Muội than đen

Sử dụng than đen như thế nào?

Việc sử dụng phổ biến nhất (70%) muội than là làm sắc tố và pha gia cố trong lốp xe ô tô. Muội than cũng giúp dẫn nhiệt ra khỏi khu vực gai lốp và vành đai của lốp xe, giảm hư hại do nhiệt và tăng tuổi thọ của lốp xe. Trong các mục đích sử dụng khác, cấu trúc và sự sắp xếp của muội than góp phần làm tăng tính dẫn điện của nó, rất hữu ích trong pin lithium-ion. Chi phí thấp khiến nó trở thành chất bổ sung phổ biến cho cực âm và cực dương và được coi là sự thay thế an toàn cho kim loại lithium trong pin lithium-ion. Khoảng 20% sản lượng thế giới dành cho dây đai, ống mềm và các mặt hàng cao su ngoài lốp xe khác. 10% muội than còn lại được sử dụng từ sắc tố trong mực, chất phủ và chất dẻo, cũng như được sử dụng làm chất phụ gia dẫn điện trong pin lithium-ion.

Muội than được thêm vào polypropylene vì nó hấp thụ bức xạ cực tím, nếu không sẽ làm cho vật liệu xuống cấp. Các hạt muội than cũng được sử dụng trong một số vật liệu hấp thụ radar, trong mực máy photocopy và máy in laser, cũng như trong các loại mực và sơn khác. Cường độ pha màu cao và tính ổn định của muội than cũng được sử dụng để tạo màu cho nhựa và phim. Muội than đã được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau cho thiết bị điện tử. Là chất dẫn điện tốt, muội than được sử dụng làm chất độn trộn trong nhựa, chất đàn hồi, màng, chất kết dính và sơn. Nó được sử dụng như một chất phụ gia chống tĩnh điện trong nắp và ống nhiên liệu ô tô.

Muội than từ nguồn gốc thực vật được sử dụng làm phẩm màu thực phẩm, được biết đến ở Châu Âu với tên gọi phụ gia E153. Nó được phép sử dụng làm chất phụ gia 153 (Carbon đen hoặc Carbon thực vật) ở Úc và New Zealand nhưng đã bị cấm ở Hoa Kỳ. Sắc tố màu carbon đen đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều năm trong bao bì thực phẩm và đồ uống. Nó được sử dụng trong bình sữa UHT nhiều lớp ở Hoa Kỳ, một số khu vực ở Châu Âu, Châu Á và Nam Phi, cũng như trong các mặt hàng như khay đựng thức ăn và khay đựng thịt ở New Zealand.

Đánh giá sâu rộng về muội than của Chính phủ Canada vào năm 2011 đã kết luận rằng muội than có thể tiếp tục được sử dụng trong các sản phẩm – bao gồm cả bao bì thực phẩm cho người tiêu dùng – ở Canada. Điều này là do "trong hầu hết các sản phẩm tiêu dùng muội than được liên kết trong một ma trận và không có sẵn để tiếp xúc, ví dụ như chất màu trong nhựa và cao su" và "có đề xuất rằng muội than không được đưa vào môi trường với số lượng hoặc nồng độ hoặc dưới các điều kiện cấu thành hoặc có thể gây nguy hiểm ở Canada đối với tính mạng hoặc sức khỏe của con người.

Tại Châu Úc, sắc tố màu carbon đen trong bao bì phải tuân thủ các yêu cầu của quy định đóng gói của Liên minh Châu Âu hoặc Hoa Kỳ. Nếu bất kỳ chất tạo màu nào được sử dụng, chất tạo màu đó phải đáp ứng thỏa thuận từng phần của châu Âu.

Tổng sản lượng vào khoảng 8.100.000 tấn (8.900.000 tấn thiếu) vào năm 2006. Lượng tiêu thụ muội than toàn cầu ước đạt 13,2 triệu tấn, trị giá 13,7 tỷ USD vào năm 2015, dự kiến đạt 13,9 triệu tấn, trị giá 14,4 tỷ USD vào năm 2016.

Tiêu thụ toàn cầu được dự báo sẽ duy trì tốc độ CAGR (tốc độ tăng trưởng kép hàng năm) là 5,6% từ năm 2016 đến năm 2022, đạt 19,2 triệu tấn, trị giá 20,4 tỷ USD vào năm 2022.

Phát triển nguồn muội than

Lượng muội than được sử dụng nhiều nhất là làm chất độn gia cố trong các sản phẩm cao su, đặc biệt là lốp xe. Mặc dù quá trình lưu hóa kẹo cao su nguyên chất của styren-butadien có độ bền kéo không quá 2 MPa và khả năng chống mài mòn không đáng kể, nhưng việc kết hợp nó với 50% muội than tính theo trọng lượng sẽ cải thiện độ bền kéo và khả năng chống mài mòn của nó như trình bày trong bảng bên dưới. Nó thường được sử dụng trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ trong chất đàn hồi cho các bộ phận kiểm soát độ rung của máy bay như giá đỡ động cơ.

Trên thực tế, tất cả các sản phẩm cao su có đặc tính mài mòn và mài mòn đều quan trọng đều sử dụng muội than, vì vậy chúng có màu đen. Trong trường hợp các đặc tính vật lý là quan trọng nhưng các màu khác với màu đen lại được mong muốn, chẳng hạn như giày quần vợt màu trắng, silica kết tủa hoặc bốc khói đã được thay thế cho muội than. Chất độn dựa trên silica cũng đang giành được thị phần trong lốp ô tô vì chúng mang lại sự đánh đổi tốt hơn về hiệu quả sử dụng nhiên liệu và khả năng xử lý đường ướt do tổn thất lăn thấp hơn. Theo truyền thống, chất độn silica có đặc tính mài mòn kém hơn, nhưng công nghệ này đã dần dần được cải thiện đến mức chúng có thể phù hợp với hiệu suất mài mòn của muội than.

Làm Thuốc màu

Muội than (Color Index International, PBK-7) là tên của một sắc tố đen phổ biến, được sản xuất theo truyền thống từ các vật liệu hữu cơ cháy thành than như gỗ hoặc xương. Nó xuất hiện màu đen vì nó phản xạ rất ít ánh sáng trong phần nhìn thấy được của quang phổ, với suất phản chiếu gần bằng không. Suất phản chiếu thực tế khác nhau tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu và phương pháp sản xuất. Nó được biết đến với nhiều tên khác nhau, mỗi tên phản ánh một phương pháp truyền thống để sản xuất muội than:

Màu đen ngà voi được sản xuất theo cách truyền thống bằng cách đốt cháy ngà hoặc xương (xem than xương).

Theo truyền thống, nho đen được sản xuất bằng cách đốt cháy thân và dây nho đã sấy khô.

Theo truyền thống, đen đèn được sản xuất bằng cách thu thập bồ hóng từ đèn dầu.

Tất cả các loại muội than này đã được sử dụng rộng rãi làm bột màu sơn từ thời tiền sử. Rembrandt, Vermeer, Van Dyck, và gần đây hơn là Cézanne, Picasso và Manet đã sử dụng bột màu đen carbon trong tranh của họ. Một ví dụ điển hình là "Âm nhạc trong Tuileries" của Manet, trong đó trang phục màu đen và mũ của nam giới được sơn màu đen ngà.

Các phương pháp sản xuất muội than mới hơn phần lớn đã thay thế các nguồn truyền thống này. Đối với các mục đích thủ công, muội than được sản xuất bằng mọi cách vẫn còn phổ biến.

Bề mặt và hóa học bề mặt

Tất cả các muội than đều có các phức oxy hấp phụ hóa học (nghĩa là các nhóm cacboxylic, quinonic, lactonic, phenolic và các nhóm khác) trên bề mặt của chúng ở các mức độ khác nhau tùy thuộc vào điều kiện sản xuất. Các nhóm oxy bề mặt này được gọi chung là hàm lượng dễ bay hơi. Nó cũng được biết đến là một vật liệu không dẫn điện do nội dung dễ bay hơi của nó.

Các ngành công nghiệp sơn và mực ưa thích các loại muội than bị oxy hóa bằng axit. Axit được phun trong máy sấy nhiệt độ cao trong quá trình sản xuất để thay đổi tính chất hóa học bề mặt vốn có của màu đen. Lượng oxy liên kết hóa học trên diện tích bề mặt của màu đen được tăng lên để nâng cao các đặc tính hiệu suất.

Sử dụng trong pin lithium-ion

Muội than là một chất phụ gia dẫn điện phổ biến cho pin lithium ion vì chúng có kích thước hạt nhỏ và diện tích bề mặt riêng (SSA) lớn cho phép chất phụ gia này được phân bổ đều khắp cực âm hoặc cực dương, ngoài ra còn rẻ và bền. Không giống như than chì, một trong những vật liệu phổ biến khác được sử dụng trong pin sạc, muội than bao gồm các mạng tinh thể cách xa nhau hơn và thúc đẩy quá trình xen kẽ Li+ vì nó cho phép nhiều đường dẫn hơn để lưu trữ lithium.

Muội than có mật độ thấp cho phép phân tán một lượng lớn muội than để hiệu ứng dẫn điện của nó được áp dụng đồng đều trong pin. Hơn nữa, sự sắp xếp các tinh thể giống như than chì phân bố ngẫu nhiên của nó giúp cải thiện độ ổn định của pin do làm giảm rào cản tiềm tàng của sự xen kẽ lithium thành than chì, điều này cuối cùng ảnh hưởng đến hiệu suất của catốt.

Mặc dù muội than nhẹ và phân tán tốt trong pin, đồng thời làm tăng hiệu suất dẫn điện của pin, nhưng nó cũng chứa oxy chứa các nhóm chức ưa nước có thể gây ra các phản ứng phụ xảy ra trong pin và dẫn đến sự phân hủy chất điện phân. Quá trình graphit hóa (làm nóng) muội than có thể phân hủy nhiệt các nhóm chức ưa nước và do đó làm tăng tuổi thọ chu kỳ của pin, giúp duy trì khả năng dẫn điện của muội than đồng thời giảm thiểu thiệt hại do muội than có thể gây ra cho pin.

Một nửa ô được tạo bằng graphit hóa nặng, graphit hóa nhẹ và không graphit hóa cho thấy rằng ô được tạo bằng graphit hóa nặng có vòng đời ổn định là 320 chu kỳ, ô có graphit hóa nhẹ cho thấy vòng đời ổn định là 200 chu kỳ và ô không có graphit hóa cho thấy vòng đời ổn định là 160 chu kỳ.

Sự an toàn

Muội than được coi là có khả năng gây ung thư cho con người và được phân loại là chất gây ung thư Nhóm 2B vì có đủ bằng chứng trên động vật thí nghiệm với bằng chứng không đầy đủ trong các nghiên cứu dịch tễ học ở người. Bằng chứng về khả năng gây ung thư trong các nghiên cứu trên động vật đến từ hai nghiên cứu hít phải lâu dài và hai nghiên cứu nhỏ thuốc vào khí quản ở chuột, cho thấy tỷ lệ ung thư phổi tăng cao đáng kể ở động vật tiếp xúc. Một nghiên cứu về đường hô hấp trên chuột không cho thấy tỷ lệ ung thư phổi tăng đáng kể ở động vật bị phơi nhiễm. Dữ liệu dịch tễ học đến từ ba nghiên cứu thuần tập về công nhân sản xuất muội than. Hai nghiên cứu, từ Vương quốc Anh và Đức, với hơn 1.000 công nhân trong mỗi nhóm nghiên cứu cho thấy tỷ lệ tử vong do ung thư phổi tăng cao. Một nghiên cứu thứ ba về hơn 5.000 công nhân muội than ở Hoa Kỳ không cho thấy tỷ lệ tử vong cao. Những phát hiện mới hơn về tỷ lệ tử vong do ung thư phổi gia tăng trong một bản cập nhật từ nghiên cứu của Vương quốc Anh cho thấy muội than có thể là chất gây ung thư giai đoạn cuối. Tuy nhiên, một nghiên cứu lớn hơn và gần đây hơn từ Đức đã không xác nhận giả thuyết này.

An toàn lao động

Có sẵn và áp dụng các hướng dẫn nghiêm ngặt để đảm bảo nhân viên sản xuất muội than không có nguy cơ hít phải muội than ở dạng thô với liều lượng không an toàn. Thiết bị bảo vệ cá nhân hô hấp được khuyến nghị để bảo vệ người lao động khỏi hít phải muội than. Loại thiết bị bảo vệ đường hô hấp được khuyến nghị khác nhau tùy thuộc vào nồng độ muội than được sử dụng.

Mọi người có thể tiếp xúc với muội than tại nơi làm việc do hít phải và tiếp xúc với da hoặc mắt. Cơ quan Quản lý An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp (OSHA) đã đặt giới hạn pháp lý (Giới hạn tiếp xúc cho phép) đối với việc tiếp xúc với muội than tại nơi làm việc ở mức 3,5 mg/m3 trong một ngày làm việc 8 giờ. Viện Quốc gia về An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp (NIOSH) đã đặt Giới hạn phơi nhiễm Khuyến nghị (REL) là 3,5 mg/m3 trong một ngày làm việc 8 giờ. Ở mức 1750 mg/m3, muội than ngay lập tức gây nguy hiểm đến tính mạng và sức khỏe.