O que é o Negro de fumo? - Propriedades, Usos, e Aplicações

POR Pedro Coelho

Publicado: sexta-feira, 10 de janeiro de 2025

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O negro de fumo, também conhecido como carbono negro, é um material amplamente utilizado em diversas indústrias devido às suas propriedades únicas. Produzido pela combustão incompleta de produtos derivados do petróleo, o negro de fumo é composto por partículas finas de carbono que conferem características desejáveis a uma variedade de produtos.

Este artigo explora os múltiplos usos e aplicações do negro de fumo, destacando sua importância na fabricação de pneus, tintas, plásticos, e até mesmo em tecnologias emergentes como baterias e dispositivos eletrônicos. Ao compreender as propriedades e os benefícios do negro de fumo, podemos apreciar melhor seu papel crucial na inovação e no desenvolvimento industrial.

Propriedades fundamentais do negro de fumo

As propriedades do negro de fumo são cruciais para determinar seu desempenho em diversas aplicações, especialmente na indústria de borracha. Entre essas propriedades, destacam-se o tamanho das partículas, a estrutura, a forma física e a porosidade.

Tamanho das Partículas

O tamanho das partículas do negro de fumo é uma característica fundamental que influencia significativamente as propriedades da borracha e a coloração em negros de fumo especiais.

Medido por microscopia eletrônica, partículas menores resultam em uma maior área de superfície e, consequentemente, em uma força de tingimento superior. Uma alta área de superfície está geralmente associada a:

• Maior profundidade de cor
• Melhor condutividade elétrica
• Maior resistência às intempéries
• Aumento da viscosidade

No entanto, essa alta área de superfície exige mais energia para dispersão. Em relação à borracha, partículas mais finas proporcionam:

• Maior reforço
• Melhor resistência à abrasão
• Melhor resistência à tração

Os tamanhos típicos das partículas variam entre 8 e 100 nanômetros para negros de forno, e a área de superfície é frequentemente utilizada na indústria como um indicador do nível de finura do negro de fumo.

Estrutura

A estrutura do negro de fumo refere-se à formação tridimensional de agregados compostos por um grande número de partículas. A forma e o grau de ramificação desses agregados são determinantes para a sua estrutura. Negros de fumo altamente estruturados oferecem:

• Maior viscosidade
• Melhor condutividade elétrica
• Facilidade na dispersão

A estrutura agregada pode ser avaliada através da análise da distribuição de forma por microscopia eletrônica, absorção de óleo (OAN) ou análise de volume vazio. O nível estrutural do negro de fumo impacta diretamente várias propriedades da borracha, como:

• Módulo
• Dureza
• Condutividade elétrica

Embora o aumento da estrutura melhore a dispersibilidade, também pode elevar a viscosidade do composto.

Porosidade

A porosidade é uma propriedade controlável durante o processo de fabricação do negro de fumo e pode influenciar a medição da área de superfície, fornecendo uma área de superfície total maior do que o valor externo.

Em negros de fumo especiais condutores, um alto grau de porosidade é comum. O aumento da porosidade permite que os compostos de borracha aumentem a carga de negro de fumo sem alterar significativamente a gravidade específica, resultando em:

• Aumento do módulo do composto
• Melhoria na condutividade elétrica para um carga fixa

Química de superfície ou atividade de superfície

A química da superfície do negro de fumo está relacionada ao seu processo de fabricação e ao histórico térmico, referindo-se principalmente aos grupos contendo oxigênio presentes na superfície.

Superfícies oxidadas podem melhorar a umectação do pigmento e sua dispersão, além de influenciar o desempenho em sistemas específicos. A oxidação também pode aumentar a resistividade elétrica e tornar os negros de fumo mais hidrofílicos.

A extensão da oxidação é frequentemente medida pela quantidade do componente volátil presente no negro de fumo; altos níveis estão associados a um pH mais baixo.Embora seja desafiador medir diretamente os efeitos da química da superfície nas propriedades da borracha, ela se reflete em características como:

• Resistência à abrasão
• Resistência à tração
• Histerese
• Módulo

Além disso, o efeito da atividade de superfície nas características de cura dependerá fortemente do sistema de cura em uso.

Forma Física

A forma física do negro de fumo (esferas ou pó) é crucial para sua compatibilidade com os equipamentos utilizados na dispersão. Essa característica pode impactar as propriedades de manuseio e mistura.

O grau máximo de dispersão depende dos procedimentos e equipamentos utilizados.Negros de fumo em pó são recomendados para dispersores com baixo cisalhamento e moinhos de três rolos, enquanto negros de fumos esféricos são mais adequados para moinhos granalha e moinhos de bolas.

A formação esférica resulta em menor pulverização, melhor manuseio em massa e maiores densidades, enquanto o pó oferece melhor dispersibilidade. Essas propriedades fundamentais do negro de fumo não apenas definem seu desempenho em aplicações industriais, mas também influenciam diretamente as características dos produtos finais que utilizam esse material.

Produção de Negro de Fumo: Métodos e Características

O negro de fumo é obtido através de dois processos principais: a decomposição térmica e a combustão parcial, utilizando hidrocarbonetos como óleo ou gás natural como matéria-prima. As propriedades do negro de fumo podem variar significativamente conforme o método de fabricação, levando à sua classificação de acordo com o processo utilizado.

Processo de Forno Preto

O método mais comum atualmente é o processo de forno, que produz o que chamamos de "negro de fornalha". Nesse procedimento, óleos derivados do petróleo ou carvão são injetados em gases a altas temperaturas, resultando em uma queima parcial.

Este método é ideal para produção em larga escala, pois oferece um alto rendimento e permite um controle abrangente sobre características como o tamanho das partículas e a estrutura do material. O negro de fumo gerado por esse processo é amplamente utilizado em diversas aplicações, incluindo o reforço de borracha e coloração.

Processo de Canal

No método de canal, o negro de fumo é produzido ao entrar em contato com combustível parcialmente queimado, gerado a partir do gás natural. Este combustível é colocado em contato com aço em formato de canal (aço em forma de H), resultando na coleta do negro de fumo.

Contudo, esse processo enfrenta desafios relacionados ao rendimento e ao impacto ambiental, o que levou à sua substituição pelo processo de forno como principal método de produção em massa. Apesar disso, o negro de fumo obtido por este método apresenta uma variedade significativa de grupos funcionais na superfície, sendo adequado para algumas aplicações específicas, como tintas.

Processo de Acetileno Negro

O processo de acetileno envolve a decomposição térmica do gás acetileno para produzir negro de fumo. Este método resulta em um material com estruturas mais complexas e maior cristalinidade, sendo utilizado principalmente em aplicações que requerem agentes condutores elétricos.

Processo de Lampblack

Por fim, o método conhecido como lampblack consiste na coleta da fuligem gerada pela queima de óleos ou madeira de pinho. Este processo remonta a épocas antigas e não é viável para produção em larga escala. No entanto, ele é valorizado na fabricação de bastões de tinta, pois fornece um negro de fumo com uma cor específica.

Usos e aplicações do negro de fumo

O negro de fumo é um material fundamental com uma rica história, sendo utilizado como agente de coloração desde os tempos antigos. Com suas nanopartículas multifuncionais, que oferecem propriedades como absorção de radiação ultravioleta e condutividade elétrica, o negro de fumo continua a encontrar novas aplicações em áreas inovadoras, incluindo equipamentos e dispositivos eletrônicos.

Abaixo, destacamos algumas das principais utilizações desse material versátil.

Agente corante para tintas

O negro de fumo possui um poder de coloração superior ao do negro de ferro e de pigmentos orgânicos, tornando-se amplamente utilizado em diversas formulações de tintas. Ele é especialmente comum em tintas para jornal, tintas de impressão, tintas à base de água e toners para impressoras a jato de tinta.

Agentes de coloração de resina e filme

Devido à sua alta resistência à coloração e estabilidade térmica, o negro de fumo é ideal para colorir resinas e filmes que são moldados pelo calor. Além disso, sua capacidade de absorver luz ultravioleta proporciona uma excelente proteção contra raios UV, mesmo em pequenas concentrações.

O negro de fumo é amplamente empregado na coloração de resinas utilizadas em para-choques automotivos, revestimentos de fios e tubos de aço que exigem resistência às intempéries.

Agente condutor elétrico

As partículas de negro de fumo possuem uma estrutura cristalina semelhante ao grafite, o que confere a elas uma excelente condutividade elétrica. Por essa razão, o negro de fumo é frequentemente utilizado como aditivo condutor em plásticos, elastômeros, tintas, adesivos e filmes.

Em aplicações automotivas, como tampas de combustível e tubos de introdução de combustível, sua condutividade elétrica é crucial para evitar a acumulação de eletricidade estática.

Material relacionado a equipamentos eletrônicos

Além das aplicações mencionadas, o negro de fumo também oferece estabilidade e resistência, sendo utilizado em componentes eletrônicos diversos, incluindo materiais para displays e gravação magnética.

A Mitsubishi Chemical, por exemplo, está investindo no desenvolvimento de variedades de negro de fumo com funções combinadas para atender a necessidades específicas do mercado.

Negro de fumo e a NR15

A exposição ao negro de fumo pode levar a uma série de problemas respiratórios, incluindo bronquite crônica, asma ocupacional e até mesmo câncer de pulmão. Além disso, a inalação de partículas finas pode causar irritação nos olhos, nariz e garganta, além de problemas cardiovasculares.

A Norma Regulamentadora Número 15 (NR-15) estabelece os limites de tolerância para exposição a agentes químicos, incluindo o negro de fumo que ela estabelece o limite de tolerância de 3,5mg/m3 até 48 horas/semana.

A NR-15 define os níveis máximos de concentração que os trabalhadores podem ser expostos durante a jornada de trabalho, além de exigir a implementação de medidas de controle, como ventilação adequada e uso de equipamentos de proteção individual (EPIs).

Além disso, os trabalhadores expostos continuamente ao negro de fumo têm direito à aposentadoria especial, que é concedida após 25 anos de contribuição. Essa aposentadoria é garantida devido ao risco elevado de desenvolver doenças ocupacionais graves. Para ter direito à aposentadoria especial, é necessário comprovar a exposição ao agente nocivo por meio de laudos técnicos e exames médicos periódicos.

A NR-15 desempenha um papel crucial na proteção dos trabalhadores, estabelecendo limites de exposição e exigindo medidas de controle para minimizar os riscos associados ao negro de fumo. A aposentadoria especial é uma forma de compensar os trabalhadores pelos riscos à saúde que enfrentam diariamente.

Um alerta: Essa aposentadoria especial é uma forma de compensar os trabalhadores pelos riscos à saúde que eles enfrentam diariamente. Nesse momento, o trabalhador tem que avaliar bem para ver se compensa financeiramente correr o risco de ter algum futuro problema respiratório, pois a saúde do mesmo pode estar em jogo nesse momento, dependendo de como será o trabalho com esse agente nocivo.

Referências

• http://www.carbonblack.jp/en/cb/seizou.html (acessado em 09/01/2025 as 11:31)
• https://www.carbon-black.org/is-carbon-black-safe (acessado em 09/01/2025 as 11:44)
• https://www.birlacarbon.com/whats-trending/carbon-black/ (acessado em 09/01/2025 as 11:52)
• http://www.carbonblack.jp/en/cb/youto.html (acessado em 09/01/2025 as 11:55)
• https://www.gov.br/trabalho-e-emprego/pt-br/acesso-a-informacao/participacao-social/conselhos-e-orgaos-colegiados/comissao-tripartite-partitaria-permanente/arquivos/normas-regulamentadoras/nr-15-atualizada-2022.pdf (acessado em 09/01/2025 as 12:13)

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico com Pós Graduação em Engenharia de Segurança do Trabalho e também sou Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, eu estou estudando Engenharia Civil, e em parte de minhas horas vagas me dedico a escrever artigos aqui no ENGQUIMICASANTOSSP, para ajudar estudantes de Engenharia Química e de áreas correlatas. Se você está curtindo essa postagem, siga-nos através de nossas paginas nas redes sociais e compartilhe com seus amigos para eles curtirem também :)