Ruß

mini|Verrußte Dobbertiner Klosterkirche (1991)

Ruß (von ahd. [h]ruoz) ist ein schwarzer, pulverförmiger Feststoff, der je nach Qualität und Verwendung zu 80 % bis 99,5 % aus Kohlenstoff besteht. Ruß bezeichnet umgangssprachlich sowohl industrielle Produkte als auch unerwünschte, schädliche Nebenprodukte von Verbrennungsprozessen.

Industrieruß (, CAS-Nr.: ) ist gezielt als Industrie-Grundstoff hergestellter Ruß. Industrieruß ist zweckbedingt eine Modifikation des Kohlenstoffs mit hohem Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis und wird vor allem als Füllstoff und als Schwarzpigment (C. I. Pigment Black 6) verwendet.

Der sich bei unvollständiger Verbrennung an Rauchgasleitungen wie Schornsteinen absetzende Ruß wird als Glanzruß bezeichnet. Aus Kienspänen hergestellter Ruß heißt Kienruß.

Geschichte mini|Ruß. Oben Furnace-, unten Channelruß (TEM-Abbildung).

Die Herstellung von Rußen als Schwarzpigment für Tinte (→ Rußtinte) und Tuschen geht bis in die frühen Hochkulturen der Menschheit zurück. Zur Zeit der alten Hochkulturen der Chinesen, Ägypter und Römer stieg der Bedarf an kleinen und kleinsten Rußpartikeln beständig an, um daraus große Mengen an Tuschen und Tinten herstellen zu können. Der dafür benötigte Ruß wurde durch gezielte Verbrennung von Harzen, Pflanzenölen oder Asphalt in speziellen Öfen oder flachen Wannen gewonnen. So schreibt der römische Bauherr Marcus Vitruvius Pollio (1. Jhdt. v. Chr.) in seinem Standardwerk der Antike De Architectura über die Kunst der Herstellung von Schwarzpigment: Ein besonders edles Schwarz, das „Beinschwarz“, entstand aus der Verkohlung von Elfenbein. Die Herstellung von „Beinschwarz“ soll vom griechischen Maler und Gelehrten Apelles (um 325 v. Chr.) erfunden worden sein.Elfenbeinschwarz. Auf materialarchiv.ch, abgerufen am 9. Januar 2025.

Im Mittelalter war die Rußgewinnung Sache der Rußbrenner, die in ihren Waldhütten – meist mit Teerschwelern und Pechsiedern – stark qualmendes harzhaltiges Holz und den bei der Herstellung von Pech anfallenden Rückstand (Pechkuchen) verbrannten. Der mit dem Rauch entweichende Ruß schlug sich in der Rußkammer des Abzugs nieder, wo er abgeschabt werden konnte.Johann Carl Leuchs (Hrsg.): Vollständige Farben und Färberkunde. 3. Band, 2. Auflage, Verlag C. Leuchs, Nürnberg 1846.Ferdinand Schubert: Handbuch der Forstchemie. Brockhaus, Leipzig 1848, S. 658 ff. Ruß von feinster Qualität war der Lampenruß (auch Lampenschwarz), der in der „Rußlampe“ mit Hilfe eines dicken Baumwolldochts (in China wurde der Docht mit Saft vom echten Steinsamen getränkt) aus Ölen, Fetten, Tranen, Pech und Teeröl (in China auch Kampferöl und Tungöl)Yingxing Song, E-tu Zen Sun, Shiou-chuan Sun: Chinese Technology in the Seventeenth Century. Dover Publications, 1997, ISBN 0-486-29593-1, S. 285.Kurt Arndt, J. Zellner: Die künstlichen Kohlen. 2. Auflage. Springer, 1932, S. 50. (Reprint: ISBN 978-3-642-89488-6) bei geminderter Luftzufuhr gebrannt wurde.Hellmut Gnamm, K. Grafe, L. Jablonski u. a.: Handbuch der Gerberei und Lederfabrikation. 3. Band, 1. Teil, Springer, 1936, S. 544. (Reprint: ISBN 978-3-7091-2211-2) Ruß wurde benötigt zur Herstellung von Lederfarbe, Malfarben, Druckerschwärze, Tinten und Wagenschmiere. Eine Anleitung zur Rußherstellung findet sich im Codex latinus Monacensis 4, einer um 1470 im Kloster Tegernsee entstandenen Handschrift. Um besonders feinen Ruß für spezielle Anwendungen herzustellen, wurden vor allem Baumharze unter begrenzter Luftzufuhr verbrannt (→ Pecherei). Bis in das 16. Jahrhundert war dies das einzige bekannte Verfahren zur Rußherstellung mit kleinsten Partikelgrößen, die mit Industrieruß vergleichbar sind. Dieses Verfahren kommt noch unter dem Namen Flammrußverfahren zum Einsatz. Ab dem 19. Jahrhundert wurde Ruß vermehrt aus Erdgas und Steinkohlenteer gewonnen. (PDF; 306 kB), auf riskcart.wzu.uni-augsburg.de, abgerufen am 16. August 2016. Auf user.hosting-agency.de, abgerufen am 16. August 2016.

Der Begriff „Carbon Black“ verbreitete sich in den 1870er Jahren, als die aus Erdgas hergestellten Produkte unter diesem Namen verkauft wurden. 1882 wurde durch Godfrey Lowell Cabot die erste Produktionsstätte für Industrieruß gegründet, welche mit dem Channelrußverfahren zu „Channel Black“ betrieben wurde. Verwendung fand der Ruß hauptsächlich als Bestandteil von Druckerschwärze. Da Erdgas in Deutschland nur in unbedeutenden Mengen zur Verfügung stand, wurde intensiv nach Alternativen unter Verwendung einheimischer Rohstoffe gesucht. Steinkohlenteer fällt in Gaswerken bei der Kondensation von Gas in bedeutenden Mengen an. 1889 entwickelte Otto Thalwitzer auf Basis von Teeröl aus Steinkohlenteer das Furnaceverfahren. Obwohl „geschlossene Reaktoren“ entwickelt waren und die Furnaceverfahren wesentlich höhere Ausbeuten ergeben, setzte sich das Oil-Furnaceverfahren aufgrund der Verknappung der Primärenergieträger erst 1943 durch.

Die Massenfertigung von Rußen setzte in Folge der expandierenden Reifenindustrie ein in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Als Verstärkerfüllstoff optimieren Ruße die physikalischen Eigenschaften der Reifen und fördern ihre Langlebigkeit. Die ersten größeren Anlagen wurden als Channel-Black-Anlagen auf den Ölfeldern in den USA gebaut, um einen Teil des bei der Ölförderung austretenden Erdgases zu verwerten. Die Ausbeuten waren gering (5 %), was wegen des Überschusses an Erdgas keine Rolle spielte. Ab 1920 wurden in den USA das Thermalrußverfahren, zuerst zur Gewinnung von Wasserstoff für Luftschiffe, und das Gas-Furnaceverfahren entwickelt, diese haben eine größere Ausbeute und produzieren weniger Emissionen. 1922 wurde das Oil-Furnaceverfahren patentiert, es wurde aber erst später genutzt.

In Deutschland wurde 1934 das Degussa-Gasrußverfahren („Gas-Black“ auf Basis von Teerölen) entwickelt. Unter den Nationalsozialisten war Industrieruß ein kriegswichtiger Rohstoff; in den neu gegründeten Gemeinschaftsunternehmen von Degussa und Reifenherstellern wurde nach dem Gasrußverfahren produziert. So erfolgte 1936 die Gründung der „Deutschen Gasrußwerke GmbH & Co. KG“ in Dortmund.Kalscheuren – Stammsitz der Industrierußaktivitäten. Auf geschichte.evonik.de, abgerufen am 18. März 2013. Der stark steigende Bedarf der Reifenindustrie sorgte ab 1937 in den USA für die weitere Entwicklung des Oil-Furnacerußverfahrens, das eine Ausbeute je nach Produkteigenschaft von 10 % bis 70 % erreicht, es wurde 1943 erstmals kommerziell genutzt.John J. McKetta Jr.: Encyclopedia of Chemical Processing and Design: Volume 6, Marcel Dekker, 1978, ISBN 0-8247-2456-9, S. 189.

Technisch verlief die Entwicklung der „Furnaceruße“ in vier Wellen: Eine erste Generation von Produkten unterschied sich hauptsächlich in der Größe der Primärpartikel und damit der spezifischen Oberfläche (N110, N220, …, N990), in einer zweiten Generation wurde das Aggregierungsverhalten, also der „Verwachsungsgrad“ der Primärpartikel, die „Struktur“ variiert. In den 1970er und 1980er Jahren wurden beispielsweise über die Verweilzeit direkt anwendungstechnische Eigenschaften des Gummis beeinflusst. In den 1990er Jahren schließlich kamen andere Füllstoffe auf den Markt, so das Kieselsäure-Silan-System in dem von Michelin patentierten Grünen Reifen, mit dem der Rollwiderstand und damit der Benzinverbrauch gesenkt wurde. So wurden die nanostrukturierten Industrieruße als vierte Innovationsgeneration von Reifenrußen entwickelt.

Hersteller Zu den größten Herstellern von Industrierußen (Carbon Black) zählen unter anderem: Birla Carbon (ein Unternehmen des indischen Mischkonzerns Aditya Birla) Cabot Corporation (Spezialchemieunternehmen und einer der größten Rußhersteller) Orion Engineered Carbons (das ehemalige globale Carbon Black-Geschäft von Evonik Industries, seit 2011 eigenständig und seit 2014 gelistet an der New York Stock Exchange) Phillips Carbon Black (größter nationaler Rußhersteller Indiens)

Eigenschaften Zwei fundamentale Eigenschaften des Industrierußes bestimmen die zwei Hauptanwendungsgebiete: die Verstärkungswirkung in Gummi (Natur- und Synthesekautschuk) die Farbe des Industrierußes als meistverbreitetes Schwarzpigment die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit die Beständigkeit gegen UV-Strahlung Industrieruß besteht aus kleinen, meist kugelförmigen Teilchen (Primärpartikel oder auch Nodule). Diese haben meist eine Größe von 10 bis 300 Nanometern. Diese Primärpartikel sind zu kettenförmigen, teilweise klumpenartigen Aggregaten zusammengewachsen. Viele dieser Aggregate lagern sich zusammen und bilden so die Agglomerate. Bei diesen Dimensionen bestimmen weniger die chemische Zusammensetzung allein, sondern vorrangig Größe und Form der Partikel die Eigenschaften. Die Schüttdichte von Rußpulver beträgt etwa 80 kg/m3.

Optische, elektrische und magnetische Eigenschaften, sowie Härte, Zähigkeit und Schmelzpunkt von Nanomaterialien unterscheiden sich deutlich von denen der jeweiligen makroskopischen Festkörper. Daraus erklären sich die besonderen Eigenschaften von Ruß.

Die spezifische Oberfläche von Industrieruß beträgt etwa BET 10 bis 1500 m2/g.Alessandro Lavacchi, Hamish Miller, Francesco Vizza: Nanotechnology in Electrocatalysis for Energy. Springer, 2013, ISBN 978-1-4899-8058-8, S. 121 f. Industrieruß kann gezielt mit speziellen Eigenschaften erzeugt werden, Einflussgrößen dafür sind: die Art des Herstellverfahrens, Änderungen von Prozessparametern wie Druck, Temperatur, Reaktionszeit, Eindüsung, Rohstoff. Es können die Größe der Primärteilchen und deren Aggregierung gezielt beeinflusst werden.

Die folgende Liste gibt eine Übersicht der Eigenschaften von Rußqualitäten.Hans G. Hirschberg: Handbuch Verfahrenstechnik und Anlagenbau: Springer, 1999, S. 222. (Reprint: 2014, ISBN 978-3-642-63550-2)Joachim Voigt: Die Stabilisierung der Kunststoffe gegen Licht und Wärme. Springer, 1966, S. 188. (Reprint: ISBN 978-3-642-52098-3)Carbon Black. (PDF; 856 kB), auf monographs.iarc.fr, abgerufen am 26. August 2016.J. V. Koleske: Paint and Coating Testing Manual. Fourteenth Edition of the Gardner-Sward Handbook, ASTM Int., 1995, ISBN 0-8031-2060-5, S. 181.

RußartType of Carbon Black Korndurchmesser nmBET Oberfläche m2/gpH-WertZusammensetzungAusbeute %Channel Black0–30110–1203–5,5C 95,6; H 0,6; S 0,2; O 3,53-6GasrußGas Black8–3090–5003–5,5C 96; H 1; S 0,2; O 2,510–60OfenrußFurnace Black10–11024–600H. S. Katz, J. V. Mileski: Handbook Of Fillers For Plastics. Van Nostrand Reinhold, 1987, ISBN 0-442-26024-5, S. 393 f. bis 1500 (PEMFCS)2,1–9C 97,9; H 0,4; S 0,6; O 0,710–70FlammrußLamp Black60–11016–246–9C 98; H 0,2; S 0,8; O 0,850Martin Bertau, Armin Müller, Peter Fröhlich, Michael Katzberg: Industrielle Anorganische Chemie. 4. Auflage. Wiley, 2013, ISBN 978-3-527-33019-5, S. 654.SpaltrußThermal Black100–50010–507–9C 99,3; H 0,4; S 0,01; O 0,235–40AcetylenrußAcetylene Black30–5020–804,8–7C 99,7; H 0,1; S 0,02; O 0,235–40

Herstellung Industrieruß ist ein technisches Produkt, das durch unvollständige Verbrennung oder Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen hergestellt wird.Brockhaus ABC Chemie. F. A. Brockhaus Verlag, Leipzig 1965, S. 1219. Im Jahr 2006 wurden weltweit 8,1 Millionen Tonnen, im Jahr 2011 wurden 10,8 Millionen Tonnen produziert. Auf carbon-black.org, abgerufen am 18. März 2013.Carbon Black World Data Book 2012. Auf researchandmarkets.com, abgerufen am 18. März 2013.

Herstellungsverfahren lang=de|mini|Furnaceruß-Herstellung mini|Flammrußverfahren (veraltet) lang=de|mini|Gasruß-Verfahren

Industrieruß wird nach seiner Herstellung in Verbrennungsruß (entsteht durch unvollständige Verbrennung) und Spaltruß (entsteht durch thermische Zersetzung bzw. Pyrolyse) unterteilt.

Acetylenruß (Acetylen-Black): durch unvollständige Verbrennung von Acetylen gewonnener Ruß, Acetylenruße sind Ruße hoher Reinheit.