مادة سوداء مسحوقية تتكون نتيجة الاحتراق غير الكامل أو التحلل الحراري للهيدروكربونات في الحالة الغازية في ظل ظروف معالجة مضبوطة بدقة. يتكون تركيبها بشكل أساسي من الكربون العنصري، وتحتوي على كمية ضئيلة من الأكسجين والهيدروجين والكبريت. جزيئات الكربون الأسود كروية الشكل تقريبًا، ويتراوح قطرها بين 10 و500 ميكرومتر. تندمج العديد من الجزيئات أو تتكتل لتشكل تجمعات ثلاثية الأبعاد مترابطة، متفرعة أو ليفية. في صناعة المطاط، يُضاف الكربون الأسود إلى المطاط كعامل تقوية وحشو عن طريق الخلط. يُعد الكربون الأسود من أقدم المنتجات الصناعية.
الخواص الفيزيائية والكيميائية للكربون الأسود
تكمن الاختلافات بين أنواع الكربون الأسود المختلفة بشكل رئيسي في مساحة السطح (أو حجم الجسيمات)، وشكل التجمعات، وتوزيع كتلة الجسيمات والتجمعات، والتركيب الكيميائي.
مساحة السطح
تُعدّ مساحة السطح إحدى الخصائص المهمة المستخدمة لتحديد وتصنيف أنواع الكربون الأسود. تُقاس مساحة السطح عن طريق امتزاز الغاز أو السائل. الطريقة الكلاسيكية الأكثر شيوعًا هي طريقة امتزاز النيتروجين عند درجات حرارة منخفضة (طريقة BET). نظرًا لصغر حجم جزيئات النيتروجين وقدرتها على دخول المسام الدقيقة للكربون الأسود، فإن نتائج هذه الطريقة تُحدد مساحة السطح الكلية للكربون الأسود. في السنوات الأخيرة، حققت طرق امتزاز الجزيئات الكبيرة (مثل CTAB) نجاحًا ملحوظًا، حيث لا تستطيع هذه الجزيئات دخول المسام الدقيقة، وبالتالي تُحدد نتائجها مساحة السطح الخارجي للكربون الأسود، أي مساحة السطح "الناعمة". معظم أنواع الكربون الأسود المستخدمة في صناعة المطاط غير مسامية، لذا تتوافق نتائج طريقتي BET وCTAB. بالنسبة لبعض أنواع الكربون الأسود المصبوغة، يُشير الفرق بين قياسَي مساحة السطح إلى خشونة أو مسامية الكربون الأسود. هناك طريقة قياس أخرى - طريقة امتصاص اليود - تُستخدم على نطاق واسع في مراقبة الإنتاج وتصنيف المنتجات، وتتميز بالبساطة والسرعة. ومع ذلك، تتأثر النتائج بدرجة الأكسدة على سطح الكربون الأسود.
بناء
الخاصية الثانية المهمة للكربون الأسود هي أن بنيته تعتمد على حجم وشكل التجمعات، بالإضافة إلى عدد الجزيئات ومتوسط كتلة كل تجمع. تؤثر جميع هذه الخصائص على حالة تكدس التجمعات وحجم الفراغات في المسحوق. عادةً ما تُعبّر بنية الكربون الأسود عن نفسها بقيمة امتصاص الزيت لثنائي بيوتيل فثالات (DBP). تُسمى قيمة DBP للكربون الأسود بعد ضغطه تحت 170 ميجا باسكال أربع مرات بقيمة امتصاص الزيت للضغط أو قيمة 24M4DBP. تعكس قيمة امتصاص الزيت للضغط بدقة حالة تجمعات الكربون الأسود في المطاط.
تطبيقات الكربون الأسود الصناعية
يُستخدم الكربون الأسود بشكل أساسي كعامل تقوية وحشو للمطاط، ويبلغ استهلاكه حوالي نصف استهلاك المطاط. يُشكّل الكربون الأسود المستخدم في صناعة المطاط 941 طنًا من إجمالي الكربون الأسود، منها حوالي 601 طنًا تُستخدم في صناعة الإطارات. كما يُستخدم أيضًا كعامل تلوين للأحبار والدهانات والبلاستيك، وكعامل حماية من الأشعة فوق البنفسجية للمنتجات البلاستيكية. وهو أيضًا مُضاف هام في العديد من المنتجات الأخرى، مثل الأقطاب الكهربائية، والبطاريات الجافة، والمقاومات، والمتفجرات، ومستحضرات التجميل، وكريمات التلميع.
يُستخدم الكربون الأسود بشكل أساسي في منتجات المطاط. كلما كان حجم جزيئات الكربون الأسود أدق، كانت خصائصه المقوية أفضل؛ وكلما زادت درجة بنيته، زاد إجهاد الشد الثابت ومعامل المرونة. تُستخدم أنواع الكربون الأسود المقوية ذات الحجم الدقيق بشكل رئيسي في مداس الإطارات، مما يمنحها مقاومة ممتازة للتآكل. أما بالنسبة لأجزاء الإطار الأخرى، مثل الجدران الجانبية، وطبقة الحبال، وطبقة تبطين الحزام، والبطانة الداخلية، فيُشترط أن يكون المطاط المستخدم مقاومًا للتشقق الناتج عن الانحناء، والأكسدة بالأوزون، وأن يتمتع بمرونة جيدة، وخصائص حرارية منخفضة. ولذلك، يُستخدم عادةً كربون أسود ذو حجم جزيئات أكبر من النوع شبه التعويضي (مساحة سطحية نوعية أقل من 40 م²/غ).
يُستخدم الصبغ الأسود ذو اللون الأسود المحفور على نطاق واسع في الأحبار والطلاءات والبلاستيك. ويُستخدم هذا النوع من الصبغ بشكل أساسي في الأحبار، وخاصة أحبار الصحف. في صناعة الدهانات، تُضفي أنواع الصبغ الأسود المحفور ذات اللون الأسود العالي لمعانًا ودرجة سواد فائقة تُضاهي تشطيبات السيارات عالية الجودة، بينما تُستخدم أنواع الصبغ الأسود المحفور ذات اللون المتوسط في الطلاءات الصناعية العامة. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم أنواع الصبغ الأسود المحفور ذات اللون المتوسط بشكل شائع كعوامل حماية من الأشعة فوق البنفسجية للبولي أوليفينات، كما تُستخدم لتحسين مقاومة المنتجات البلاستيكية للعوامل الجوية. أما الصبغ الأسود المحفور في المطاط، فيُستخدم بشكل أساسي في الإطارات، وخاصة مطاط مداس إطارات الطرق الوعرة والإطارات الهندسية، مما يُكسب المداس قوة عالية ومقاومة جيدة للتآكل.
يُستخدم السخام الأسود المتشقق بالحرارة بشكل أساسي في منتجات المطاط. ونظرًا لحجم جزيئاته الخشن وضعف قدرته على التقوية، فإنه يُستخدم فقط في التطبيقات التي تتطلب أعلى نسبة حشو، مثل صناعة الحصائر المطاطية، والخراطيم، والمنتجات الإسفنجية، والأختام، وبطانات الإطارات، وحواف الإطارات، ومنتجات العزل، وما إلى ذلك.