado e parcialmente combustida e pirolisada a alta temperatura sob condições muito controladas. Ajustando a matéria-prima, a temperatura, a razão de ar e o tempo de residência, os produtores podem definir uma ampla faixa de tamanhos de partícula primária, estruturas de agregado e químicas superficiais em um só processo. Essa controlabilidade, junto com o alto rendimento e a eficiência de custo, é a razão pela qual a rota de fornalha responde por cerca de 80–90% da produção mundial e fornece a maior parte do negro de fumo usado em pneus, artigos de borracha, plásticos e revestimentos. Seu limite prático está no extremo muito fino e de cor muito profunda: é difícil levar o processo de fornalha aos tamanhos de partícula ultrafinos que os negros pigmento de máxima intensidade de preto exigem.
Negro de canal e de gás: os negros pigmento finos
O processo de canal queimava pequenas chamas de gás natural ao ar livre contra canais de ferro resfriados e raspava a fuligem depositada. Produzia partículas ultrafinas com uma superfície oxidada, ligeiramente ácida — que dá uma cor muito profunda e, na borracha, uma cura lenta (o S na nomenclatura ASTM que vimos em nosso guia para ler os números N). Mas seu rendimento era baixo e suas emissões altas, e a alta do preço do gás e as regras de qualidade do ar o deixaram quase fora de uso.
Seu sucessor para os negros pigmento finos é o processo de negro de gás, no qual chamas alimentadas com óleo vaporizado ardem contra rolos resfriados com entrada livre de ar; o negro é coletado dos rolos e dos filtros. Os negros de gás reproduzem a faixa de cor profunda dos negros de canal e são um pilar dos negros de alta intensidade de preto para plásticos, tintas e revestimentos. Sua superfície oxidada favorece o molhamento e o desenvolvimento da cor, embora também implique um teor de extraíveis um pouco maior que o dos antigos negros de canal.
Negro térmico: o especialista em grosso
O processo térmico é de outra natureza: o gás natural é decomposto termicamente na ausência de ar, em uma fornalha cíclica onde uma câmara é aquecida enquanto outra craqueia o gás. Sem combustão, produz os negros de fumo mais grossos de todos — as maiores partículas primárias (até várias centenas de nanômetros), a estrutura mais baixa, uma área superficial muito baixa e alta pureza. São os grades N9xx. Dão pouca intensidade de preto e pouco reforço, mas suas partículas grandes e quase esféricas se incorporam com facilidade em cargas muito altas, o que as torna úteis como cargas e em borracha especial e isolamento. O negro térmico é aproximadamente os outros 10% da produção junto ao negro de fornalha.
Negro de acetileno e de fumo de lâmpada: as rotas de nicho
Duas rotas menores completam o quadro. O processo de negro de acetileno decompõe acetileno em uma reação exotérmica autossustentada, produzindo um negro muito puro, de alta estrutura e alta condutividade elétrica — a razão pela qual aparece em baterias, polímeros condutores e revestimentos condutores. O processo de fumo de lâmpada, o mais antigo de todos, queima óleo em bandejas rasas com uma chama fumegante para fazer um negro grosso usado historicamente como pigmento de entonação. Nenhum é uma rota de volume para o masterbatch de plásticos, mas ambos explicam grades que você pode encontrar para trabalhos funcionais específicos.
Por que o processo importa: as quatro alavancas
Tudo o que foi dito se reduz a quatro propriedades que o processo fixa e que depois decidem como um negro se comporta. Tamanho de partícula: partículas menores dão maior intensidade de preto e melhor proteção UV, mas são mais difíceis de dispersar porque os negros mais finos se aglomeram com mais força. Estrutura: agregados mais ramificados e de maior estrutura se dispersam com mais facilidade e conduzem melhor, mas tendem a baixar a intensidade de preto máxima — por isso a estrutura é lida à parte, a partir do valor de absorção de óleo. Química superficial: uma superfície oxidada (negros de canal e de gás) aprofunda a cor e retarda a cura da borracha, enquanto as superfícies de fornalha mais limpas se comportam de forma mais neutra. Pureza: os negros térmicos e de acetileno são muito limpos, enquanto algumas rotas carregam mais extraíveis residuais. Leia primeiro o processo, e os números da ficha técnica começam a fazer sentido como um conjunto e não como cifras isoladas.
O que isso significa para o seu masterbatch
Para o masterbatch preto, o processo por trás do negro de fumo fixa em silêncio o seu teto. Um negro pigmento fino, de superfície oxidada, pode alcançar uma intensidade de preto que um grade de reforço de fornalha nunca alcançará — mas exige mais trabalho dispersivo para se desfazer, que é justamente onde a qualidade da composição decide o resultado. Um negro de fornalha ou térmico mais grosso se dispersa com facilidade e carrega barato, mas não atingirá os alvos de preto profundo. Não há um único melhor negro de fumo, apenas o processo-e-grade certo para o trabalho, composto de modo que até os negros duros e finos se diluam de forma limpa.
A ZFH seleciona o negro de fumo conforme as exigências da aplicação — negros de grade pigmento mais finos onde importam a intensidade de preto e o intemperismo, grades de fornalha mais econômicos onde mandam a opacidade e o custo — e trata a dispersão como um atributo de qualidade controlado, para que o potencial inerente do negro realmente se manifeste na sua peça.
Perguntas frequentes
O negro de fornalha é de menor qualidade que o de canal ou de gás?
Não — é diferente, não inferior. O negro de fornalha é a rota mais versátil e cobre a maioria dos grades; os negros de canal e de gás se especializam no extremo muito fino e de cor profunda. O "melhor" depende de você buscar intensidade de preto, custo ou reforço.
Por que o processo de fornalha não pode simplesmente fazer os negros mais profundos?
Ele tem dificuldade de alcançar os tamanhos de partícula ultrafinos que esses negros precisam mantendo uma distribuição de tamanho estreita. Esse nicho muito fino e de cor profunda é onde os negros de gás (e historicamente os de canal) ainda lideram.
Que processo o meu masterbatch usa?
A maioria do masterbatch preto usa negros de fornalha, com negros pigmento mais finos (muitas vezes de processo de gás) onde se exige alta intensidade de preto. Pergunte ao seu fornecedor sobre o tamanho de partícula, a estrutura (OAN) e a dispersão, mais que só o nome do processo.
Fontes
As descrições de processo e as parcelas de produção deste artigo baseiam-se em referências públicas do setor, incluindo a descrição de processo do US EPA AP-42 para o negro de fumo (processos de fornalha a óleo e térmico) e a literatura padrão de produção de negro de fumo; a parcela de fornalha de cerca de 80–90% e a térmica de cerca de 10% refletem números comumente reportados que variam por região e ano. A relação entre oxidação superficial, a designação de velocidade de cura "N"/"S" e a classificação por tamanho de partícula segue a norma ASTM D1765. A estrutura é medida por absorção de óleo (OAN/DBP, ASTM D2414) e a área superficial por adsorção de nitrogênio (ASTM D6556). O comportamento de grade descrito aqui é conhecimento geral do setor, não uma afirmação sobre o produto de qualquer fornecedor específico.
A rota de produção é a primeira pista do que um negro de fumo pode e não pode fazer — e a dispersão é o que permite que esse potencial chegue à sua peça. Para ver como traduzimos a seleção de negro de fumo em um preto consistente, compare o masterbatch preto de alta cor e o masterbatch preto padrão PE/EVA da ZFH, leia nosso guia complementar sobre ler os números N do negro de fumo, ou pergunte sobre nossa caracterização na página de qualidade e conformidade.