Ruß
Dieser Artikel beschreibt das Verbrennungsprodukt.
Ruß (von ahd. ruos, dunkel-, schmutzfarben) ist ein schwarzer, pulverförmiger Feststoff, der je nach Qualität und Verwendung zu 80% ... 99,5% aus Kohlenstoff besteht.
Foto: Rainer Schwarz
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Eigenschaften
Je nach ihrem Anwendungsgebiet besitzen Ruße spezielle Eigenschaftsprofile, die durch die Art des Herstellverfahrens und durch Variation der Prozessparameter gezielt beeinflusst werden.
Ruß besteht aus kleinsten, meist kugelförmigen Teilchen, die auch Primärpartikel genannt werden. Diese haben meist eine Größe von 10 nm – 300 nm, daher spricht man auch von sogenannten Nanoteilchen. Sie sind somit mehr als 1.000 Mal kleiner als der Durchmesser eines Haars. Diese Primärpartikel sind zu kettenförmigen, teilweise klumpenartigen Aggregaten zusammengewachsen. Viele dieser Aggregate lagern sich zusammen und bilden so die Agglomerate. Durch Variation der Herstellbedingungen können sowohl die Größe der Primärteilchen als auch deren Aggregierung gezielt eingestellt werden.
Bei diesen Dimensionen ist es nicht mehr nur die chemische Zusammensetzung allein, sondern auch die Größe und Form der Partikel, die die Eigenschaften bestimmen. Hinzu kommen Einflüsse durch jene Strukturen die zwischen dem reinen Kohlenstoff und den großen Molekülen von Kohlenwasserstoff(resten) liegen. Optische, elektrische und magnetische Eigenschaften, aber auch Härte, Zähigkeit oder Schmelzpunkt von Nanomaterialien unterscheiden sich deutlich von denen der makroskopischen Festkörper, darin lassen sich besondere Eigenschaften des Rußes begründen.
Andere Modifikationen von Kohlenstoff sind der ideal kristallisierte Diamant und der in Schichten aufgebaute Graphit.
Foto: Rainer Schwarz
Schadwirkung
Ruß kann aber auch als unerwünschtes Produkt bei Verbrennungsvorgängen auftreten und enthält dann meist an seiner Oberfläche adsorbierte ölige Bestandteile und Pyrolyseprodukte.
Dieser Ruß (englisch soot) hatte im Tierversuch das Potenzial Krebs auszulösen. Diese Gefährdung beruht auf den bei der unvollständigen Verbrennung als Zwischenprodukt entstehenden polyzyklischen Aromaten (PAK), die Indikatorsubstanz ist das Benzo(a)pyren. Eine komplette Verbrennung würde zwangsläufig zu Kohlendioxid (CO2) oder wenigstens zu Kohlenmonoxid (CO) führen.
In alten Heizungsanlagen setzte sich Ruß beim Abkühlen als Produkt der unvollständigen Verbrennung ab und war Ursache des Versottens von Schornsteinen. Aktuelles Beispiel ist die Diskussion um den Dieselruß in Lastkraftfahrzeugabgasen.
siehe auch: Rußzahl)
Herstellung
Ruß ist ein wichtiges technisches Produkt (Industrieruß, englisch carbon black), das durch unvollständige Verbrennung oder Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen in großen Mengen hergestellt wird.
Das wichtigste (weltweit 98%) Herstellungsverfahren für Industrieruß ist der Furnace-Prozess. Bei diesem Verfahren wird in einer Brennkammer (engl. furnace) ein Heißgas von 1200 bis 1800 °C durch Erdgas- oder Ölverbrennung erzeugt. In dieses Heißgas wird dann ein Rußrohstoff, meist aromatenreiche kohle- und erdölstämmige Ruß-Öle, eingedüst. Durch unvollkommene Verbrennung und thermische Spaltung (Pyrolyse) des Rußrohstoffs wird dabei der Ruß gebildet. Nach einer bestimmten Verweilzeit wird das Prozessgasgemisch durch Wassereindüsung schlagartig abgekühlt (Quenching) und der Ruß wird in Schlauchfiltern abgetrennt. Die Brennkammern werden ganzjährig durchgehend ("24/7") im Schichtbetrieb gefahren. Die verzögerte Abkühlung im Vergleich z.B. zum kontinuierlich arbeitenden Gasruß- bzw. Channel-Verfahren begünstigt größere Rußpartikel, siehe Bild oben.
Neben Furnace und dem Gasruß-Verfahren gibt es noch das Flammruß-, Acetylenruß- und Thermalrußverfahren. Besitzt der Ruß kleine Primärteilchen und hat weitverzweigte Aggregate, so ermöglicht er eine elektrische Leitfähigkeit in verschiedenen Anwendungen. Man spricht daher auch von sog. Leitruß oder Leitfähigkeitsruß. Für viele Anwendungen werden auch geeignete Nachbehandlungen des Rußes durchgeführt. Beispielsweise werden Ruße für hochfarbtiefe Lacke durch eine nachträgliche Oxidation des Basisrußes hergestellt. Die oxidischen Gruppen ergeben eine bessere Kompatibilität mit Netzmitteln und Harzen.
Die spezifische Oberfläche dieser Rußpartikel beträgt etwa 10-1000 m2/g. Durch die Nanostrukturierung ist es gelungen, die drei wichtigsten Kenngrößen von Autoreifen (Rollwiderstand, Nassrutschfestigkeit und Abrieb) gezielt zu optimieren. Industrieruß ist heutzutage ein Hightechwerkstoff.
Füllstoffruß
Industrie-Ruß wird zu über 90% als Füllstoff in der Gummiindustrie (hauptsächlich Autoreifen, Fördergurt) verwendet.
Für Autoreifen gibt es ungefähr 40 verschiedene Rußtypen, die dem Gummi jeweils spezifische Eigenschaften vermitteln. International üblich ist die Klassifizierung von Standardrußen nach der US-amerikanischen ASTM-Norm. Im Bereich der GUS-Staaten ist auch die abweichende GOST-Norm gebräuchlich.
| Bezeichnung | Abkürzung | ASTM-Code | Anmerkung |
|---|---|---|---|
| Super Abrasion Furnace | SAF | N 110 | sehr abriebfeste Type |
| Intermediate S.A.F. | ISAF | N 220 | Ruß für Reifenlaufflächen |
| ISAF - Low Modulus | ISAF-LM | N 234 | ISAF Variante mit besseren Verarbeitungseigenschaften |
| Super Conductive Furnace | SCF | N 294 | elektrisch leitfähige Type |
| High Abrasion Furnace | HAF | N 330 | |
| HAF - Low Structure | HAF-LS | N 326 | für Haftmischungen verwendete Type und Verbrauchmaximierung |
| HAF - High Structure | HAF-HS | N 347 | ähnlich wie N 220 |
| Fine Furnace | FF | N 440 | US-Type (in Europa nicht gebräuchlich) |
| Extra Conductive Furnace | XCF | N 472 | nicht mehr gebräuchliche Type |
| FEF - Low Structure | FEF-LS | N 539 | |
| Fast Extrusion Furnace | FEF | N 550 | Einsatz z.B. in Profilen |
| FEF - High Structure | FEF-HS | N 568 | |
| High Modulus Furnace | HMF | N 601 | US-Type (in Europa nicht gebräuchlich) |
| General Purpose Furnace | GPF | N 660 | Karkassenruß |
| SRF - Low Modulus, non staining | SRF-LM-NS | N 762 | Type für nicht verfärbende technische Artikel |
| Semi Reinforcing Furnace | SRF | N 770 | |
| Multi Processing Furnace | MPF | N 785 | selten eingesetzte Type |
| Fine Thermal | FT | N 880 | US-Type (in Europa eher nicht gebräuchlich) |
| Medium Thermal | MT | N 990 | inaktivste Type |
Leitruß
Besitzt der Ruß kleine Primärteilchen und hat weitverzweigte Aggregate, so ermöglicht er eine elektrische Leitfähigkeit in verschiedenen Anwendungen. Man spricht daher auch von sog. Leitruß oder Leitfähigkeitsruß.
Als Leitfähigkeitsruß wird er in der Elektroindustrie genutzt und als Rohstoff für Ingenieurkeramiken sowie als Elektrodenmaterial verwendet. Eine spezielle Anwendung besteht in der Herstellung elektrisch leitfähiger Druckfarbe, die als Sicherheitsmerkmal für Dokumente dient, andererseits auch für gedruckte Leiter.
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Farbruß
Ruß wird als Schwarz-Pigment (C.I. Pigment Black 7) für Druckfarben, Tuschen, Lacke, zur Einfärbung von Kunststoffen (insbesondere als UV-Schutz) genutzt. Auch in Spezialitäten wie Maskara, Graberde, Dekorpapier und Fasern dient er als Schwarzpigment.
Farbruße sind sehr feine Ruße, die durch ihre Feinheit zunehmend den braunen Grundton verlieren. Ihre Verwendung erfolgt insbesondere bei der Herstellung von schwarzen Druckfarben für die unterschiedlichsten Druckverfahren. Da die gedruckten Schichten sehr dünn und durchaus transparent sind ist eine besondere Rußqualität von Nöten. Um eine ausreichende Farbtiefe (Schwarzton) von preiswerteren Rußqualitäten zu erreichen wird oft mit Blaupigmenten geschönt. Auch für schwarze Lacke und schwarze Kunststoffe kommen Farbrußqualitäten zum Einsatz, das hier die Einfärbung im Vordergrund steht.
Ruße für hochfarbtiefe Lacke werden durch nachträgliche Oxidation des Basisrußes hergestellt. Die oxidischen Gruppen ergeben eine bessere Kompatibilität mit den Bindemitteln: Netzmittel und Harze.
weitere Anwendungen
Acetylen-Ruß (engl. acetylene black) wird als Zusatz bei der Herstellung von Kathoden für Zink-Kohle-Batterien verwendet. Die Zugabe von Acetylen-Ruß erhöht die elektrische Leitfähigkeit des elektrochemisch aktiven Mangandioxids (Braunsteins) und erlaubt eine bessere Aufnahme von Elektrolytlösung in der Kathode.
Siehe auch:
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