Ruß

  Ruß (von ahd. ruos, dunkel-, schmutzfarben) ist ein schwarzer, zu 80 - 99,5 % aus Kohlenstoff bestehender pulverförmiger Feststoff.

Ruß ist ein wichtiges technisches Produkt (Industrieruß, englisch carbon black), das durch unvollständige Verbrennung oder Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen in großen Mengen hergestellt wird.

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) hat im Tierversuch ein Krebs auslösendes Potenzial, verstärkt durch die häufig anwesenden polyzyklischen Aromaten. (siehe auch: Dieselruß, Rußzahl)

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Herstellung

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.

Eigenschaften

Je nach ihrem Anwendungsgebiet besitzen Ruße spezielle Eigenschaftsprofile, die durch die Art des Herstellverfahrens und durch Variation der Prozessparameter gezielt beeinflusst werden können.

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. Optische, elektrische und magnetische Eigenschaften, aber auch Härte, Zähigkeit oder Schmelzpunkt von Nanomaterialien unterscheiden sich deutlich von denen der makroskopischen Festkörper. (siehe auch Nanowerkstoffe). 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.

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.

Füllstoffruße

Verwendung

Industrie-Ruß wird zu über 90% als Füllstoff in der Gummiindustrie (hauptsächlich Autoreifen, Fördergurt) verwendet. Außerdem wird er als Schwarz-Pigment (C.I. Pigment Black 7) für Druckfarben, Tuschen, Lacke, zur Einfärbung von Kunststoffen (insbesondere als UV-Schutz) genutzt. Ferner dient er als Schwarzpigment in Spezialitäten wie Maskara, Graberde, Dekorpapier und Fasern. Als Leitfähigkeitsruß wird er in der Elektroindustrie genutzt und als Rohstoff für Ingenieurkeramiken sowie als Elektrodenmaterial verwendet.

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.