Nero di carbonio - Ketjenblack EC-600JD

I neri conduttivi sono classificati come neri di carbonio speciali. I Ketjenblack, così come molti altri neri conduttivi presenti sul mercato, sono neri da forno. Sono prodotti mediante un processo in forno, in cui i flussi derivati dal petrolio subiscono una combustione incompleta in un forno in condizioni estreme. L’area superficiale BET del Ketjenblack EC-600JD è compresa tra 1200 e 1300 m² per grammo. Le applicazioni che possono trarre vantaggio da questo nero di carbonio sono le celle a combustibile e gli elettrolizzatori, i materiali per batterie, le vernici, i coloranti, i toner, nonché come supporto catalitico per numerosi materiali catalitici, ecc.

Struttura del materiale dei neri

di carbonio KetjenBlack Il KetjenBlack è un materiale con una resistività intrinseca compresa tra circa 0,01 e 0,1 [Ω·cm]. KetjenBlack è disponibile principalmente sotto forma di pellet di circa 3 mm (Figura 1). Questi pellet possono essere facilmente frantumati nelle particelle più piccole che li costituiscono: gli agglomerati, con una dimensione di circa 100 micrometri (µm). Gli agglomerati sono formati da diversi aggregati, che sono particelle ancora più piccole, di circa 0,1 - 1 µm. Gli aggregati sono le particelle chiave per la conduttività. Tendono ad aggregarsi tra loro e sono necessarie elevate forze di taglio per frantumare gli agglomerati in aggregati.


Figura 1. Struttura

del nero di carbonio Meccanismo d’azione

Per ottenere la conduttività, le particelle di nero di carbonio devono formare una rete attraverso la quale gli elettroni possano essere trasferiti. La curva di percolazione mostra la formazione di una rete conduttiva (Figura 2). Fino a un certo dosaggio, non si verifica un cambiamento significativo nella conduttività (l’inverso della resistività). A una certa concentrazione critica, il polimero/la gomma inizia a diventare conduttivo (punto di percolazione).

Quando la curva di percolazione si appiattisce, l’aggiunta di ulteriore nero di carbonio conduttivo non modifica la conduttività. Prima della curva di percolazione, il riempitivo conduttivo non è semplicemente sufficiente: la distanza tra le particelle di nerofumo è troppo grande e gli elettroni non possono trasferirsi da una particella all’altra. Quando si raggiunge la percolazione, la distanza è appena sufficiente per consentire il trasferimento degli elettroni.


Figura 2. Curva

di percolazione KetjenBlack EC-600JD rispetto a KetjenBlack EC-300J

La differenza principale tra il KetjenBlack EC-600JD e il KetjenBlack EC-300J è la frazione di vuoto, illustrata graficamente di seguito (immagine per gentile concessione di Lion Specialty Chem.). La frazione di vuoto del KetjenBlack EC-600JD è superiore rispetto al grado EC-300J e ad altri tipi commerciali di nero d’acetilene.


Resistività volumica in funzione della percentuale di riempitivo per vari KetjenBlack e altri neri

di carbonio commerciali Grazie all’eccellente conduttività elettrica e alla morfologia delle polveri di nero di carbonio KetjenBlack, è possibile ottenere facilmente una resistività volumica molto più bassa rispetto ad altri neri di carbonio commerciali (vedi immagine sotto, per gentile concessione di Lion Specialty Chem.). Una minore resistività volumetrica significa che è possibile ottenere facilmente una maggiore conduttività all’interno di un composito a base di resina contenente carbonio o di qualsiasi altro composto utilizzando una quantità inferiore di KetjenBlack EC-600JD rispetto ad altri neri di carbonio.


Â

Miscelazione

Durante la miscelazione o la formulazione, il KetjenBlack deve prima essere bagnato dal polimero presente nella matrice del composto, operazione che richiede tempo a causa della sua elevata superficie specifica e del volume dei pori (bassa densità apparente). Il processo di bagnatura può essere controllato regolando la temperatura di miscelazione. Inoltre, è necessario fornire energia di miscelazione sufficiente per disperdere uniformemente il nero di carbonio bagnato nel composto.

Per una distribuzione così uniforme del nero di carbonio è essenziale un taglio sufficiente durante la compounding. La regolazione della temperatura (bagnatura) e delle forze di taglio (dispersione degli agglomerati di Ketjenblack) sono due parametri molto importanti che devono essere calibrati con cura per trovare il miglior compromesso, soprattutto tenendo conto del tipo di polimero in uso.