CN104136551A - 生产碳黑的改进工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生产表面改性的碳黑的工艺。所述工艺包括以下步骤：以用量在碳黑的0.005％到1％范围内的硫化合物处理碳黑以实现表面基团的原位形成，从而生产表面改性的碳黑，所述表面改性的碳黑当与聚合物组合物组合时改变碳黑-聚合物相互作用以降低聚合物组合物的滞后性。还减少了包含表面改性的碳黑的聚合物组合物所需的固化时间。优选的硫化合物为亚硫酸盐或硫酸盐。

Description

生产碳黑的改进工艺
技术领域
本公开涉及一种低滞后碳黑和获得所述低滞后碳黑的改进工艺。
背景技术
多种碳黑在本领域中是已知的。这些碳黑主要在性质方面彼此不同并且通过不同程序制得。碳黑的使用取决于其性质。因为碳黑本身不能用其化学组成或用其成分来充分地表征，所以已广泛接受用其所展现的性质来表征碳黑。因此，碳黑可以例如用其表面积表征，表面积通常为一次粒度的相反量度。碳黑的另一个重要的特征为其结构，结构为个别的碳黑聚集体的复杂性或一个碳黑聚集体中“融合”在一起的一次颗粒的数目的量度。
碳黑的一个常见应用为用作橡胶和其它聚合物中的性能增强填料。碳黑的强化作用取决于碳黑与聚合基质之间的化学和物理相互作用。这种相互作用还决定着经过填充的橡胶/聚合物的性能以及其在若干方面的应用。已致力于使合并有碳黑的橡胶的性质与碳黑的性质相关联。尚未发现，碳黑的任何单一的性质若足够高或足够低，则会产生理想的橡胶组合物。在碳黑的某些性质与橡胶的耐磨性有关的情况下，其它性质与抗张强度或热积累有关。
已发现碳黑/橡胶组合物的高耐磨性为这种组合物的一个所需性质。另一个所需性质为低热积累或低滞后性。热积累为在已释放变形力之后有多少施加到由碳黑/橡胶化合物制成的产品中的弹性变形能以热的形式保留在化合物中的量度。滞后性或热积累是通过测量经受变形的样品的温度来测量。当用这种碳黑/橡胶组合物制造轮胎时，这个性质极其关键。热积累度越高，那么使用轮胎的车辆的能量损耗越大(因此，燃料效率越低)；而且，由这些橡胶制成的轮胎很可能很快毁坏。因此，非常需要通过提供低滞后碳黑来降低橡胶组合物的热积累。过去已进行了若干尝试来提供生产低滞后碳黑的工艺。下文列举这些工艺中的一些。
美国专利号4988493公开了一种用于生产碳黑的工艺和设备，这些碳黑当在用于强化的橡胶化合物中、特别是在橡胶轮胎中使用时产生低滞后性和良好磨损性。这种工艺包括将线性、基本上无涡旋的燃烧气体流供应到反应器中的原料油注入区中，将碳黑原料油的至少两股独立受控的液流供应到原料油注入区中的燃烧气体流的独立区段中，其中独立的碳黑形成反应分别在燃烧气体流的独立区段中实现，并且此后立即将其中已实现这些独立的碳黑形成反应的燃烧气体区段供应到聚集体形成区中，由此生产碳黑产品，这种碳黑产品当混配于橡胶组合物中时，向这些橡胶组合物提供改善的滞后性损失和耐磨损性质。
美国专利号4327069公开了一种通过烃类在碳黑炉中的热分解来生产负着色残差的碳黑的工艺。这种工艺包括在作为高结构区的第一碳黑形成区中产生第一碳黑形成混合物，使该第一碳黑形成混合物从第一碳黑形成区传送至作为低结构区的第二碳黑形成区以产生第二碳黑形成混合物，使第二碳黑形成混合物传送至淬火区中，在该处第二碳黑形成混合物与淬火流体接触以在低于碳黑形成温度的温度下产生含碳黑的烟雾，以及从该烟雾中分离负着色残差的碳黑。
现有技术的已知工艺需要复杂的过程控制来获得具有低滞后性的碳黑。因此，需要一种生产碳黑的简单工艺，其中碳黑的表面化学性质适宜在制造过程期间改变以生产碳黑，这种碳黑当与橡胶组合物组合时降低滞后性并且由此降低橡胶组合物中的热积累，从而提供高性能轮胎。
目的
因此，本公开的一个目的为提供一种用于制备表面改性的碳黑的简单而经济的工艺，这种表面改性的碳黑当作为强化剂与橡胶/聚合物组合物组合时有助于降低滞后性；表面改性的碳黑特别适用于制造高性能橡胶轮胎。
本公开的这些目的和其它优势将从以下描述中更显而易见。
发明内容
根据本公开，提供一种生产表面改性的碳黑的工艺，其包括用含硫化合物处理碳黑以获得表面改性的碳黑的步骤，这种表面改性的碳黑当与聚合物组合物组合时改变碳黑-聚合物相互作用以使聚合物组合物的滞后性降低至少1％，优选地降低约1％到20％。
典型地，含硫化合物是选自：硫酸钠、硫化钠、亚硫酸钠、多硫化钠、硫代硫酸钠、亚苯基二硫醚、碱金属硫酸盐、碱金属亚硫酸盐、碱金属硫化物、碱土金属硫酸盐、碱土金属亚硫酸盐、碱土金属硫化物以及其混合物。
典型地，含硫化合物以碳黑的0.005％到1％范围内的量使用。
根据本公开，含硫化合物是在碳黑的制造期间或在碳黑的制造之后添加。
典型地，用含硫化合物处理碳黑的方法步骤是通过选自以下的技术来进行：浇注、喷撒、注入、散布和扩散。
根据本公开的实施方案之一，含硫化合物呈分散液的形式。
根据本公开的另一个实施方案，该工艺进一步包括将含硫化合物与工艺用水混合以粒化碳黑的步骤。
附图说明
现在将借助于附图来描述本发明，在附图中：
图1说明根据本公开，用未改性碳黑N234(A)与经硫化钠处理的改性碳黑N234(B)制备的橡胶化合物的固化曲线的比较；以及
图2说明根据本公开，用未改性碳黑N234(A)与经硫化钠处理的改性碳黑N234(B)制备的橡胶化合物的tanδ曲线的比较。
具体实施方式
本公开设想了一种表面改性的碳黑，这种表面改性的碳黑当与聚合物组合物组合时改变碳黑-聚合物相互作用以使聚合物组合物的滞后性降低至少1％。使碳黑成为聚合物中的适用添加剂/强化剂的性质在碳黑制造期间于碳黑中形成。如粒度、形状和聚集程度等性质是通过在制造过程期间调节操作参数来控制。发现在制造过程中形成的碳黑的表面化学性质影响着作为聚合物组合物中的强化剂的碳黑的性能。碳黑的表面化学性质可以通过优选地在碳黑的制造期间，将表面改性化合物引入到碳黑表面上来改变。改变碳黑的表面化学性质的一个益处为当将碳黑添加到聚合物组合物中时改变碳黑-聚合物相互作用，以降低聚合物-碳黑化合物的滞后性。根据本公开的工艺所获得的碳黑特别适用于制造具有低滞后性的橡胶组合物以用于制造具有低热积累的轮胎。
生产表面改性的碳黑的工艺包括以下步骤：以用量在碳黑的0.005％到1％范围内的含硫化合物处理碳黑以实现表面基团的形成。由此获得的表面改性的碳黑当与聚合物组合物组合时改变碳黑-聚合物相互作用以使聚合物组合物的滞后性降低至少1％，优选地降低约1％到20％。含硫化合物是选自：硫酸钠、硫化钠、亚硫酸钠、多硫化钠、硫代硫酸钠、亚苯基二硫醚、碱金属硫酸盐、碱金属亚硫酸盐、碱金属硫化物、碱土金属硫酸盐、碱土金属亚硫酸盐、碱土金属硫化物以及其混合物。
根据本公开，碳黑是通过选自以下的技术用含硫化合物处理：浇注、喷撒、注入、散布和扩散。
优选地在炉反应器中，在碳黑的制造期间通过从浇注、喷撒、注入、散布和扩散中选出的方法将含硫化合物引入到碳黑中，从而产生表面改性的碳黑，其表面经过处理以在以改性碳黑作为强化剂的聚合物组合物中提供滞后性降低的有益性质。或者，可以通过例如喷到制造后的碳黑表面上的技术来添加含硫化合物。
根据本公开的一个实施方案，含硫化合物呈分散液的形式。典型地，该分散液是通过将含硫化合物与溶剂(优选地为水)混合来制备，以便引入到碳黑表面上。含硫化合物可以与所提供的工艺用水混合以在制造过程期间粒化碳黑。
含硫化合物当以碳黑的0.005％到1％范围内的量添加时使得在碳黑上形成表面基团，当将该碳黑添加到聚合物组合物中时，这些表面基团由于在碳黑颗粒与聚合物分子之间形成键而改变碳黑-聚合物相互作用，从而降低组合物的滞后性。较低滞后性本身以组合物的较低tanδ的形式表现。tanδ，响应变形的粘性组分与弹性组分的比率，为组合物的滞后性的量度。较低tanδ指示具有较低滞后性的组合物。指示表面改性的碳黑的tanδ降低的结果在图2中说明。
现在将参考以下非限制性实施例来描述本公开，这些实施例并不限制本公开的范围和界限。
实施例
实施例1：
将500g未粒化的碳黑(N234级)放在托盘中并且用2.5g Na2S于水(500mL)中的溶液均匀地喷撒，并使碳黑的所有表面都缓慢暴露于该溶液。经2小时的时段翻转碳黑数次，以促进良好覆盖。在烘箱中于还原气氛下于800℃下加热所得改性碳黑8小时，并且每2小时翻转4-5次。使用干燥的改性碳黑制备橡胶化合物并且进行测试(标记：N234-1-LAB)。将这种化合物的性质与使用未改性碳黑N234制备的橡胶化合物(标记：N234-UNMOD)的性质进行比较。
制备橡胶化合物
下文中提供所测试的橡胶化合物的组成。
成分 量，百分率(pph)
天然橡胶(RSS4级) 75
丁二烯橡胶(1220级) 25
碳黑(N234级) 50
氧化锌 4
硬脂酸 2
抗氧化剂(6PPD) 1.5
硫 1
加速剂(CBS) 1
将这些成分用双辊研磨机混合(摩擦比：1:1.4)，持续时间为约24分钟。将辊维持在70℃的温度下。
测试橡胶性质：
测试所制备的橡胶化合物的性质。表1中给出测试结果的概要。
表1：在实验室规模生产中使用未改性碳黑N234与经硫化钠处理的改性碳黑N234的橡胶化合物的性质的比较
实施例2：
通过将Na2S于水中的2％溶液(先前制备)以适当流速添加到粒化机中，将每单位质量碳黑100ppm的硫化钠(Na2S)添加到制造工艺的粒化步骤中。然后，按照常用工业工艺在旋转式干燥器中干燥经过处理的碳黑。收集经过处理、粒化、干燥的碳黑的样品且与橡胶混配以供测试(标记：N234-2-IND)。
制备橡胶化合物
下文中提供所测试的橡胶化合物的组成。
成分 量，百分率(pph)
天然橡胶(RSS4级) 75
丁二烯橡胶(1220级) 25
碳黑(N234级) 50
氧化锌 4
硬脂酸 2
抗氧化剂(6PPD) 1.5
硫 1
加速剂(CBS) 1
将这些成分用双辊研磨机混合(摩擦比：1:1.4)，持续时间为约24分钟。将辊维持在70℃的温度下。
测试橡胶性质
测试所制备的橡胶化合物的性质。表2中给出测试结果的概述。
表2：在工业工艺中使用未改性N234与经硫化钠处理的改性碳黑N234的橡胶化合物的性质的比较
从实施例1和2明显地展示，通过实验室处理和工业处理都实现了tanδ的显著降低。然而，在碳黑制造期间用极少量的硫化钠对碳黑进行的工业处理可更有效地降低橡胶化合物的tanδ。
与未改性碳黑N234和经硫化钠处理的改性碳黑N234混配的橡胶的固化曲线示于附图的图1中。使用碳黑制备的橡胶化合物的滞后性通过测量化合物的固化tanδ来估计，并且示于附图的图2中。
图1中所示的固化曲线A和B明显地示出，含有本公开的经硫化钠处理的改性碳黑N234的橡胶化合物更易固化，这可能是因为橡胶聚合物与经过处理的碳黑上的表面基团之间的相互作用同橡胶化合物与未改性碳黑之间的相互作用相比较大所致。同样地，图2中所示的tanδ曲线A和B示出，用本公开的经硫化钠处理的改性碳黑N234制备的橡胶化合物相较于用未改性碳黑制备的橡胶化合物展现出较低tanδ，且因此展现出较低滞后性。
技术优势
如本公开中所描述的工艺具有若干技术优势，包括(但不限于)实现以下方面：本公开提供一种生产表面改性的碳黑的简单而经济的工艺，在这种工艺中，以用量在碳黑的0.005％到1％范围内的硫化合物处理碳黑以实现表面基团的原位形成，从而生产表面改性的碳黑，这种表面改性的碳黑当与聚合物组合物组合时改变碳黑-聚合物相互作用以使聚合物组合物的滞后性降低至少1％，优选地降低约1％到20％，这种表面改性的碳黑特别适用于制造具有降低的滞后性和低热积累的高性能轮胎。
贯穿本说明书，词语“包含/包括”应理解为意味着包括所指的要素、整数或步骤，或成组要素、整数或步骤，但不排除任何其它要素、整数或步骤，或成组要素、整数或步骤。
表述“至少”或“至少一种(个)”的使用是表示一种(个)或多种(个)要素或成分或量的使用，同样地这种使用可以在本发明的实施方案中用来实现一个或多个期望目的或结果。
已包括在本说明书中的有关文献、动作、材料、装置、物品等的任何论述仅仅是出于提供本发明的背景的目的。它不应被视为承认任何或所有这些内容构成现有技术基础的一部分或为本发明相关领域中的常用一般性知识，这是因为它存在于本申请的优先日期之前的任何地方。
针对多种物理参数、尺寸或量所提及的数值仅仅为近似值，并且设想到高于/低于指派给这些参数、尺寸或量的数值的值处于本发明的范围内，除非本说明书中有特定相反的陈述。
鉴于可以应用本发明的原理的广泛多种实施方案，应了解，所说明的实施方案仅仅为示例性的。虽然本文中已着重强调了本发明的特定特征，但应了解，在不脱离本发明的原理的情况下，可以作出多种修改，并且可以在优选的实施方案中作出许多变化。在本发明或优选实施方案的本质中的这些和其它修改将为本领域技术人员从本文中的公开内容显而易见，由此应清楚地了解，前述描述性内容仅应被解释为说明本发明而非作为限制。

Claims (9)

1.一种生产表面改性的碳黑的工艺，其包括用含硫化合物处理碳黑以获得所述表面改性的碳黑的步骤，所述表面改性的碳黑当与聚合物组合物组合时改变碳黑-聚合物相互作用以使所述聚合物组合物的滞后性降低至少1％。
2.如权利要求1所述的工艺，其中所述含硫化合物选自：硫酸钠、硫化钠、亚硫酸钠、多硫化钠、硫代硫酸钠、亚苯基二硫醚、碱金属硫酸盐、碱金属亚硫酸盐、碱金属硫化物、碱土金属硫酸盐、碱土金属亚硫酸盐、碱土金属硫化物以及其混合物。
3.如权利要求1所述的工艺，其中所述含硫化合物是以所述碳黑的0.005％到1％范围内的量使用。
4.如权利要求1所述的工艺，其中所述聚合物组合物的所述滞后性的所述降低在1％到20％的范围内。
5.如权利要求1所述的工艺，其中所述含硫化合物是在所述碳黑的制造期间添加。
6.如权利要求1所述的工艺，其中所述含硫化合物是在所述碳黑的制造之后添加。
7.如权利要求1所述的工艺，其中用含硫化合物处理碳黑的所述方法步骤是通过选自以下的技术来进行：浇注、喷撒、注入、散布和扩散。
8.如权利要求1所述的工艺，其中所述含硫化合物呈分散液的形式。
9.如权利要求1所述的工艺，其进一步包括将所述含硫化合物与工艺用水混合以粒化所述碳黑的步骤。
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