Nonostante i recenti progressi tecnologici e il graduale sviluppo di concetti di economia circolare, i mercati dei prodotti derivati ​​dalla pirolisi degli pneumatici possono ancora essere considerati in fase nascente. In questo articolo introduciamo cos'è il carbon black, approfondiamo i campi di applicazione del carbon black vergine e ci azzardiamo a stimare il potenziale del carbon black recuperato per sostituire la sua controparte dannosa per l'ambiente, il materiale vergine.

Alla fine di questo articolo, stimiamo la possibile dimensione annuale del mercato del nero di carbonio recuperato, ipotizzando modestamente un tasso di sostituzione del nero di carbonio vergine del 20%. Suggerimento: i numeri suggeriscono che la produzione di nero di carbonio recuperato è un'attività redditizia e ricca di opportunità.

Carbon black: Introduzione e definizioni

Tradizionalmente, il nerofumo (CB) è stato utilizzato sia come agente rinforzante che come riempitivo negli pneumatici per automobili. Grazie a una migliore comprensione delle proprietà uniche del CB come materiale, attualmente viene utilizzato in una gamma molto più ampia di applicazioni in una vasta gamma di prodotti: pneumatici per auto, nastri trasportatori, inchiostri, tubi in plastica, tappetini in gomma, suole per scarpe e così via. Il CB vergine contiene solo tracce di impurità e il contenuto di carbonio è molto vicino al 100%.

Il nerofumo vergine (vCB) è un materiale sotto forma di polvere nera fine, prodotto dalla combustione incompleta di prodotti petroliferi pesanti come il catrame FCC, il catrame di carbone o il catrame da cracking dell'etilene. Il nerofumo è una forma di carbonio paracristallino con un elevato rapporto superficie/volume, sebbene inferiore a quello del carbone attivo. Il nerofumo viene utilizzato in grandi quantità come riempitivo di rinforzo nei prodotti in gomma, in particolare negli pneumatici. Mentre una vulcanizzazione di gomma pura di stirene-butadiene ha una resistenza alla trazione non superiore a 2 MPa e una resistenza all'abrasione trascurabile, la sua aggiunta al 50% in peso di nerofumo ne migliora la resistenza alla trazione e all'usura.

Il Carbon Char (CC) o Carbon Black grezzo recuperato (rCB grezzo) è uno dei prodotti immediati del processo di pirolisi. Questo materiale ha un basso valore e ha usi limitati, come la generazione di energia nei forni da cemento. Il Carbon Char deve quindi essere raffinato in base alle esigenze dei mercati e delle applicazioni finali per essere utilizzato come prodotto tecnico in applicazioni ad alto valore aggiunto.

ASTM International, un ente di normazione che introduce definizioni chiave di prodotti e materiali con oltre 12.800 standard ASTM in vigore in tutto il mondo, ha recentemente pubblicato un primo standard relativo al Carbon Black recuperato (rCB).

ILComitato ASTM D36 sul nerofumo recuperato (rCB)è stata fondata nel 2017 per supportare l'emergente settore dell'rCB in merito alla qualità e alla sicurezza dei suoi prodotti. Diversi sottocomitati sono responsabili dello sviluppo di standard per terminologia, linee guida, pratiche e metodi di prova.

Il nuovo standard ASTM (D8178) risponde all'esigenza di una terminologia comune per distinguere chiaramente il valore di rCB dal Carbon Char (CC). Inoltre, facilita la comunicazione sulle prestazioni di rCB nelle applicazioni proposte. Il D8178 sottolinea l'importanza delle differenze tra Char, Carbon Black (come definito dallo standard ASTM D3053), Carbon Black grezzo recuperato e Carbon Black recuperato (rCB).

Ancora più importante, il nome del prodotto "nero di carbonio recuperato" (rCB) dovrebbe essere applicato solo se il nero di carbonio grezzo è stato liberato da metalli e fibre ed è stato macinato, il che altrimenti conferisce al rCB nella gomma proprietà tipicamente semi-rinforzanti.

Esistono diversi processi per raffinare e valorizzare il rCB (CC) grezzo in base ai requisiti finali del prodotto. Questi processi possono essere limitati alla selezione dimensionale e alla separazione di materiali estranei (metalli e fibre) oppure all'utilizzo di prodotti chimici o altri processi per rimuovere determinati componenti interni al materiale. Il carbone raffinato derivato dalla pirolisi degli pneumatici può essere etichettato come nerofumo recuperato (rCB) e può essere adattato con vari processi per l'utilizzo nella produzione di componenti e ulteriormente raffinato per l'uso nell'industria chimica come pigmenti e riempitivi in ​​inchiostri, vernici e altri materiali.

La post-elaborazione del carbonio carbonico in rCB è complessa e richiede tecnologie ad alta intensità di capitale. L'ulteriore raffinazione di questo materiale migliorerà significativamente le proprietà del carbone carbonico, rimuoverà un'altissima percentuale di materiali estranei e lo convertirà in una materia prima di alto valore in grado di replicare in misura ragionevole le proprietà del carbonio nero vergine. A seconda dell'applicazione e dei requisiti prestazionali, l'rCB può sostituire dal 10% al 100% del vCB in vari processi produttivi.

L'applicazione ideale per il nerofumo recuperato (rCB) è l'industria manifatturiera degli pneumatici. L'industria degli pneumatici è responsabile della maggior parte del consumo mondiale di nerofumo. Tuttavia, l'industria degli pneumatici è lenta a sostituire i contenuti più elevati di vCB con rCB o ad accettarne grandi quantità nella propria produzione a causa di vincoli normativi, problemi di immagine e di approvvigionamento. Tuttavia, esiste anche una chiara tendenza all'accettazione dell'rCB tra i produttori di pneumatici. Tra gli altri, Michelin ha acquisito una partecipazione significativa in un'azienda svedese di pirolisi degli pneumatici e sta progettando un impianto di produzione di rCB in Sud America.

Panoramica degli usi del nero di carbonio

Il nero di carbonio vergine è stato utilizzato per decenni come agente rinforzante negli pneumatici ed è diventato un materiale chiave per l'intera industria della gomma. Grazie alle sue proprietà uniche, il nero di carbonio è utilizzato nella maggior parte dei settori della gomma per pneumatici e non, e si è ampliato fino a includere la pigmentazione, la stabilizzazione ai raggi ultravioletti (UV) e gli agenti conduttivi in ​​una varietà di prodotti ad alte prestazioni, sia per uso quotidiano che speciale. L'International Carbon Black Association (ICBA) ha classificato gli usi del nero di carbonio come segue:

• Pneumatici e prodotti industriali in gomma: il nerofumo viene aggiunto alla gomma sia come riempitivo che come agente rinforzante. Per vari tipi di pneumatici, viene utilizzato nei rivestimenti interni, nelle carcasse, nei fianchi e nei battistrada, utilizzando diverse tipologie in base a specifici requisiti prestazionali. Il nerofumo viene utilizzato anche in molti prodotti industriali in gomma stampati ed estrusi, come cinghie, tubi flessibili, guarnizioni, diaframmi, isolanti antivibranti, boccole, sospensioni pneumatiche, paraurti per telai e diversi tipi di pastiglie, cuffie, spazzole tergicristallo, ruote trasportatrici e passacavi.
• Plastica: i neri di carbonio sono oggi ampiamente utilizzati per imballaggi conduttivi, pellicole, fibre, modanature, tubi e composti per cavi semiconduttivi in ​​prodotti quali sacchi per rifiuti, sacchi industriali, contenitori fotografici, pellicole per pacciamatura agricola, pellicole estensibili e applicazioni di stampaggio termoplastico per l'industria automobilistica, elettrica/elettronica, elettrodomestici e contenitori soffiati.
• Composti antistatici (ESD): i carbon black sono accuratamente progettati per trasformare le caratteristiche elettriche da isolanti a conduttive in prodotti quali imballaggi elettronici, applicazioni di sicurezza e componenti automobilistici.
• Rivestimenti ad alte prestazioni: i neri di carbonio forniscono pigmentazione, conduttività e protezione UV per diverse applicazioni di rivestimento, tra cui rivestimenti per l'industria automobilistica (primer, basi e trasparenti), nautica, aerospaziale, decorativa, per il legno e industriale.
• Toner e inchiostri da stampa: i neri di carbonio migliorano le formulazioni e offrono ampia flessibilità nel soddisfare specifici requisiti di colore.

Sebbene gli usi del nero di carbonio siano molteplici, applicazioni diverse richiedono qualità e proprietà diverse.

La qualità del nero di carbonio dipende dal processo e dall'attrezzatura. Pertanto, nella scelta dell'attrezzatura da acquistare, è necessario tenere in considerazione la qualità desiderata del nero di carbonio e le esigenze di queste applicazioni.

Potenziale di mercato e principali fattori trainanti della domanda di rCB

Considerando che l'rCB è un sostituto parziale o totale del vCB in vari settori, il potenziale di mercato dell'rCB è determinato dagli attuali mercati del vCB. Secondo diversi esperti del settore e le nostre stime, negli ultimi cinque anni il consumo mondiale di vCB è aumentato costantemente e si stima in un intervallo di 11-13 milioni di tonnellate all'anno. Ciò rappresenta un mercato totale annuo di circa 16 miliardi di euro.

L'uso più comune del vCB è nelle applicazioni di gomma e plastica (grazie alle sue proprietà sia come riempitivo che come agente rinforzante). Grazie alla sua capacità di rinforzare la gomma, è ampiamente utilizzato nell'industria di produzione di pneumatici. In altre applicazioni di gomma e plastica, viene utilizzato come riempitivo. In questo caso, il riempitivo è un agente diluente e viene utilizzato principalmente per ridurre i costi di produzione. Queste applicazioni rappresentano oltre il 95% del consumo mondiale totale di CB. Circa il 4% del CB viene utilizzato come pigmento per inchiostri grazie alle sue eccellenti proprietà coloranti, mentre la frazione rimanente viene utilizzata in altre applicazioni.

Grafico: Mercati di utilizzo finale del nero di carbonio

L'industria degli pneumatici è ancora il maggiore consumatore di nerofumo vergine, con un consumo complessivo di circa 9 milioni di tonnellate negli ultimi anni, ed è rappresentata da un piccolo numero di grandi attori che dominano il mercato e hanno un elevato potere contrattuale con i fornitori. L'industria rappresenta circa il 70% del consumo mondiale di nerofumo; all'interno di questa categoria, gli pneumatici per autovetture rappresentano il 45% del consumo di nerofumo, gli pneumatici per camion e autobus il 32% e gli altri pneumatici il 23% (OTR, motociclette, aeromobili, ecc.).

I prodotti in gomma non destinati agli pneumatici rappresentano il secondo segmento più grande nel consumo di carbon black, il 20% complessivo, con circa 2-2,5 milioni di tonnellate all'anno. Questo include tutte le applicazioni della gomma, ad eccezione di pneumatici e ricostruiti, ed è ampiamente diversificato in diversi settori che producono prodotti per cinghie di gomma, fili, gomma industriale e altri settori che impiegano il carbon black nelle loro attività di compounding.

Plastica e inchiostri possono essere classificati come mercati specializzati e rappresentano quasi il 10% del consumo di vCB, ovvero 1-1,2 milioni di tonnellate all'anno. Questo segmento è inoltre diversificato in termini di applicazioni finali e di diversi gradi e formulazioni di CB personalizzate necessarie per ottenere prestazioni specifiche. L'uso di vCB in questo segmento è principalmente focalizzato come pigmento o riempitivo ad alte prestazioni.

Mentre la nostra ricerca suggerisce che fino al 100% del nerofumo vergine può essere sostituito in alcune applicazioni (ad esempio, masterbatch plastici, prodotti per coperture, inchiostri, ecc.), altre applicazioni presentano numeri più modesti. Ad esempio, il 30-50% del vCB potrebbe essere sostituito dal rCB nei fianchi degli pneumatici per autovetture.

Ipotizzando un tasso di sostituzione del 20%, stimiamo che il volume annuo del mercato globale dell'rCB possa ammontare a circa 3,2 miliardi di euro.

Questo rende il business della pirolisi incentrato sulla produzione di rCB un'attività redditizia. Sebbene il successo di un'attività dipenda da molteplici fattori, come la tecnologia di produzione e la qualità del prodotto, gli operatori del settore della pirolisi possono contare su ampie opportunità di mercato.

Riteniamo che il potenziale del nero di carbonio recuperato sia limitato al mercato globale del CB, ma siamo anche convinti che questa crescita sia inevitabile a causa del persistente cambiamento politico delle economie sviluppate verso tecnologie sostenibili e rispettose dell'ambiente. Oggi, i nuovi arrivati ​​sul mercato hanno un'opportunità unica di plasmare il settore del CB riciclato e guidarlo nei prossimi decenni.

Sono necessari sforzi concertati per aumentare il potenziale dell'industria

Tuttavia, per incrementare l'utilizzo del nerofumo recuperato da parte dell'industria e accelerare lo sviluppo del settore del rCB, sono necessari sforzi concertati di tutte le parti interessate. Il settore del rCB fa molto affidamento sulla regolamentazione e sulla ricerca. Quest'ultima è necessaria per consentire agli operatori della pirolisi di creare un output più omogeneo e stabile, mentre la prima favorirebbe l'inclusione del settore nel ciclo dell'economia circolare.

I vincoli normativi nelle grandi industrie sono stati causati principalmente dalla mancanza di standardizzazione dell'rCB. La buona notizia è che l'ASTM sta facendo progressi in questo campo e sta creando standard specifici per l'rCB. Poiché i tipici metodi di caratterizzazione del nero di carbonio basati sulle misurazioni del livello di struttura e dell'area superficiale potrebbero non essere correlati alle prestazioni in gomma a parità di materia per i prodotti di nero di carbonio recuperati, l'ASTM guiderà l'identificazione di metodi di prova specifici per l'rCB. Tuttavia, l'rCB è un prodotto sostenibile in termini di economia circolare e offre diversi vantaggi in diverse applicazioni.