A pesar de los recientes avances tecnológicos y el desarrollo gradual de conceptos de economía circular, el mercado de productos de pirólisis de neumáticos aún puede considerarse incipiente. En este artículo, presentamos una introducción al negro de humo, profundizamos en sus campos de aplicación y nos aventuramos a estimar el potencial del negro de humo recuperado para reemplazar su contraparte, el material virgen, que es perjudicial para el medio ambiente.

Al final de este artículo, realizamos una estimación del posible tamaño del mercado anual de negro de humo recuperado, asumiendo modestamente una tasa de sustitución de negro de humo virgen del 20 %. Una pista: las cifras sugieren que la producción de negro de humo recuperado es un negocio rentable y con muchas oportunidades.

Negro de carbón: Introducción y definiciones

Tradicionalmente, el negro de humo (CB) se ha utilizado como agente de refuerzo y relleno en neumáticos de automóviles. Gracias a una mejor comprensión de sus propiedades únicas como material, actualmente se utiliza en una gama mucho más amplia de aplicaciones en una gran variedad de productos: neumáticos, cintas transportadoras, tintas, tuberías de plástico, alfombrillas de goma, suelas de zapatos, etc. El CB virgen contiene solo trazas de impurezas y su contenido de carbono es muy cercano al 100 %.

El negro de humo virgen (vCB) es un material en forma de polvo negro fino producido por la combustión incompleta de productos pesados ​​del petróleo, como el alquitrán de FCC, el alquitrán de hulla o el alquitrán de craqueo de etileno. El negro de humo es una forma de carbono paracristalino con una alta relación superficie-volumen, aunque inferior a la del carbón activado. Su uso más común es como relleno de refuerzo en productos de caucho, especialmente neumáticos. Si bien la vulcanización de estireno-butadieno con goma pura presenta una resistencia a la tracción no superior a 2 MPa y una resistencia a la abrasión insignificante, al combinarlo con un 50 % de negro de humo en peso se mejora su resistencia a la tracción y al desgaste.

El carbón vegetal (CC) o negro de carbón crudo recuperado (rCB crudo) es uno de los productos inmediatos del proceso de pirólisis. Este material es de bajo valor y tiene usos limitados, como la generación de energía en hornos de cemento. Por lo tanto, el carbón vegetal debe refinarse según las necesidades del mercado y las aplicaciones finales para su uso como producto técnico en aplicaciones de alto valor.

ASTM International, un organismo de normalización que presenta definiciones clave de productos y materiales con más de 12.800 normas ASTM en funcionamiento en todo el mundo, publicó recientemente una primera norma relacionada con el negro de carbón recuperado (rCB).

ElComité ASTM D36 sobre negro de carbón recuperado (rCB)Se fundó en 2017 para apoyar a la emergente industria de rCB en la calidad y seguridad de sus productos. Varios subcomités se encargan de desarrollar estándares de terminología, directrices, prácticas y métodos de prueba.

La nueva norma ASTM (D8178) satisface la necesidad de un conjunto de términos comunes para distinguir claramente el valor del rCB del carbón vegetal (CC). Además, facilita la comunicación sobre el rendimiento del rCB en las aplicaciones propuestas. La D8178 describe la importancia de las diferencias entre el carbón vegetal, el negro de humo (según la definición de la norma ASTM D3053), el negro de humo recuperado crudo y el negro de humo recuperado (rCB).

Lo más importante es que el nombre del producto "negro de carbón recuperado" (rCB) solo debe aplicarse si el negro de carbón crudo está libre de metales y fibras y fue molido, lo que de otro modo le otorga propiedades típicamente semi-reforzantes al rCB en el caucho.

Existen varios procesos para refinar y agregar valor al rCB (CC) crudo según los requisitos finales del producto. Esto puede limitarse al cribado por tamaño y la separación de materiales extraños (metales y fibras), o al uso de productos químicos u otros procesos para eliminar ciertos componentes del material. El carbón vegetal refinado derivado de la pirólisis de neumáticos puede etiquetarse como Negro de Carbón Recuperado (rCB) y puede adaptarse a diversos procesos para su uso en la fabricación de piezas y refinarse posteriormente para su uso en la industria química como pigmento y relleno en tintas, pinturas y otros materiales.

El posprocesamiento de CC para obtener rCB es complejo y requiere tecnologías de alto capital. Un mayor refinamiento de este material mejorará significativamente las propiedades del carbón vegetal, eliminará una gran proporción de materiales extraños y lo convertirá en un producto de alto valor que puede replicar razonablemente las propiedades del carbón negro virgen. Dependiendo de la aplicación y los requisitos de rendimiento, el rCB puede reemplazar entre el 10 % y el 100 % del vCB en diversos procesos de fabricación.

La aplicación ideal para el negro de humo recuperado (rCB) es la industria de fabricación de neumáticos. Esta industria representa la mayor parte del consumo mundial de negro de humo. Sin embargo, la industria neumátca se muestra reticente a sustituir mayores contenidos de vCB por rCB o a aceptar grandes cantidades en su producción debido a restricciones regulatorias, problemas de imagen y problemas de suministro. Sin embargo, también existe una clara tendencia hacia la aceptación del rCB entre los fabricantes de neumáticos. Entre otros, Michelin ha adquirido una participación significativa en una empresa sueca de pirólisis de neumáticos y está planeando una planta de producción de rCB en Sudamérica.

Descripción general de los usos del negro de carbón

El negro de humo virgen se ha utilizado durante décadas como agente de refuerzo en neumáticos y se ha convertido en un material clave para toda la industria del caucho. Gracias a sus propiedades únicas, el negro de humo se utiliza en la mayoría de las industrias del caucho, tanto de neumáticos como de otros productos, y se ha expandido para incluir la pigmentación, la estabilización ultravioleta (UV) y los agentes conductores en una variedad de productos de uso diario y especiales de alto rendimiento. La Asociación Internacional de Negro de Humo (ICBA) clasificó los usos del negro de humo de la siguiente manera:

• Neumáticos y productos industriales de caucho: El negro de humo se añade al caucho como relleno y agente de refuerzo. En diversos tipos de neumáticos, se utiliza en revestimientos interiores, carcasas, flancos y bandas de rodadura, utilizando diferentes tipos según los requisitos específicos de rendimiento. El negro de humo también se utiliza en numerosos productos industriales de caucho moldeados y extruidos, como correas, mangueras, juntas, diafragmas, aislamiento de vibraciones, bujes, muelles neumáticos, parachoques de chasis y diversos tipos de pastillas, fuelles, escobillas limpiaparabrisas, ruedas transportadoras y ojales.
• Plásticos: Los negros de carbón se utilizan ahora ampliamente para embalajes conductores, películas, fibras, molduras, tuberías y compuestos de cables semiconductores en productos tales como bolsas de basura, bolsas industriales, contenedores fotográficos, películas de mantillo agrícola, envoltura elástica y aplicaciones de moldeo termoplástico para automóviles, aparatos eléctricos/electrónicos, electrodomésticos y contenedores moldeados por soplado.
• Compuestos de descarga electrostática (ESD): los negros de carbón están cuidadosamente diseñados para transformar las características eléctricas de aislantes a conductoras en productos como envases electrónicos, aplicaciones de seguridad y piezas de automóviles.
• Recubrimientos de alto rendimiento: Los negros de carbón proporcionan pigmentación, conductividad y protección UV para varias aplicaciones de recubrimiento, incluidos los recubrimientos automotrices (capas base de imprimación y capas transparentes), marinos, aeroespaciales, decorativos, de madera e industriales.
• Tóneres y tintas de impresión: Los negros de carbón mejoran las formulaciones y brindan una amplia flexibilidad para satisfacer requisitos de color específicos.

Si bien existen muchos usos del negro de carbón, diferentes aplicaciones requieren diferentes calidades de negro de carbón y diferentes propiedades.

La calidad del negro de humo depende del proceso y del equipo. Por lo tanto, al elegir el equipo adecuado, se debe considerar la calidad deseada del negro de humo y la demanda de estas aplicaciones.

Potencial de mercado y principales impulsores de la demanda de rCB

Considerando que el rCB sustituye parcial y totalmente al vCB en diversas industrias, el potencial de mercado del rCB está determinado por los mercados actuales de vCB. Según diversos expertos del sector y nuestras estimaciones, durante los últimos cinco años, el consumo mundial de vCB ha aumentado continuamente y se estima en un rango de 11 a 13 millones de toneladas anuales. Esto representa un mercado total anual cercano a los 16 000 millones de euros.

El uso más común del vCB es en aplicaciones de caucho y plástico (debido a sus propiedades como relleno y agente de refuerzo). Gracias a su capacidad para reforzar el caucho, se utiliza ampliamente en la industria de fabricación de neumáticos. En otras aplicaciones de caucho y plástico, se utiliza como relleno. En este caso, el relleno es un agente diluyente y se utiliza principalmente para reducir los costos de volumen. Estas aplicaciones representan más del 95% del consumo mundial total de CB. Alrededor del 4% del CB se utiliza como pigmento de tinta debido a sus excelentes propiedades de coloración, y la fracción restante se utiliza en otras aplicaciones.

Gráfico: Mercados de uso final del negro de carbón

La industria de neumáticos sigue siendo el mayor consumidor de negro de humo virgen, con un consumo total cercano a los 9 millones de toneladas en los últimos años. Está representada por un pequeño número de grandes empresas que dominan el mercado y tienen una gran influencia con los proveedores. La industria representa aproximadamente el 70% del consumo mundial de negro de humo. Dentro de esta categoría, los neumáticos para turismos representan el 45%, los neumáticos para camiones y autobuses el 32% y otros neumáticos (OTR, motocicletas, aviones, etc.) el 23%.

Los productos de caucho no destinados a neumáticos representan el segundo segmento más grande en consumo de negro de humo, con un 20% en total, con un consumo cercano a los 2-2,5 millones de toneladas anuales. Esto incluye todas las aplicaciones de caucho, excepto neumáticos y recauchutados, y está ampliamente diversificado en diversas industrias que fabrican productos para correas de caucho, alambres, caucho industrial y otras industrias que emplean negro de humo en sus procesos de compuestos.

Los plásticos y las tintas se clasifican como mercados especializados y representan cerca del 10 % del consumo de vCB: entre 1 y 1,2 millones de toneladas anuales. Este segmento también está diversificado en diferentes aplicaciones finales, así como en los distintos grados y formulaciones de vCB a medida necesarias para lograr rendimientos específicos. El uso de vCB en este segmento se centra principalmente en su uso como pigmento o relleno de alto rendimiento.

Si bien nuestra investigación sugiere que hasta el 100 % del negro de humo virgen puede sustituirse en algunas aplicaciones (p. ej., masterbatch para plásticos, productos para techos, tintas, etc.), otras aplicaciones presentan cifras más modestas. Por ejemplo, entre el 30 % y el 50 % del vCB podría sustituirse por rCB en los flancos de los neumáticos de turismos.

Suponiendo una tasa de sustitución del 20%, estimamos que el volumen anual del mercado mundial de rCB puede alcanzar unos 3.200 millones de euros.

Esto convierte al negocio de pirólisis centrado en la producción de rCB en una empresa rentable. Si bien el éxito del negocio depende de múltiples factores, como la tecnología de producción y la calidad del producto, existen amplias oportunidades de mercado para los operadores de pirólisis.

Solo vemos potencial para el negro de humo recuperado en el mercado global de CB, pero también estamos convencidos de que este crecimiento es inevitable debido al cambio político persistente de las economías desarrolladas hacia tecnologías sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. Hoy, los nuevos actores del mercado tienen una oportunidad única de transformar la industria del negro de humo recuperado y liderarla en las próximas décadas.

Se necesitan esfuerzos concertados para impulsar el potencial de la industria

Sin embargo, para impulsar el uso del negro de humo recuperado en la industria y acelerar el desarrollo de la industria del rCB, se requieren esfuerzos conjuntos de todas las partes interesadas. La industria del rCB depende en gran medida de la normativa y la investigación. Esta última es necesaria para que los operadores de pirólisis puedan generar una producción más homogénea y estable, mientras que la primera fomentaría la inclusión de la industria en el ciclo de la economía circular.

Las restricciones regulatorias en las grandes industrias se debieron principalmente a la falta de estandarización del rCB. La buena noticia es que ASTM está avanzando en este aspecto y creando normas específicas para el rCB. Dado que los métodos típicos de caracterización del negro de humo, basados ​​en mediciones de nivel de estructura y área superficial, podrían no correlacionarse con el rendimiento en caucho de igual manera para los productos de negro de humo recuperado, ASTM impulsará la identificación de métodos de prueba específicos para el rCB. Sin embargo, el rCB es un producto sostenible en términos de economía circular y ofrece diferentes beneficios según la aplicación.