カーボンブラック

カーボンブラック

名前
その他の名前 アセチレンブラック チャンネルブラック 炉黒 ランプブラック サーマルブラック CIピグメントブラック6
識別子
CAS番号	1333-86-4 はい
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像
ECHA 情報カード	100.014.191
EC番号	215-609-9
E番号	E152 （カラー）
ユニ	4XYU5U00C4 はい
CompTox ダッシュボード ( EPA )	DTXSID7051216
笑顔 Ｃ
プロパティ
化学式	Ｃ
モル質量	12.011 グラムモル−1
外観	黒無地
密度	1.8～2.1  g/cm3 （ 20  ℃）[1]
水への溶解度	実質的に不溶性[1]
危険
致死量または濃度（LD、LC）：
LD 50 (平均投与量)	> 15400  mg/kg（ラット経口）[1] 3000  mg/kg（ウサギ経皮）[1]
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。 インフォボックス参照

カーボンブラック（アセチレンブラック、チャネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックのサブタイプがある）は、限られた空気供給下での石炭タール、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の不完全燃焼によって生成される物質である。カーボンブラックは、活性炭よりは低いものの、高い表面積対容積比を持つ準結晶性炭素の一種である。表面積対容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（無視できるほど低く、生体利用性がない）という点で、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や補強充填剤として、またプラスチック、塗料、インク顔料の顔料や摩耗防止添加剤として使用されています。^[2] EUでは、植物性物質から製造される場合、食品着色料として使用されています（E153）。

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の可能性がある（グループ2B）」とされています。^[3]高濃度のカーボンブラック粉塵に短期的に曝露すると、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、自動車タイヤの顔料および補強相です。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働きもあり、熱による損傷を減らしてタイヤの寿命を延ばします。低コストのため、カソードとアノードによく使用され、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、および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、材料の劣化の原因となる紫外線を吸収するため、ポリプロピレンに添加されます。カーボンブラック粒子は、一部のレーダー吸収材、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。カーボンブラックは着色力が高く安定しているため、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。電気の良導体であるカーボンブラックは、プラスチック、エラストマー、フィルム、接着剤、塗料に混ぜる充填剤として使用されます。^[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、欧州では添加物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炭素）として使用することが承認されていますが^[7]、米国では禁止されています。^[8]着色顔料のカーボンブラックは、長年にわたり食品や飲料の包装に広く使用されてきました。米国、欧州とアジアの一部、南アフリカでは多層UHT牛乳瓶に使用され、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。

カナダ政府は2011年にカーボンブラックについて広範囲にわたる調査を行い、カナダ国内の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ました。その理由は、「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することは不可能である」ことと、「カナダ国内で人命や健康に危険をもたらす、またはもたらす可能性のある量や濃度、条件下でカーボンブラックが環境に流入することはないと提案されている」ためです。^[9]

オーストラレーシアでは、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1,320万トン、金額にして137億米ドルと推定され、2016年には1,390万トン、金額にして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煤や類似の粒子とは異なりますが、ディーゼル煤のモデル化合物として使用して、ディーゼル煤がさまざまな反応条件下でどのように挙動するか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煤は、粒子サイズ、密度、共重合体吸着能力などの類似した特性があり、酸化実験などのさまざまな反応下で同様の挙動を示します。^{[12] [13] [より良い情報源が必要]}

世界の消費量は2016年から2022年の間に5.6%のCAGR（年平均成長率）を維持し、2022年までに1,920万トン、204億米ドルに達すると予測されています。^[14]

カーボンブラックの最も多い用途は、ゴム製品、特にタイヤの補強充填材としてです。スチレンブタジエンの加硫ゴム単体では引張強度が2 MPa以下で、耐摩耗性もほとんどありませんが、重量比 50% のカーボンブラックを配合すると、下表に示すように、引張強度と耐摩耗性が向上します。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。

引張および摩耗特性が重要なゴム製品はほとんどすべてカーボン ブラックを使用しているため、色は黒です。物理的特性が重要だが、白のテニス シューズのように黒以外の色が求められる場合は、沈降シリカまたはフュームド シリカがカーボン ブラックの代わりに使用されています。シリカ ベースの充填剤は、転がり損失が少ないため燃費とウェット ハンドリングのトレードオフが優れているため、自動車タイヤでも市場シェアを拡大​​しています。従来、シリカ充填剤は摩耗特性が劣っていましたが、技術が徐々に向上し、カーボン ブラックの摩耗性能に匹敵するレベルにまで達しています。

カーボン ブラック ( Color Index International、PBK-7) は、木や骨などの有機材料を炭化して伝統的に製造される一般的な黒色顔料の名前です。可視スペクトル部分の光をほとんど反射せず、アルベドがほぼゼロであるため、黒く見えます。実際のアルベドは、原材料と製造方法によって異なります。さまざまな名前で知られており、それぞれがカーボン ブラックを製造する従来の方法を反映しています。

• 象牙黒は伝統的に、象牙または骨を炭化することによって生成されていました (骨炭を参照)。
• ヴァインブラックは伝統的に、乾燥したブドウの蔓と茎を焦がして作られていました。
• 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生産されていました。

これらのタイプのカーボンブラックはすべて、先史時代から塗料顔料として広く使用されていました。^[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]が絵画にカーボンブラック顔料を使用しました。典型的な例はマネの「チュイルリー宮殿の音楽」^[17]で、黒いドレスと男性の帽子はアイボリーブラックで塗装されています。^[18]

カーボンブラックを製造する新しい方法が、これらの伝統的な方法に取って代わった。^[要出典]職人の手作業による目的であれば、どのような方法で製造されたカーボンブラックも一般的である。^[6]

すべてのカーボンブラックは、製造条件に応じてさまざまな程度で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）を持っています。 ^[19]これらの表面酸素基は総称し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。

コーティングおよびインク業界では、酸酸化されたグレードのカーボン ブラックが好まれています。製造工程中に高温乾燥機で酸を噴霧して、カーボン ブラックの固有の表面化学特性を変化させます。カーボン ブラックの表面積に化学的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、カソードまたはアノード全体に添加剤をうまく分散させることができるため、リチウムイオン電池の一般的な導電性添加剤です。^{[5] [20]充電式バッテリーに使用される他の一般的な材料の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より離れた結晶格子で構成されており、リチウム貯蔵のためのより多くの経路を可能にするため、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、大量に分散することができ、その導電効果が電池全体に均一に適用されます。^{[21] [22]}さらに、ランダムに分布したグラファイトのような結晶の配置により、グラファイトへのリチウム挿入の電位障壁が低下し、最終的にカソードの性能に影響を与えるため、電池の安定性が向上します。^[20]

カーボンブラックは軽量でバッテリー全体によく分散し、バッテリーの導電性能を高めますが、酸素を含む親水性官能基も含まれているため、バッテリー内で副反応が発生し、電解質の分解につながる可能性があります。カーボンブラックのグラファイト化（加熱）により親水性官能基が熱分解され、バッテリーのサイクル寿命が延び、カーボンブラックの導電能力が維持されると同時に、親水性官能基によってバッテリーに引き起こされる可能性のある損傷が軽減されます。

重黒鉛化、軽黒鉛化、および無黒鉛化で作成された半セルでは、重黒鉛化で作成されたセルは320サイクルの安定したサイクル寿命を示し、軽黒鉛化セルは200サイクルの安定したサイクル寿命を示し、無黒鉛化セルは160サイクルの安定したサイクル寿命を示しました。^[5]

カーボンブラックはヒトに対しておそらく発がん性があると考えられており、グループ2Bの発がん性物質に分類されている。これは、実験動物では十分な証拠があるものの、ヒトの疫学的研究では証拠が不十分であるためである。 ^[3]動物実験における発がん性の証拠は、ラットを用いた2件の慢性吸入研究と2件の気管内注入研究から得られており、曝露した動物では肺がんの発生率が有意に上昇したことが示された。 ^[3]マウスを用いた吸入研究では、曝露した動物の肺がん発生率が有意に上昇することはなかった。 ^[3]疫学的データは、カーボンブラック製造労働者の3つのコホート研究から得られたものである。英国とドイツの2つの研究では、各研究グループに1,000人以上の労働者が参加しており、肺がんによる死亡率の上昇が示された。^[3]米国の5,000人以上のカーボンブラック労働者を対象とした3番目の研究では、死亡率の上昇は示されなかった。 ^{[3]英国の研究の更新版における肺がんによる死亡率の上昇に関する新たな知見は、カーボンブラックが}末期の発がん性物質である可能性があることを示唆している。^{[23] [24]}しかし、ドイツで行われたより最近の大規模な研究では、この仮説は確認されなかった。^[25]

カーボンブラックを製造する従業員が原料のカーボンブラックを危険な量吸入する危険にさらされないようにするための厳格なガイドラインが整備されている。^[26]労働者をカーボンブラックの吸入から適切に保護するために、呼吸器用個人用保護具の使用が推奨される。推奨される呼吸器用保護具の種類は、使用されるカーボンブラックの濃度によって異なる。^[27]

職場では、吸入や皮膚や目との接触によりカーボンブラックにさらされる可能性がある。労働安全衛生局（OSHA）は、職場でのカーボンブラックへの暴露の法的制限（許容暴露限界）を8時間労働で3.5 mg/m ^{3と定めている。}国立労働安全衛生研究所（NIOSH）は、8時間労働で3.5 mg/m ^3の推奨暴露限界（REL）を設定している。1750 mg/m ³のレベルでは、カーボンブラックは直ちに生命と健康に危険を及ぼす。^[28]

Wikisource には、 1920 年のアメリカ百科事典のカーボン ブラックに関する記事のテキストがあります。

ウィキメディア・コモンズには、カーボンブラックに関連するメディアがあります。

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