أسود الكربون

يُعدّ الكربون الأسود (بأنواعه الفرعية: أسود الأسيتيلين ، وأسود القنوات ، وأسود الأفران ، وأسود المصابيح ، والأسود الحراري ) مادةً تُنتَج عن طريق الاحتراق غير الكامل لقطران الفحم ، أو المواد النباتية، أو المنتجات البترولية ، بما في ذلك زيت الوقود، وقطران التكسير التحفيزي السائل ، وتكسير الإيثيلين في ظل كمية محدودة من الهواء. ويُصنَّف الكربون الأسود ضمن أنواع الكربون شبه البلوري ، ويتميز بنسبة عالية بين مساحة السطح والحجم ، وإن كانت أقل من نسبة الكربون المنشط . ويختلف عن السخام بنسبة مساحة السطح إلى الحجم الأعلى بكثير، ومحتواه المنخفض للغاية (الذي يُعدّ ضئيلاً وغير متاح بيولوجيًا) من الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات .

يُستخدم الكربون الأسود كملون وحشو مقوي في الإطارات وغيرها من المنتجات المطاطية، وكصبغة ومادة مضافة للحماية من التآكل في البلاستيك والدهانات وأصباغ الحبر . [ ^{2 ] ويُستخدم} في الاتحاد الأوروبي كملون غذائي عند إنتاجه من مواد نباتية (E153).

يُشير التقييم الحالي للوكالة الدولية لأبحاث السرطان (IARC) إلى أن "الكربون الأسود قد يكون مادة مسرطنة للإنسان ( المجموعة 2B )". ^{[ 3 ]} وقد يُسبب التعرض قصير الأمد لتركيزات عالية من غبار الكربون الأسود إزعاجًا في الجهاز التنفسي العلوي نتيجةً للتهيج الميكانيكي.

يُستخدم الكربون الأسود بشكل شائع (70%) كمادة مُقوّية في إطارات السيارات. كما يُساعد على تبديد الحرارة من مداس الإطار ومنطقة الحزام، مما يُقلل من التلف الحراري ويُطيل عمر الإطار. وبفضل تكلفته المنخفضة، يُضاف عادةً إلى الكاثودات والأنودات، ويُعتبر بديلاً آمناً لليثيوم المعدني في بطاريات الليثيوم أيون. ^{[ 4 ]} يُخصص حوالي 20% من الإنتاج العالمي للأحزمة والخراطيم وغيرها من المنتجات المطاطية غير الإطارات. أما النسبة المتبقية (10%) فتُستخدم كصبغة في الأحبار والطلاءات والبلاستيك، بالإضافة إلى استخدامه كمادة مُضافة موصلة في بطاريات الليثيوم أيون. ^{[ 5 ]}

يُضاف الكربون الأسود إلى البولي بروبيلين لقدرته على امتصاص الأشعة فوق البنفسجية ، التي تُسبب تدهور المادة. كما تُستخدم جزيئات الكربون الأسود في بعض المواد الماصة للرادار ، وفي أحبار آلات التصوير وطابعات الليزر ، وفي أنواع أخرى من الأحبار والدهانات. وقد ساهمت قوة التلوين العالية والثبات الذي يتمتع به الكربون الأسود في استخدامه في تلوين الراتنجات والأغشية. ^{[ 6 ]} يُستخدم الكربون الأسود في تطبيقات إلكترونية متنوعة. وباعتباره موصلاً جيداً للكهرباء، يُستخدم الكربون الأسود كمادة مالئة تُخلط مع البلاستيك، والمطاط الصناعي، والأغشية، والمواد اللاصقة، والدهانات. ^{[ 6 ]} كما يُستخدم كمادة مضافة مضادة للكهرباء الساكنة في أغطية وأنابيب وقود السيارات.

يُستخدم الكربون الأسود النباتي كملون غذائي، ويُعرف في أوروبا باسم المادة المضافة E153 . وهو مُعتمد للاستخدام كمادة مضافة 153 (الكربون الأسود أو الكربون النباتي) في أستراليا ونيوزيلندا ^{[ 7 ]} ، ولكنه محظور في الولايات المتحدة الأمريكية ^{[ 8 ]} . وقد استُخدمت صبغة الكربون الأسود على نطاق واسع لسنوات عديدة في تغليف الأطعمة والمشروبات. فهي تُستخدم في زجاجات الحليب متعددة الطبقات المعالجة بالحرارة العالية جدًا (UHT) في الولايات المتحدة، وأجزاء من أوروبا وآسيا، وجنوب إفريقيا، وفي منتجات مثل أطباق الوجبات الجاهزة للميكروويف وأطباق اللحوم في نيوزيلندا.

خلصت المراجعة الشاملة التي أجرتها الحكومة الكندية عام 2011 بشأن الكربون الأسود إلى أنه يمكن الاستمرار في استخدامه في المنتجات، بما في ذلك تغليف المواد الغذائية للمستهلكين، في كندا. ويعود ذلك إلى أن "الكربون الأسود في معظم المنتجات الاستهلاكية يكون مرتبطًا بمادة أساسية وغير متاح للتعرض، كما هو الحال عند استخدامه كصبغة في البلاستيك والمطاط"، و"يُقترح أن الكربون الأسود لا يدخل البيئة بكمية أو تركيزات أو في ظل ظروف تُشكل أو قد تُشكل خطرًا على حياة الإنسان أو صحته في كندا". ^{[ 9 ]}

في أستراليا ونيوزيلندا، يجب أن يتوافق صبغ الكربون الأسود المستخدم في التغليف مع متطلبات لوائح التغليف الخاصة بالاتحاد الأوروبي أو الولايات المتحدة. وفي حال استخدام أي ملون، يجب أن يفي بالاتفاقية الجزئية الأوروبية AP(89)1. ^{[ 10 ]}

بلغ إجمالي الإنتاج حوالي 8,100,000 طن متري (8,900,000 طن قصير) في عام 2006. ^{[ 11 ]} ومن المتوقع أن يصل الاستهلاك العالمي للكربون الأسود، الذي يقدر بنحو 13.2 مليون طن متري، بقيمة 13.7 مليار دولار أمريكي، في عام 2015، إلى 13.9 مليون طن متري، بقيمة 14.4 مليار دولار أمريكي في عام 2016.

على الرغم من اختلافه عن السخام والجسيمات المشابهة، يُمكن استخدام الكربون الأسود كمركب نموذجي لسخام الديزل لفهم سلوكه بشكل أفضل في ظل ظروف تفاعل مختلفة. يتشابه الكربون الأسود وسخام الديزل في بعض الخصائص، مثل أحجام الجسيمات وكثافتها وقدرتها على امتصاص البوليمرات المشتركة، مما يُسهم في تشابه سلوكهما في تفاعلات مختلفة، كتجارب الأكسدة. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

من المتوقع أن يحافظ الاستهلاك العالمي على معدل نمو سنوي مركب قدره 5.6٪ بين عامي 2016 و 2022، ليصل إلى 19.2 مليون طن متري، بقيمة 20.4 مليار دولار أمريكي، بحلول عام 2022. ^{[ 14 ]}

يُستخدم الكربون الأسود على نطاق واسع كمادة مالئة مُقوّية في منتجات المطاط، وخاصة الإطارات. فبينما لا تتجاوز قوة شدّ المطاط المُعالَج بالصمغ النقي من الستايرين-بوتادين 2 ميجا باسكال ، ومقاومته للتآكل ضئيلة ، فإنّ إضافة 50% من الكربون الأسود (وزنًا) إليه تُحسّن من قوة شدّه ومقاومته للتآكل، كما هو موضح في الجدول أدناه. ويُستخدم الكربون الأسود بكثرة في صناعة الطيران والفضاء في المواد المطاطية المستخدمة في مكونات التحكم في اهتزازات الطائرات، مثل قواعد تثبيت المحركات.

تستخدم جميع منتجات المطاط تقريبًا، التي تُعدّ فيها خصائص الشد ومقاومة التآكل مهمة، الكربون الأسود، لذا فهي سوداء اللون. أما في الحالات التي تكون فيها الخصائص الفيزيائية مهمة ولكن يُفضّل استخدام ألوان أخرى غير الأسود، مثل الأحذية الرياضية البيضاء، فقد استُبدل الكربون الأسود بالسيليكا المترسبة أو المدخنة . كما تكتسب الحشوات القائمة على السيليكا حصة سوقية متزايدة في إطارات السيارات، لأنها توفر توازنًا أفضل بين كفاءة استهلاك الوقود والتحكم على الطرق المبللة بفضل انخفاض فقدان التدحرج. تقليديًا، كانت حشوات السيليكا تتميز بخصائص مقاومة تآكل أسوأ، ولكن التكنولوجيا تطورت تدريجيًا حتى باتت قادرة على منافسة أداء الكربون الأسود في مقاومة التآكل.

أسود الكربون ( مؤشر الألوان الدولي ، PBK-7) هو اسم صبغة سوداء شائعة، تُنتج تقليديًا من تفحيم مواد عضوية مثل الخشب أو العظام. يظهر أسود اللون لأنه يعكس القليل جدًا من الضوء في الجزء المرئي من الطيف، حيث تقترب قيمة البياض (albedo) من الصفر. وتختلف قيمة البياض الفعلية باختلاف المادة المصدرية وطريقة الإنتاج. يُعرف أسود الكربون بأسماء متعددة، يعكس كل منها طريقة تقليدية لإنتاجه.

• كان يتم إنتاج اللون الأسود العاجي تقليديًا عن طريق حرق العاج أو العظام (انظر حرق العظام ).
• كان يتم إنتاج السيجار الأسود تقليدياً عن طريق حرق كروم العنب وسيقانها المجففة .
• كان يتم إنتاج السخام تقليدياً عن طريق جمع السخام من مصابيح الزيت.

استُخدمت جميع أنواع الكربون الأسود هذه على نطاق واسع كأصباغ للرسم منذ عصور ما قبل التاريخ. ^{[ 15 ]} وقد استخدم كلٌّ من رامبرانت ، وفيرمير ، وفان دايك ، ومؤخرًا سيزان ، وبيكاسو ، ومانيه [ ^{16 ] أصباغ} الكربون الأسود في لوحاتهم. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك لوحة مانيه " الموسيقى في التويلري "، ^{[ 17 ]} حيث رُسمت الفساتين السوداء وقبعات الرجال باللون الأسود العاجي. ^{[ 18 ]}

لقد حلت الطرق الحديثة لإنتاج الكربون الأسود محل هذه المصادر التقليدية إلى حد كبير. أما بالنسبة للأغراض الحرفية ، فلا يزال الكربون الأسود المنتج بأي وسيلة شائعاً. ^{[ 6 ]}

تحتوي جميع أنواع الكربون الأسود على مركبات أكسجين ممتزة كيميائيًا (مثل مجموعات الكربوكسيل ، والكينون ، واللاكتون، والفينول ، وغيرها) على أسطحها بدرجات متفاوتة تبعًا لظروف التصنيع. ^{[ 19 ]} تُعرف هذه المجموعات الأكسجينية السطحية مجتمعةً بالمحتوى المتطاير. ومن المعروف أيضًا أن الكربون الأسود مادة غير موصلة للكهرباء نظرًا لمحتواه المتطاير.

تُفضّل صناعات الطلاء والأحبار أنواعًا من الكربون الأسود المؤكسد بالأحماض. يُرش الحمض في مجففات ذات درجة حرارة عالية أثناء عملية التصنيع لتغيير التركيب الكيميائي السطحي للكربون الأسود. وتزداد كمية الأكسجين المرتبط كيميائيًا على سطح الكربون الأسود لتحسين خصائص الأداء.

يُعدّ الكربون الأسود مادةً مضافةً موصلةً شائعةً في بطاريات الليثيوم أيون، إذ تتميز جزيئاته بصغر حجمها وكبر مساحة سطحها النوعية ، مما يسمح بتوزيعها بشكلٍ جيدٍ في جميع أنحاء المهبط أو المصعد، فضلاً عن كونها رخيصة الثمن وطويلة الأمد. ^{[ 5 ] [ 20 ]} وعلى عكس الجرافيت ، وهو أحد المواد الشائعة الأخرى المستخدمة في البطاريات القابلة للشحن، يتكون الكربون الأسود من شبكات بلورية متباعدة، مما يُعزز عملية إدخال أيونات الليثيوم (Li ⁺⁾ بينها، لأنه يُتيح مساراتٍ أكثر لتخزين الليثيوم. ^{[ 20 ]}

يتميز الكربون الأسود بكثافة منخفضة تسمح بتوزيع كمية كبيرة منه، مما يضمن توزيعًا متساويًا لخصائصه الموصلة في جميع أنحاء البطارية. ^{[ 21 ] [ 22 ]} علاوة على ذلك، يُحسّن ترتيب بلورات شبيهة بالجرافيت موزعة عشوائيًا من استقرار البطارية نظرًا لانخفاض حاجز الجهد اللازم لتداخل الليثيوم في الجرافيت، وهو ما يؤثر في نهاية المطاف على أداء الكاثودات. ^{[ 20 ]}

على الرغم من أن الكربون الأسود خفيف الوزن وموزع جيدًا في جميع أنحاء البطارية، مما يزيد من كفاءة توصيلها، إلا أنه يحتوي أيضًا على مجموعات وظيفية محبة للماء تحتوي على الأكسجين، والتي قد تُسبب تفاعلات جانبية داخل البطارية وتؤدي إلى تحلل الإلكتروليت. يُمكن لعملية الجرافيت (التسخين) للكربون الأسود أن تُحلل هذه المجموعات الوظيفية المحبة للماء حراريًا، وبالتالي تُطيل عمر البطارية، مع الحفاظ على خصائص التوصيل للكربون الأسود وتقليل الضرر الذي قد تُسببه هذه المجموعات للبطاريات.

أظهرت الخلايا النصفية المصنعة بتقنية التغرافيت الكثيف، والتغرافيت الخفيف، وبدون تغرافيت، أن الخلية المصنعة بتقنية التغرافيت الكثيف تتمتع بعمر دورة مستقر يبلغ 320 دورة، والخلية المصنعة بتقنية التغرافيت الخفيف تتمتع بعمر دورة مستقر يبلغ 200 دورة، والخلية المصنعة بدون تغرافيت تتمتع بعمر دورة مستقر يبلغ 160 دورة. ^{[ 5 ]}

• بطاقة السلامة الكيميائية الدولية 0471
• "الكربون الأسود" - دليل الجيب الخاص بالمعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH) للمخاطر الكيميائية ، مدخل موقع مركز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC)
• "صناعة الكربون الأسود" من دليل تكساس الإلكتروني
• الرابطة الدولية للكربون الأسود