カーボンブラック

カーボンブラック（アセチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのサブタイプを含む）は、石炭タール、植物性物質、または燃料油、流動接触分解タール、エチレン分解などの石油製品を、限られた空気供給下で不完全燃焼させることによって生成される物質です。カーボンブラックは、活性炭よりは低いものの、表面積対体積比が高い準結晶性炭素の一種です。表面積対体積比がはるかに高く、多環芳香族炭化水素（PAH）含有量が著しく低い（無視できるほど少なく、生体利用性がない）点で、すすとは異なります。

カーボンブラックは、タイヤやその他のゴム製品の着色剤および強化充填剤として、またプラスチック、塗料、インク顔料の顔料および耐摩耗性添加剤として使用されています。^{[ 2 ]} EUでは、植物性原料から製造された場合、食品着色料（E153）として使用されています。

国際がん研究機関（IARC）の現在の評価では、「カーボンブラックはヒトに対して発がん性がある可能性がある（グループ2B）」とされています。^{[ 3 ]}カーボンブラックの粉塵を高濃度で短期間曝露すると、機械的刺激により上気道に不快感が生じる可能性があります。

カーボンブラックの最も一般的な用途（70%）は、自動車用タイヤの補強材としてです。カーボンブラックは、タイヤのトレッドとベルト部分から熱を逃がすのにも役立ち、熱による損傷を軽減し、タイヤの寿命を延ばします。低コストであるため、カソードとアノードによく添加され、リチウムイオン電池のリチウム金属の安全な代替品と考えられています。^{[ 4 ]} 世界の生産量の約20%は、ベルト、ホース、その他のタイヤ以外のゴム製品に使用されています。残りの10%のカーボンブラックの使用は、インク、コーティング、プラスチックの顔料として、またリチウムイオン電池の導電性添加剤として使用されています。^{[ 5 ]}

カーボンブラックは、ポリプロピレンに添加されます。これは、紫外線が材料の劣化を引き起こすため、紫外線を吸収するからです。カーボンブラック粒子は、レーダー吸収材、コピー機やレーザープリンターのトナー、その他のインクや塗料にも使用されています。カーボンブラックの高い着色力と安定性により、樹脂やフィルムの着色にも使用されています。^{[ 6 ]}カーボンブラックは、電子機器のさまざまな用途に使用されています。電気伝導性に優れているため、プラスチック、エラストマー、フィルム、接着剤、塗料に混合される充填剤として使用されています。^{[ 6 ]}自動車の燃料キャップやパイプの帯電防止添加剤として使用されています。

植物由来のカーボンブラックは食品着色料として使用され、ヨーロッパでは添加物E153として知られています。オーストラリアとニュージーランドでは添加物153（カーボンブラックまたは植物性カーボン）としての使用が承認されていますが^{[ 7 ]}、米国では禁止されています^{[ 8 ]} 。着色顔料であるカーボンブラックは、食品や飲料の包装に長年広く使用されてきました。米国、ヨーロッパとアジアの一部、南アフリカでは多層UHT牛乳ボトルに、ニュージーランドでは電子レンジ対応の食事トレイや肉トレイなどに使用されています。

2011年にカナダ政府が行ったカーボンブラックに関する広範なレビューでは、カナダでは消費者向け食品包装を含む製品にカーボンブラックを引き続き使用できると結論付けられました。これは、「ほとんどの消費者向け製品では、カーボンブラックはマトリックスに結合しており、例えばプラスチックやゴムの顔料として露出できない」こと、そして「カーボンブラックが、カナダにおいて人間の生命や健康に危険を及ぼす、または及ぼす可能性のある量や濃度、あるいは条件下で環境に放出されていない」ことが理由です。^{[ 9 ]}

オーストララシアでは、包装に使用される着色顔料カーボンブラックは、EUまたは米国の包装規制の要件に準拠する必要があります。着色剤を使用する場合は、欧州部分協定AP(89)1を満たす必要があります。^{[ 10 ]}

2006年の総生産量は約810万トン（890万ショートトン）でした。 ^{[ 11 ]} 2015年のカーボンブラックの世界消費量は1320万トン、137億米ドルと推定され、2016年には1390万トン、144億米ドルに達すると予想されています。

カーボンブラックはすすや類似の微粒子とは異なりますが、ディーゼルすすのモデル化合物として使用することで、さまざまな反応条件下でのディーゼルすすの挙動をよりよく理解することができます。カーボンブラックとディーゼルすすは、粒子サイズ、密度、共重合体吸着能力などの類似した特性を持ち、酸化実験などのさまざまな反応で同様の挙動を示すことに寄与しています。^{[ 12 ] [ 13 ]}

世界の消費量は、2016年から2022年の間に年平均成長率（CAGR）5.6%を維持し、2022年には1920万トン、204億米ドルに達すると予測されている。^{[ 14 ]}

カーボンブラックの最も多量な用途は、ゴム製品、特にタイヤの補強充填剤としてです。スチレンブタジエンの純粋なゴム加硫では引張強度が2MPa以下で耐摩耗性もほとんどありませんが、重量比で50%のカーボンブラックを配合することで、引張強度と耐摩耗性が向上します（下表参照）。航空宇宙産業では、エンジンマウントなどの航空機の振動制御部品用のエラストマーによく使用されています。

引張強度と耐摩耗性が重要なゴム製品はほぼすべてカーボンブラックを使用しているため、色は黒色です。物理的特性が重要でありながら黒以外の色が求められる場合（例えば白いテニスシューズなど）、カーボンブラックの代わりに沈降シリカまたはヒュームドシリカが使用されています。シリカ系充填剤は、転がり損失が少ないため燃費効率とウェットハンドリング性能のバランスが優れていることから、自動車用タイヤでも市場シェアを拡大​​しています。従来、シリカ充填剤は耐摩耗性が劣っていましたが、技術の進歩により、カーボンブラックと同等の耐摩耗性能を実現できるようになりました。

カーボンブラック（カラーインデックスインターナショナル、PBK-7）は、木材や骨などの有機物を炭化させて作られる一般的な黒色顔料の名称です。可視光領域の光をほとんど反射しないため、アルベドがほぼゼロとなり、黒く見えます。実際のアルベドは、原料や製造方法によって異なります。カーボンブラックには様々な名称があり、それぞれが伝統的な製造方法を反映しています。

• 象牙の黒色は、伝統的に象牙や骨を炭化させることによって作られていました（骨炭を参照）。
• ブドウの黒色染料は、伝統的に乾燥させたブドウの蔓と茎を炭化させることによって作られていた。
• ランプブラックは、伝統的に石油ランプから出る煤を集めることによって作られていた。

これらのカーボンブラックはすべて、先史時代から絵具の顔料として広く使われてきました。^{[ 15 ]}レンブラント、フェルメール、ヴァン・ダイク、そして最近ではセザンヌ、ピカソ、マネ^{[ 16 ]}も、絵画にカーボンブラック顔料を使用しています。典型的な例はマネの「テュイルリーの音楽」^{[ 17 ]}で、黒いドレスと男性の帽子はアイボリーブラックで描かれています。^{[ 18 ]}

カーボンブラックを製造する新しい方法は、これらの伝統的な供給源をほぼ完全に置き換えた。しかし、職人的な用途では、どのような方法で製造されたカーボンブラックでも依然として一般的である。^{[ 6 ]}

すべてのカーボンブラックは、製造条件によって程度は異なりますが、表面に化学吸着した酸素錯体（カルボキシル基、キノン基、ラクトン基、フェノール基など）を有しています。 ^{[ 19 ]}これらの表面酸素基はまとめて揮発性成分と呼ばれます。また、揮発性成分のため、非導電性材料としても知られています。

塗料・インク業界では、酸酸化処理されたカーボンブラックが好まれます。製造工程において、高温乾燥機内で酸を噴霧することで、カーボンブラックの表面化学組成を変化させます。これにより、カーボンブラックの表面積に結合した酸素の量が増加し、性能特性が向上します。

カーボンブラックは、粒子が小さく比表面積（SSA）が大きいため、安価で長持ちするだけでなく、正極または負極全体に均一に分散できるため、リチウムイオン電池の一般的な導電性添加剤です。^{[ 5 ] [ 20 ]}充電式電池によく使用される他の材料の1つであるグラファイトとは異なり、カーボンブラックは結晶格子がより離れており、リチウム貯蔵の経路が増えるため、Li ⁺インターカレーションを促進します。^{[ 20 ]}

カーボンブラックは密度が低いため、大量に分散させることができ、その導電性が電池全体に均一に適用される。^{[ 21 ] [ 22 ]}さらに、ランダムに分布したグラファイト状結晶の配列により、グラファイトへのリチウムインターカレーションの電位障壁が低下するため、電池の安定性が向上し、最終的に正極の性能に影響を与える。^{[ 20 ]}

カーボンブラックは軽量で電池全体に均一に分散し、電池の導電性能を向上させる一方で、酸素を含む親水性官能基を有しており、これが電池内で副反応を引き起こし、電解液の分解につながる可能性がある。カーボンブラックを黒鉛化（加熱）することで、親水性官能基を熱分解し、電池のサイクル寿命を延ばすことができる。これにより、カーボンブラックの導電性能を維持しつつ、親水性官能基による電池への損傷を軽減することが可能となる。

重度黒鉛化、軽度黒鉛化、および黒鉛化なしのハーフセルを作製したところ、重度黒鉛化のセルは320サイクルの安定したサイクル寿命を示し、軽度黒鉛化のセルは200サイクルの安定したサイクル寿命を示し、黒鉛化なしのセルは160サイクルの安定したサイクル寿命を示した。^{[ 5 ]}

• 国際化学物質安全カード0471
• 「カーボンブラック」 – NIOSH 化学物質危険性ポケットガイド、CDCウェブサイトのエントリ
• テキサス・ハンドブック・オンライン版の「カーボンブラック産業」
• 国際カーボンブラック協会