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As funções do negro de fumo em fios e cabos condutores, aplicações de isolamento e revestimento

02 / 08 / 2021 por Jinil Kim, Dra. Natalie Harris, Dra. Jun Tian

Os compostos plásticos condutores têm uma variedade de aplicações, incluindo condutor e blindagem de isolamento para fios e cabos, antiestático, dissipação eletrostática (ESD), blindagem de interferência eletromagnética (EMI) e substituição de metal. Os plásticos são normalmente isolantes elétricos. É comum usar um aditivo condutor para ajustar a condutividade dos plásticos a uma aplicação particular. Em comparação com nanotubos de carbono, fibra de carbono, grafeno e flocos ou fios de metal, o negro de fumo é o aditivo mais econômico para fazer compostos condutores. Isso se deve à tecnologia de processo altamente projetada do negro de fumo e à fácil dispersabilidade.

Este blog fala sobre as principais propriedades do negro de fumo e como elas estão relacionadas ao desempenho da condutividade, especialmente no que se refere a aplicações de fios e cabos.

1. Condutividade do negro de fumo

Em aplicações de plástico condutivo, o negro de fumo é usado principalmente para aumentar a condutividade de materiais plásticos ou para dissipar eletricidade para proteger contra descargas elétricas estáticas. A condutividade desses plásticos é determinada pelo tipo e carga do negro de fumo, bem como pelos processos de composição e fabricação das peças acabadas. O tipo de resina plástica e aditivos também influenciam a condutividade, mas para esta discussão vamos nos concentrar especificamente no negro de fumo. O negro de fumo consiste em nanopartículas primárias fundidas para formar agregados que são estruturas em cadeia tridimensionais. As propriedades medidas do negro de fumo, como área de superfície, estrutura, porosidade e atividade de superfície, todas desempenham um papel no desempenho condutor do material plástico, conforme resumido na Tabela 1. Os negros condutores tendem a ter uma área de superfície mais alta, estrutura mais alta, porosidade mais alta, mas atividade de superfície mais baixa, ou seja, maior limpeza química. Além disso, a carga e a dispersabilidade do negro de fumo também afetam a condutividade (Tabela 2).

Tabela 1. Propriedades e condutividade fundamentais do negro de fumo

Surfac

Área de superfície (tamanho de partícula primária)

  • Os negros de carbono de alta área de superfície (menor tamanho de partícula primária) fornecem uma área de superfície mais específica para a transferência de elétrons.
Structure

Estrutura (tamanho agregado)

  • O tamanho de agregado mais alto leva à formação do caminho condutor com carregamento mais baixo.
Porosity

Porosidade

  • O negro de fumo com alta porosidade contém um maior número de agregados por unidade de peso.
Surface Activity

Atividade de superfície

  • Baixa atividade de superfície (maior limpeza química) mostra maior condutividade intrínseca que ajuda a formação de um caminho condutor.

Tabela 2. Efeito do carregamento e dispersão do negro de fumo na condutividade

Carbon Black Loading

Carregamento de negro de fumo

  • Uma carga mais alta de negro de fumo leva à formação de um caminho condutor.
Dispersion

Dispersão

  • O negro de fumo melhor disperso reduz a distância entre os negros de fumo e leva à formação de um caminho condutor.

2. Aplicações de fios e cabos

Figure 1. Schematic Structure of Underground Power Cable

As indústrias de fios e cabos consomem a maior quantidade de negro de fumo condutor, a maioria dos quais é usada nas blindagens de condutor e isolamento de cabos de média e alta tensão. A Figura 1 ilustra a estrutura típica dos cabos de alimentação. A blindagem do condutor pode se ligar ao condutor de metal para fornecer uma interface suave e um campo elétrico homogeneamente distribuído para o isolamento. A blindagem de isolamento protege o isolamento contra danos do corona e oferece segurança. O negro de fumo nas blindagens do condutor e do isolamento desempenham um papel crítico na vida útil de longo prazo do cabo.

Dependendo da aplicação específica e do tipo de negro de fumo, a carga de negro de fumo pode variar de ~ 22% a ~ 44% por peso. Embora não seja uma necessidade condutiva, o negro de fumo também é usado na capa do cabo para reforçar a proteção UV.

3. Requisitos de negros de carbono em aplicações de fios e cabos

O negro de fumo é um componente essencial usado nas blindagens do condutor e do isolamento para fornecer o desempenho de condutividade desejado. Para escolher um negro de fumo, podemos observar a carga desejada de negro de fumo. A decisão é então se usar um negro de fumo com maior condutividade em cargas mais baixas ou um negro de fumo com condutividade mais baixa em cargas mais altas. No entanto, a seleção do negro de fumo não depende apenas da especificação de condutividade necessária, mas também de outros requisitos, incluindo dispersibilidade, reologia, desempenho mecânico e suavidade da superfície.

Conforme mencionado anteriormente, a condutividade dos compostos de negro de fumo é determinada não apenas pelo tipo e carga do negro de fumo, mas também pelas condições do processo, incluindo a composição e a extrusão final do cabo. Um entendimento completo de todos esses aspectos garante a otimização do desempenho condutivo.

3.1. Dispersibilidade

Os negros de carbono mostram níveis mais altos de dispersibilidade com área de superfície decrescente, porosidade mais baixa e estrutura mais alta. Conforme mostrado na relação propriedade-desempenho na Tabela 1, com exceção da estrutura, há uma compensação óbvia entre facilidade de dispersão e entrega de altos níveis de condutividade.

Portanto, quando o negro de fumo de maior condutividade é necessário, é importante encontrar um equilíbrio entre a dispersibilidade e a condutividade. Os negros de carbono com diferentes níveis de dispersão são mostrados na Figura 3.

Podemos observar alguns cenários:

Cenário 1:

Maior área de superfície e estrutura média de negro de fumo: Aqui, a energia de dispersão suficiente deve permitir a desaglomeração total para os agregados individuais para fornecer o desempenho condutor ideal e outros atributos secundários.

Cenário 2:

Área de superfície inferior e estrutura alta: Com este equilíbrio de propriedades, o negro de fumo altamente dispersível e renderá um desempenho condutor, mas com cargas ligeiramente mais altas em comparação com o negro de fumo descrito no Cenário 1. Isso significa que a energia de dispersão mais baixa é suficiente para fornecer uma boa dispersão para o desempenho de condutividade desejado. Vale a pena mencionar que a mistura excessivamente agressiva ou muita entrada de energia com este tipo de negro de fumo pode levar à quebra do agregado (estrutura mais alta = agregado mais friável) e, portanto, entregar desempenho inferior ao desejado.

Figure 3. Carbon black dispersion comparison (100X magnification images)

3.2. Limpeza

Para aplicações de fios e cabos, a limpeza de um negro de fumo é tão importante quanto a condutividade e dispersibilidade. Uma limpeza mais alta melhora a dispersão, a condutividade, a suavidade da superfície e reduz as alterações do pacote de telas no processo de composição.

A tecnologia Ultra da Birla Carbon garante excelente limpeza física; mais especificamente, baixos níveis de impurezas medidos por meio de resíduos de peneira e testes de cinzas.

Por outro lado, devido à qualidade do produto e às regulamentações químicas, a limpeza química também é um requisito importante. A limpeza química do negro de fumo pode ser medida com enxofre, PAH, iônico e outros métodos de análise de composição química.

Além da limpeza física e química, o nível de umidade presente no negro de fumo também precisa ser controlado ou minimizado antes da composição, visto que o excesso de umidade afeta adversamente a dispersão, a condutividade e o acabamento da superfície.

A demanda de plásticos condutores para fios e cabos está aumentando, e nossos negros de carbono desempenham um papel significativo. A Birla Carbon é um dos fabricantes líderes de negro de fumo e pode oferecer ampla experiência na área de aplicação de fios e cabos. Estamos respondendo às diversas demandas do mercado com um portfólio completo de produtos de negro de fumo. Nossos especialistas técnicos em todo o mundo estão prontos para colaborar com nossos clientes para ajudá-los a ter sucesso, descobrindo as soluções certas para quaisquer desafios de aplicação. Existem muitas opções quando se trata de escolher e usar o negro de fumo, portanto, incentivamos você a entrar em contato com um especialista técnico da Birla Carbon para maximizar suas chances de sucesso.

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Jinil Kim

Jinil é atualmente Gerente Sênior do laboratório de aplicação de Pretos Especiais na Coréia do Sul e Serviço Técnico, Norte da Ásia, para os mercados de plásticos, tintas e revestimentos. Trabalha na indústria de revestimentos desde 1998 e ingressou na Birla Carbon em 2009. Gosta de se comunicar com os clientes e de desenvolver soluções para os problemas de aplicativos dos clientes. Também espera apoiar o uso de negro de fumo em uma variedade de aplicações. Jinil concluiu seu curso de doutorado em eletroquímica na Korea Polytechnic University. Recebeu seu mestrado em química industrial na Inha University e seu bacharelado em engenharia química pela Korea Polytechnic University.

Dr. Natalie K. Harris

A Dra. Natalie K. Harris começou sua carreira na Birla Carbon em 1990 no Centro Europeu de P&D em Bristol, Reino Unido, com responsabilidades pelo Grupo de Análise de Materiais. A Dra. Harris mudou-se para os EUA em 1998 com a função de Diretora, Laboratório de Tecnologia de Aplicações na Sede Corporativa em Marietta, Geórgia, com a responsabilidade de gerenciar programas para avaliações de negro de fumo em pneus, MRG, plásticos, tintas e revestimentos. Alguns anos depois, a Dra. Harris deixou o ambiente de laboratório para liderar uma função global no desenvolvimento de novos produtos para os mercados de tintas e revestimentos. A função atual da Dra. Harris é Gerente de Serviços Técnicos, América do Norte, para os mercados de plásticos, tintas e revestimentos

Dr. Jun Tian

O Dr. Tian trabalha na indústria de plásticos desde que se formou na University of Connecticut em 2004 e está na Birla Carbon há 8 anos. Dr. Tian atualmente atua como Cientista Principal para liderar uma equipe de tecnologia e colaborar com nossos clientes para desenvolver soluções para uma variedade de desafios para aplicações de negros especiais.

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