Karbon Siyahı, Karbon Nanotüp, Carbon, Carbon nanotubes, Pigment Black 6,7, C.I. 77266, Carbon Black, 1333-86-4

Karbon Siyahı Temel Özellikleri ve Kullanım Alanları

Karbon siyahı, amorf yapıda olan ve yüksek yüzey alanı ile hacim oranına sahip bir karbon formudur. Bu malzeme, sentez ve üretim yöntemlerine bağlı olarak çeşitli tiplere ayrılır: asetilen siyahı, fırın siyahı, kanal siyahı ve termal siyah. Her bir türün kendine özgü özellikleri, kullanıldığı uygulama alanlarını belirler.

Gaz veya sıvı haldeki karbonlu hidrojenlerden kısmi yanma, termik parçalanma veya her iki türlü elde edilen ince dağılmış yapısal olarak grafite benzeyen karbon taneciklerine “Karbon Siyahı” adı verilir. Geri kazanım işlemi sonucunda lastik miktarının %25-30 kadarı (işleme giren lastiğin cinsine göre) karbon siyahı olarak geri kazanılır. Karbon siyahı günümüzde birçok sanayi kolunda temel hammadde veya katkı maddesi olarak kullanılmaktadır. Şu anda ihtiyacın tamamı yurt dışından ithalat yoluyla karşılanmaktadır. Karbon siyahı yapısına ve kullanım oranına bağlı olarak kauçuk bazlı maddelerin dayanıklılığını ve rengini geliştirmekte, genel performansını arttırmaktadır. Piroliz işlemi sonucu ortaya çıkan karbon siyahı piyasa karbon siyahına kıyasla çok daha ekonomik olduğu için belli üretim dallarında dolgu ve katkı malzemesi olarak kullanılmaya çok uygundur.

Karbon siyahının sınıflandırılması, parçacıkların boyut dağılımı, yüzeyde immobilize edilen kimyasallar, parçacıkların aglomerasyonu ve topaklanma derecesi gibi faktörlere göre yapılabilmektedir. Bu özellikler, karbon siyahının fiziksel ve kimyasal karakteristiklerini detaylı bir şekilde tanımlar ve malzeme bilimindeki uygulamalarını doğrudan etkiler. Nanografi, gelişmiş ileri malzeme teknolojileri ile nanoteknoloji alanında yenilikçi çözümler sunar ve birçok alanda önemli bir rol oynar.

Karbon siyahı, katı halde, yüksek bir spesifik yüzey alanı sunan ve genellikle birkaç on nanometre boyut aralığında bulunan ince parçacıklardan oluşan parakristalin bir karbon formudur. Bu malzemenin uygulamaları çeşitlidir; özellikle elektrik iletkenliği sağlayan malzemelerde, renklendirici pigmentler olarak, mürekkep üretiminde ve çeşitli malzemelerin mekanik özelliklerini iyileştirmek amacıyla takviye edici dolgu maddesi olarak kullanılır. Karbon siyahının bu geniş kullanım alanı, onu malzeme biliminde önemli bir bileşen haline getirir.

Yapı ve Agrega Boyutu

Karbon siyahının yapısal özellikleri ve agrega boyutları, parçacık boyutu dağılımı gibi önemli faktörler, transmisyon elektron mikroskobu (TEM) kullanılarak detaylı bir şekilde ölçülebilir. Bu yöntem, karbon siyahının morfolojisini ve yapısını anlamada kritik öneme sahiptir. Dibutil ftalat absorpsiyonu gibi alternatif yöntemler de, karbon siyahının yapısal özelliklerinin belirlenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Karbon siyahı agregaları, dallanmış, doğrusal, elipsoidal ve küresel olmak üzere dört ana gruba ayrılabilir. Bu sınıflandırma, agregaların şekli ve yapısı hakkında bilgi verir. Daha düşük kaliteli karbon siyahı genellikle elipsoidal ve küresel agregalara sahipken, yüksek kaliteli karbon siyahı daha çok dallanmış agregaları içerir. İlginç bir şekilde, yoğun karıştırma işlemleri sırasında dallanmış ve doğrusal agregatlar bir dereceye kadar parçalanabilir. Ancak, agregaları tekil parçacıklara ayırmak mümkün değildir. Agregaların anizotropik morfolojisi, onların beklenenden daha iki boyutlu veya düzlemsel bir yapı sergileme eğiliminde olduklarını gösterir. Karbon siyahının oluşumu ve davranışları hakkında derinlemesine bir anlayış, bu malzemenin özelliklerinin daha iyi anlaşılmasıyla sağlanabilir.

Partikül Boyutu Dağılımı

Karbon siyahı partiküllerinin boyutu, iyot sayısı ve nitrojen yüzey alanı ölçümleri ile birlikte transmisyon elektron mikroskobu (TEM) kullanılarak yüksek hassasiyetle belirlenebilir. Bu ölçümler, partikül boyutunun göreceli bir göstergesi olarak hizmet eder. Karbon siyahı partiküllerinin tipik boyutları, işlem görmüş fırın taneleri için genellikle 10 nanometre (nm) ile 100 nm arasında değişir. Partikül boyutu dağılımının, karbon siyahının performansı ve özellikleri üzerinde önemli bir etkisi olduğu görülmüştür. Örneğin, geniş bir partikül boyutu dağılımına sahip karbon siyahı, daha az yüzey alanına sahip olabilir ve bu da kaplamalar, plastikler ve kauçuklarda daha düşük histerezis özellikleri ile sonuçlanarak ürünün viskozitesini azaltabilir.

Gözenek Boyutu Dağılımı ve Gözeneklilik

Karbon siyahı kristallerinin morfolojisi, elektron mikroskobu kullanılarak 2 nanometreden daha küçük bir hassasiyetle karakterize edilir. Karbon siyahındaki gözeneklilik, gaz adsorpsiyonu ve yoğunluk belirleme testleri ile ölçülür. Gözenek boyutunun belirlenmesinde en yaygın kullanılan adsorpsiyon yöntemi, BET olarak adlandırılan ve nitrojen gazı kullanılarak yapılan bir yöntemdir.

Karbon Siyahlarının Yüzey Aktivitesi

Karbon siyahı partiküllerinin yüzey pürüzlülüğü ve enerjik yüzey yapısı, farklı agrega yapılarına ve partikül boyutlarına sahip karbon siyahlarında detaylı bir şekilde incelenmektedir. Enerjik yüzey yapısı, esas olarak gaz adsorpsiyon izotermleri ile değerlendirilen ve 'saha enerji dağılımı' adı verilen bir fonksiyonla belirlenir. Karbon siyahı kristallerinin yüzey oranı, partikül boyutu, derecesi ve kristallerin üretildiği işlem türüne bağlı olarak değişir. Fırın karbon siyahı için, partikül boyutu arttıkça daha yüksek enerjili yüzey alanlarının oranı önemli ölçüde azalır ve grafitleştirme işlemi sırasında bu alanlar kaybolur. Bu durum, karbon siyahının takviye potansiyelinin, gaz adsorpsiyon teknikleriyle ölçülen yüksek enerjili yüzey alanlarının oranıyla yakından ilişkili olduğunu gösterir.

Karbon Siyahı Üretimi ve Hazırlama Yöntemleri

Karbon siyahlarının sentezi için birçok yöntem ve teknik geliştirilmiştir. Bu yöntemler, asetilen siyahı, fırın siyahı, kanal siyahı ve termal siyah gibi işlemleri içerir. Karbon siyahı üretimi, kullanılan ham maddelere bağlı olarak farklılık gösterir. Ham maddeler, doğrudan yakıt olarak kullanılan veya başka bir yakıt veya enerji ürününe dönüştürülebilen, biyolojik veya yenilenebilir özelliklere sahip malzemelerdir.

Asetilen siyahı işlemi, asetilen gazının kullanıldığı ve ardışık aşırı ısı üretimiyle karakterize edilen, daha az aktif yüzey oluşturan bir formasyon sürecidir. Bu süreçte elde edilen karbon siyahı, temel olarak iletken sistemlerde ve uygulamalarda kullanılır. Fırın siyahı işlemi, petrol, kömür katranı ve etilen katranı gibi ham maddelerin yüksek sıcaklıklarda ısıtıldığı ve karbon siyahının silindirik refrakter astarlı kaplar kullanılarak üretildiği bir yöntemdir. Bu süreçte, karbon siyahının temel özelliklerini yönlendirmek için sıcaklık, hava-yağ oranı ve yağ püskürtme konumu gibi faktörlerin kontrolü önemlidir. Termal siyah işlemi, ortalama 300 nanometre büyüklüğünde parçacıklar oluşturan doğal gaz ve petrol ürünleri gibi ham maddeler kullanır. Kanal siyahı işlemi ise, esas olarak doğal gaz kullanılarak, yüksek düzeyde oksitlenmiş yüzeyi olan ve sınırlı uygulamalara sahip parçacıklar üretir.

Karbon siyahının oluşumu, teknik olarak dört temel aşamadan geçer. İlk aşamada, kullanılan ham madde atomize edilip buharlaştırılır. İkinci aşamada, buharlaştırılan maddeler birincil parçacıkları oluşturmak için çekirdeklenir ve bu parçacıklar ilk yüzey büyümesini yaşar. Üçüncü aşamada, bu birincil parçacıklar birbirleriyle çarpışarak daha büyük agregatlar oluşturur ve bu süreçte yüzey büyümesi devam eder. Dördüncü ve son aşamada, parçacıklar olası ikincil oksidasyon reaksiyonları aracılığıyla daha da karbonize edilerek gözenekli bir yapıya kavuşturulur ve içerdikleri hidrojen giderilir. Bu süreçler sonucunda, karbon siyahı özgün özelliklerine sahip bir malzeme olarak ortaya çıkar.

Karbon Siyahı Uygulamaları

Karbon siyahı, özellikleri nedeniyle çeşitli uygulama alanlarında geniş çapta kullanılan bir materyaldir. Ana kullanım alanları arasında kauçuk üretim endüstrileri ile kaplamalar, mürekkepler ve plastikler gibi kauçuk dışı uygulamalar bulunur. Karbon siyahının kauçuk üretimindeki uygulamaları, toplam kullanımının yaklaşık %90'ını oluşturur ve bu uygulamalar esas olarak lastikler ve mekanik kauçuk ürünleri gibi iki ana sınıfa ayrılabilir. Özellikle otomotiv endüstrisindeki hortumlar ve kayışlar gibi ürünlerde karbon siyahı önemli bir takviye malzemesi olarak işlev görür, kauçuk malzemenin performansını ve dayanıklılığını artırır.

Kauçuk uygulamalarında karbon siyahı, tipik olarak N100'den N900 serisine kadar çeşitlilik gösterir, burada 'N' harfi nitrojen yüzey alanını ifade eder. Karbon siyahının kauçuk üzerindeki etkisi, partikül boyutu, gözeneklilik ve yüzey aktivitesi gibi özelliklerine bağlıdır. Partikül boyutu küçüldükçe, çekme mukavemeti, aşınma direnci, geri tepme ve dağılabilirlik artar. Gözeneklilik arttıkça, yırtılma mukavemeti ve iletkenlik artar, ancak bu geri tepme oranında bir azalmaya yol açabilir. Yüzey aktivitesinin artması, aşınma direncinde, geri tepme ve modülde artışa neden olur.

Karbon siyahının kauçuk dışı uygulamaları, toplam kullanımının yaklaşık %7'sini oluşturur ve bu uygulamalar arasında plastikler, kaplamalar ve mürekkepler öne çıkar. Pil, toner ve sızdırmazlık malzemeleri üretimi gibi diğer uygulamalar da karbon siyahını tercih etmektedir. Bu materyalin parlaklık, siyahlık, ultraviyole ışınlarından koruma ve iletkenlik gibi özellikleri, kauçuk olmayan uygulamalarda değerli kılar. Parçacık boyutunun artması, siyahlık, viskozite, ultraviyole koruma, iletkenlik ve renklendirme mukavemetini artırırken, dağılabilirliği azaltır. Gözeneklilikteki artış, viskozite ve araç talebinde artışa yol açar, bu da özellikle iletkenliğin önemli olduğu uygulamalarda yüklemelerin azaltılmasını sağlar. Yüzey aktivitesinin artması, mikro dispersiyon ve stabiliteyi artırarak sıvı sistemlerin viskozitesini düşürür.

Sonuç

Karbon siyahı, ağır petrol, kömür katranı ve etilen çatlaması gibi hammadde malzemelerin eksik yanmasıyla üretilen, yüksek yüzey alanı/hacim oranına sahip parakristalin bir karbon formudur. Bu malzemenin özellikleri, gözenekliliği, yüzey aktivitesi ve boyutu gibi faktörlere bağlı olarak, kauçuk ve kauçuk dışı malzemelerde kullanım alanlarını doğrudan etkilemektedir.