O negro de fumo é uma substância preta em pó formada pela combustão incompleta ou pirólise de hidrocarbonetos na fase gasosa, sob condições de processo rigorosamente controladas. Sua composição é principalmente de carbono elementar e contém pequenas quantidades de oxigênio, hidrogênio e enxofre. As partículas de negro de fumo são quase esféricas, com tamanho entre 10 e 500 μm. Muitas partículas estão fundidas ou aglomeradas em agregados dendríticos ou fibrosos tridimensionais. No processamento da borracha, é adicionado como agente de reforço e carga por meio da mistura. O negro de fumo é um dos produtos industriais mais antigos.
Propriedades físicas e químicas do negro de fumo
As diferenças entre os vários tipos de negro de fumo residem principalmente na área superficial (ou tamanho das partículas), na morfologia dos agregados, na distribuição de massa das partículas e agregados e na composição química.
Área da superfície
Uma das propriedades importantes utilizadas para identificar e classificar negros de fumo é a área superficial, medida por adsorção em fase gasosa ou líquida. O método mais clássico de determinação é o método de adsorção de nitrogênio a baixa temperatura (método BET). Como as moléculas de nitrogênio são relativamente pequenas e podem entrar nos microporos do negro de fumo, os resultados obtidos por este método caracterizam a área superficial total do material. Nos últimos anos, o método de adsorção de macromoléculas (como o CTAB) tem obtido sucesso, pois, como as macromoléculas não conseguem penetrar nos microporos, os resultados caracterizam a área superficial externa do negro de fumo, ou seja, a área superficial "lisa". A maioria dos negros de fumo para borracha não é porosa, portanto, os resultados dos métodos BET e CTAB são consistentes. Para alguns negros de fumo pigmentados, a diferença entre as duas medições de área superficial caracteriza a rugosidade ou porosidade do material. Outro método de medição – o método de adsorção de iodo – também é amplamente utilizado no controle de produção e na classificação de produtos, caracterizando-se pela simplicidade e rapidez. No entanto, os resultados são afetados pelo grau de oxidação na superfície do negro de fumo.
Estrutura
A segunda propriedade importante do negro de fumo é a sua estrutura. Ela depende do tamanho e da forma dos agregados, bem como do número de partículas e da massa média de cada agregado. Todas essas propriedades afetam o estado de empilhamento dos agregados e o volume de vazios do pó. Normalmente, a estrutura do negro de fumo é expressa em termos do valor de absorção de óleo DBP (dibutilftalato). O valor DBP do negro de fumo após compressão a 170 MPa por quatro ciclos é geralmente chamado de valor de absorção de óleo por compressão ou valor 24M4DBP. O valor de absorção de óleo por compressão reflete com precisão o estado dos agregados de negro de fumo na borracha.
Aplicações industriais do negro de fumo
É utilizado principalmente como agente de reforço e carga para borracha, e seu consumo corresponde a cerca de metade do consumo de borracha. O negro de fumo para borracha representa 941 TP3T do total de negro de fumo, dos quais cerca de 601 TP3T são utilizados na fabricação de pneus. Também é utilizado como corante para tintas, vernizes e plásticos, e como agente de proteção UV para produtos plásticos. Além disso, é um aditivo importante em muitos outros produtos, como eletrodos, pilhas secas, resistores, explosivos, cosméticos e cremes de polimento.
O negro de fumo é usado principalmente em produtos de borracha. Quanto mais fino o tamanho das partículas do negro de fumo, melhores são suas propriedades de reforço; quanto maior o grau estrutural do negro de fumo, maior sua tensão de tração constante e módulo de elasticidade. As variedades de reforço com partículas finas são usadas principalmente na banda de rodagem dos pneus, conferindo-lhes excelente resistência ao desgaste. Para outras partes do pneu, como laterais, lonas, camada de amortecimento da cinta e revestimento interno, a borracha precisa resistir à fissuração por flexão, à oxidação por ozônio, apresentar boa resiliência e baixas propriedades térmicas. Geralmente, utiliza-se negro de fumo de forno do tipo semi-compensatório com partículas mais grossas (área superficial específica inferior a 40 m²/g).
O pigmento preto para sulcos é amplamente utilizado em tintas, revestimentos e plásticos. A tinta, especialmente a tinta jornalística, utiliza principalmente o pigmento preto para sulcos. Na fabricação de tintas, os pretos para sulcos com alto teor de pigmento conferem a intensidade e o brilho de acabamentos automotivos de alta qualidade, enquanto os pretos para sulcos com teor médio de pigmento são utilizados em revestimentos industriais em geral. Além disso, os pretos para sulcos com teor médio de pigmento também são comumente utilizados como agentes de proteção contra raios ultravioleta para poliolefinas e para melhorar a resistência às intempéries de produtos plásticos. O preto para sulcos de borracha é utilizado principalmente em pneus, especialmente na borracha da banda de rodagem de pneus fora de estrada e de engenharia, conferindo à banda de rodagem alta resistência e boa resistência ao desgaste.
O grafito preto craqueado a quente é usado principalmente em produtos de borracha. Devido ao tamanho grosseiro das partículas e ao baixo desempenho de reforço, seu uso se restringe a aplicações que exigem o máximo de carga, como na fabricação de tapetes de borracha, mangueiras, produtos esponjosos, vedações, revestimentos de pneus, talões de pneus, produtos de isolamento, entre outros.