KARBON SİYAHI NEDİR ?

Karbon siyahı, yağ veya gaz gibi bir hidrokarbon yakıtın, sınırlı miktarda yanma havası ile 1320 ila 1540 ° C arasındaki sıcaklıklarda reaksiyona sokulmasıyla oluşan bir pigmenttir. Geniş yüzey alanına sahip ve esas olarak karbondan oluşan çok kabarık ince bir tozdur.  Karbon siyahı, içerik olarak % 95 karbon elementine sahip olmakla beraber, az miktarlarda oksijen, hidrojen ve nitojen de içermektedir.

“Karbon Siyahının mikroskop altındaki görüntüsü.”

KARBON SİYAHIN ÜRETİM METODLARI

Üretim metodları sonucu farklı standartlarda karbon siyahı çeşitleri ortaya çıkmaktadır. Karbon siyahı, üretim metoduna bağlı olarak farklı “Karbon Partikül” boyutlarına, “Agrega” boyutuna ve “Aglomera” boyutuna sahip olabilmektedir. Bu 3 boyut karbon siyahın ana özellik karakteristiklerini belirlemektedir. Karbon partikül boyutları 10 nm’ den 500 nm’ ye kadar olabilmektedir.

“Karbon partikülü, partiküllerden meydana gelen Agrega yapısı ve Agregaların da birbirine bağlanmasıyla oluşan Aglomera yapısı ve boyut aralıkları.”

Bir karbon siyahının boyama gücü, renk tonu, ultraviyole dayanımı, dispersiyon kabiliyeti ve bunun gibi önemli özellikleri yukarıda verilen 3 boyuta bağlıdır.

Temel olarak Karbon Siyah, Hidrokarbonların termal ayrıştırma veya termal oksidasyon ayrıştırma metodlarıyla karbon ve hidrojen bileşenlerine parçalanmasıyla elde edilir. En yaygın üretim metodu temel oksidasyon ayrıştırma grubuna giren “Furnace Black Reaktörü”dür.

“Bir fırın reaktöründe karbon siyahı işlemenin şematik görünümü.”

KARBON SİYAHLARIN ADLANDIRILMASI ve ASTM KODLARI

Karbon siyahları ilk olarak üretildikleri sisteme göre ve sonuç olarak sahip oldukları özelliklere göre adlandırılmıştır.

SAF Karbon Siyahı:  “Super Abrasion Furnace Black”     – Süper Aşınmalı Fırın Siyahı

HAF Karbon Siyahı: “ High-Abrasion Furnace Black “     – Yüksek Aşınmalı Fırın Siyahı.

SRF Karbon Siyahı: “ Semi-Reinforcing Furnace Black”  – Yarı Güçlendirici Fırın Siyahı.

Karbon Siyahı türünü belirlemek için verilen kodlamalar, Amerikan Test ve Malzeme Derneği (ASTM) tarafından daha ayrıntılı bilgi verecek şekilde tekrar tanımlanmıştır. ASTM kodu İlk olarak N veya S kodu ile başlar.

“N: Normal Cure” , “S: Slow Cure” olarak verilmiş, kauçukların “Cure” ( iyileştirme) proseslerinde karbon siyahın uygunluğu için verilmiştir. Örneğin ,

N330 Karbon Siyahı : Önceki kodlamaya göre HAF Karbon Siyahı grubuna girmektedir.

N770 Karbon Siyahı : SRF Karbon Siyahı grubuna girmektedir.

N330 ve N770 Karbon siyahları plastik sektöründe kullanılan en yaygın karbon siyahlarıdır.  

Kauçuk uygulamalarında kullanılan karbon siyahları ise tipik olarak N100 – N900 serisi siyahlar olarak sınıflandırılır, burada artan N sayısı azalan yüzey alanı ve artan tane büyüklüğünü gösterir. Tane büyüklüğü arttıkça, karbon siyahı karışım zamanı, viskozite, aşınma dayanımı ve sertlik azalır.

ASTM

İsmi

Yüzey Alanı (m2/g)

Tane Büyüklüğü (nm)

N220

ISAF – Intermediate Super Abrasion Furnace

110-140

20-25

N330

HAF – High Abrasion Furnace

70-90

26-30

N550

FEF – Fast Extrusion Furnace

36-52

40-48

N660

GPF – General Purpose Furnace

31-39

50-54

ASTM kodunda verilen 3 ve 7 gibi ilk numara karbon siyahının bulunduğu grup numarasını vermektedir ve kullanıcıya karbon siyahının ortalama partikül boyutu hakkında fikir vermektedir.

KARBON SİYAHI ÖZELLİKLERİ

Karbon partikül boyutu karbon siyahın karakteristik özelliklerine önemli etkide bulunmaktadır. Dolayısıyla, bir karbon siyahından bahsederken en önemli parametre karbon partikül boyutu denilebilir. Partiküllerin bir araya gelerek oluşturduğu agrega boyutu da bir diğer önemli parametredir.

Karbon siyahı özellikleri fizikokimyasal ve bileşik özellikler olarak ikiye ayrılır.

“Karbon Siyahı Yapısı”

FİZİKOKİMYASAL ÖZELLİKLERİ

  1. Parçacık boyutu

Bu, tek bir karbon siyahı parçacığının boyutunu ifade eder, parçacık boyutu ne kadar küçükse spesifik yüzey o kadar büyük olur.

  1. Yapı

Bu, benzer boyuttaki diğerlerine yapışan partiküllerin durumunu gösterir ve ayrıca yağ emilimini gösterir. Yağ emilimi ne kadar büyük olursa, konfigürasyon o kadar karmaşık olur.

  1. Yüzey karakteristiği

Karbon siyahının yüzeyinde çeşitli fonksiyonel gruplar birleştirilir, yüzey özelliklerini değiştirerek bileşik özelliklerini değiştirebiliriz.

  1. Toplam dağıtım

Agregaların boyutu ile ilgilidir. Dağılım keskin ise, bu aynı boyutta birçok küme olduğunu gösterir.

BİLEŞİK ÖZELLİKLERİ

  1. Takviye

Lastik dişlerinde kullanılan kauçuğa, yüksek basınçlı hortumlara karbon siyahı eklenir ve diğer zorlu uygulamalara sahiptir ve ayrıca plastiklere malzeme takviyesi olarak eklenir.

Bu özellik, karbon siyahı ve malzeme fiziksel adsorpsiyonu (karbon siyahının parçacık boyutuna ve yapısına bağlı olarak) ve karbon siyahının parçacık yüzeyi ve malzeme kimyasal reaksiyonu (karbon siyahının yüzey özelliklerine bağlı olarak) olarak ayrılabilir.

  1. İletkenlik

Doğal kauçuğa veya diğer malzemelere elektrik direncini azaltmak için iletken karbon siyahı eklenir. Örneğin: doğal kauçuğun iletkenliği 1015Ωcm iken, iletken kauçuğun (doğal kauçuk + iletken karbon siyahı) iletkenliği 1-1015Ωcm arasındadır.

Bu özelliğin, iletken kanallar oluşturan birbiriyle temas eden karbon karası parçacıklarının yapısının veya dağılmış karbon karası parçacıkları arasında sıçrayan elektronların “tünel etkisi”nin sonucu olduğuna inanılmaktadır.

  1. Pigmentasyon

Karbon siyahı güçlü renklendirme özelliklerine sahiptir, ısıya dayanıklıdır ve plastik ve film boyama için uygundur. Bu özelliğin parçacık boyutundan ve yapının ışıkla etkileşiminden kaynaklandığına inanılmaktadır.

  1. Ultraviyole Bozulmasına Karşı Önleyici Özellikler

Karbon siyahının ultraviyole ışığı emmesi mükemmeldir. Diğer malzemelere karbon siyahı eklemek, ultraviyole bozulmasını önler. Bunun nedeni, kristallerini saflaştıran karbon siyahı içeren plastiklerdeki stres çatlağının önlenmesidir.

KARBON SİYAHLARIN KULLANIM AMAÇLARI

Karbon siyah ağırlıklı olarak teker ve kauçuk sektörlerinde kullanılır. Dolgu malzemesi olarak kullanılan karbon siyahı, teker de malzemenin güçlendirilmesi, aşınma dayanımı ve yolda sürtünmeden kaynaklanan ısının tutulması amaçlı kullanılır. Böylelikle tekerin ömrünün uzun tutulması sağlanır.

Karbon siyahı aynı zamanda iyi bir iletkendir. Statik elektriklenmenin istenilmediği, araba benzin kapağı veya yakıt boruları gibi ürünlerde tercih edilir.

Karbon siyahı plastik sektöründe de ağırlıklı olarak kullanılmaktadır. Plastik ürünlerde siyah boyama amaçlı tercih edilebilmektedir. Çeşidine göre ürüne farklı tonlarda siyah renk verebilmektedir. Karbon siyahı, plastik ürünlerde, teker yapısında olduğu gibi, mukavemet açısından güçlendirici dolgu (filler) olarak katılmaktadır.

Bir diğer kullanım amacı ise karbon siyahın iyi bir “UV Absorber” olmasıdır. Bilindiği üzere plastik ürünler güneş ışınlarına maruz kaldıklarında, plastik yapısında bağlarda olan hasarlar nedeniyle hem renk solması hem de mukavemet açısından ürünün bozulması ortaya çıkmaktadır. Bu bakımdan, ürünün içerisinde muhtemel bulunan karbon siyahı tanecikleri, güneşten gelen UV ışınları tutarak ışınların plastik yapısını bozmasının önüne geçilmektedir.

Burada dikkat edilmesi gereken nokta, farklı karbon siyahları çeşitlerinin farklı UV koruma özelliklerinin bulunmasıdır. Bu konuda en önemli parametrelerden biri, karbon partikül boyutudur. Ortalama karbon partikül boyutu küçüldükçe, karbon siyahın UV Koruma kabiliyeti artmaktadır.

Üstteki resimde de görüleceği üzere, küçük yapılı N110 Karbon siyahı N990 karbon siyahına göre daha mükemmel bir UV Koruma sağlayacaktır.


Karbon siyahı üründe sağlayacağı UV korumayı etkileyen diğer önemli bir parametre de, karbon siyahın ürün içerisindeki dağılımı (dispersiyonu) dır. Karbon siyah ürün içerisinde ne kadar homojen dağıtılırsa, güneş ışınlarını yakalama o kadar başarılı olacak, dolayısıyla o derece UV Koruma sağlanacaktır.

“Karbon siyahının ürün içerisindeki dağılımı”

KARBON SİYAHININ HOMOJEN DAĞILIMI

Yapılan çalışmaya göre homojen olmayan karbon siyahı dağılımına sahip borular, homojen dağılmış karbon siyahı dağılımına sahip borulardan %80 daha az uzama göstermiştir. Daha az karbon siyahı içeren veya hiç olmayan polimer alanları, malzeme uzadıkça polimer matrisinden ayrılma gösterdi ve sonunda beklenenden çok daha erken kırılmaya yol açtı.

Bu çalışmada, su dağıtım şebekelerinde kullanılan plastik boru şeklindeki yüksek yoğunluklu polietilenin mekanik özelliklerinin bozulmasında karbon siyahı dağılımının etkisini araştırıldı. Benzer karbon siyahı yoğunluğuna sahip ancak farklı karbon siyahı dağılımlarına sahip polietilen boru numuneleri farklı gerinim oranlarında kırılmaya kadar uzatıldı. Toplu numunelerin ve kırılma yüzeylerinin karbon siyahı dağılımları, stereo ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak araştırıldı. Bu borularda karbon siyahı dağılımlarının, kırılma yüzeylerinin ve kırılma modlarının önemli ölçüde farklı olduğu bulundu. Karbon karası dağılımında belirli bir düzeyde heterojenliğe sahip borular, aynı kırılma düzleminde sünek ve gevrek kırılmalar gösterirken, homojen siyah ve doğal polietilen (karbon siyahı olmadan) sadece sünek kırılmalar göstermiştir.

Gevrek Kırılma : Malzeme yüzeyinde çok az veya hiçbir plastik defarmasyon oluşmadan meydana gelen kırılma türüdür.

Sünek Kırılma : Malzeme yüzeyinde büyük oranda plastik defarmasyonla ve buna bağlı olarak da gözlemlenebilir ölçüde çatlak ucu körleşme meydana gelen kırılma türüdür.

KARBON SİYAHININ HOMOJEN DAĞILIM TESTİ

Karbon siyahın ürün içerisinde ne kadar homojen dağılması gerektiğine dair uluslararası kabul görmüş testler mevcuttur.

  1. ASTM D2663 : Standart Test Methods for Carbon Black- Dispersion in Rubber
  2. ISO 18553 : Method for the asssessment of the degree of pigment or carbon black dispersion in polyolefin pipes, fittings and compounds

ISO 18553 test standartı %3 ve daha az karbon siyahı içeren plastik ürünler için dispersiyon oranın nasıl yapılacağını izah eder. Günümüzde mikroskop ve bilgisayar yazılımları ile bu test otomatik olarak yapılabilmektedir. Test sonucu olarak 1 ile 7 arası bir dispersiyon derecesi tayin edilmektedir. 1 en iyi dispersiyon sonucu olmakla beraber 7 en kötü dispersiyon sonucudur.

Boru sektöründe dispersiyon derecesi ≤ 3 olarak istenilmektedir. Test ayrıntıları için ISO 18553 test standartı incelenmelidir.

ISO 18553 STANDARTINA GÖRE KARBON SİYAHI DAĞILIM TESTİ PROSEDÜRÜ

Numulerin Hazırlanması

  • Sıkıştırma Metodu

Analiz edilecek üründen neşter yardımı ile her biri 0,20 mg ± 0,10 mg aralığında değişen ürünün farklı bölgelerinden altı numune alınır.

Numune temizliğinden emin olunan iki lamel arasına yerleştirilir. Ürünün mikroskop altında daha iyi gözlemlenebilmesi için numune ısıtılmalıdır.

Eğer ki fırın kullanılacaksa , iki lamel yaylı klips ile birbirine tutturulur ve numune 20 µm ± 10 µm kalınlığına erişmesi için  150 °C ve 210 °C sıcaklık aralığındaki fırına en az 10 dakika boyunca bırakılır.

Bu işlemden sonra mikroskobik inceleme için soğumaya bırakılmalıdır.

  • Mikrotom Metodu

Ürünün farklı bölgelerinden 20 µm ± 10 µm kalınlığında  ve herhangi bir yönde en az 4 mm 6 adet numune kesilir.

6 numune bir veya birden fazla temizliğinden emin olunan lamel arasına yerleştirilir.

İnceleme

6 numunenin her birinin parçacıkları ve aglomeraları en az x70 ve önerilen x100 büyütme olan mikroskopta, ışık altında incelenmelidir.

5 µm’den küçük olanları göz ardı ederek her partikülün ve aglomeranın en büyük boyutu ölçülür ve kaydedilir.

Sonrasında aşağıda verilen tabloya göre derecelendirme yapılır.

Elde edilen 6 derecenin aritmetik ortalaması

(2 + 2,5 + 3 + 2,5 + 3 + 3,5)/6 = 2,75

Elde edilen 6 derecenin aritmetik ortalaması

(3 + 3 + 2,5 + 2,5 + 3 + 3)/6 = 2,833 3