DE69409838T3

DE69409838T3 - Russ

Info

Publication number: DE69409838T3
Application number: DE69409838T
Authority: DE
Inventors: Bruce E. Framingham MACKAY; Mark A. Lexington WILKINSON; Barrie J. Lexington YATES
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 1994-02-25
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2014-02-26
Also published as: HU9602330D0; CA2183861C; UA44728C2; EP0746593B2; WO1995023196A1; KR100283015B1; EP0746593A1; HUT75975A; ES2116589T5; DE69409838D1; AU6271494A; HU221241B1; EP0746593B1; JP3072856B2; CA2183861A1; ES2116589T3; JPH09509446A; BR9408544A; HK1015610A1; DE69409838T2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft neue Ruße, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind und zur Verwendung in Kunststoff- und Kautschuk-Zusammensetzungen besonders gut geeignet sind.
HINTERGRUND
Ruße können als Pigmente, Füllstoffe, Verstärkungsmittel und für eine Vielzahl anderer Anwendungen eingesetzt werden. Sie werden weithin zur Herstellung von Kautschuk-Zusammensetzungen und Kunststoff-Zusammensetzungen verwendet, wo es wünschenswert ist, für hergestellte Teile eine optimale Kombination von Compound-Verarbeitungsmerkmalen und physikalischen Eigenschaften zu erreichen.
Ruße werden im allgemeinen auf der Grundlage ihrer Eigenschaften gekennzeichnet, die, ohne darauf beschränkt zu sein, ihre spezifische Oberfläche, ihre Oberflächenchemie, ihre Aggregatgrößen und Teilchengrößen umfassen. Die Eigenschaften von Rußen werden durch im Fachgebiet bekannte Tests, einschließlich der Iodzahl (I₂-Nr.), der Dibutylphthalatzahl (DBP), der Farbzahl (TÖNUNG), des Dst, des D-Modus und des M-Verhältnisses, das als mittlerer Stokesscher Durchmesser, dividiert durch den Modus des Stokesschen Durchmessers (M-Verhältnis = Dst/D-Modus) definiert ist, analytisch bestimmt.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Literaturstellen bekannt. Diese umfassen das U.S.-Patent Nr. 4 366 139; das U.S.-Patent Nr. 4 221 772; das U.S.-Patent Nr. 3 799 788; das U.S.-Patent Nr. 3 787 562; das sowjetische Patent 1279991; das kanadische Patent 455504; das japanische Patent 61-037759; das britische Patent 1022988 und das japanische Patent 61-283635. Keine der zuvor aufgeführten Literaturstellen offenbart die Rußprodukte der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus beschreibt keine der zuvor erwähnten Literaturstellen die Verwendung, für die die Ruße der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind.
JP-A-1 229 074 offenbart einen Ruß mit einer Iodzahl von 8 bis 15 mg/g und einer DBP-Ölabsorption von 35 bis 45 ml/100 g.
Rubber Chemistry and Technology, Band 45, Nr. 1, März 1972, Seite 145 – 159, offenbart Furnace-Ruße mit einer I₂-Zahl von 8 bis 22 und einer DBP-Zahl von 28 bis 116, insbesondere einen speziellen Ruß (XC-31) mit einer I₂-Zahl von 11,8 (12) und einer DBP-Zahl von 31.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wir haben eine neue Klasse von Rußen gefunden, die zur Verwendung in Kautschuk- und Kunststoff-Zusammensetzungen vorteilhaft sind, wo physikalische und Verarbeitungs-Eigenschaften wie die Mischungsenergie, die Viskosität, die Härtungsgeschwindigkeit, das Extrusionsschrumpfen, die Zugeigenschaften, die Ermüdungsfestigkeit, die bleibende Verformung, die Härte und das Aussehen der Oberfläche wichtig sind. Es ist gefunden worden, dass diese Ruße einzigartige Eigenschaftskombinationen aufweisen, die sie zur Verwendung für Anwendungen der Extrusion, geformter Teile, Schläuche und Riemen besonders gut geeignet macht.
Diese Klasse von Furnace-Rußen weist eine Iodzahl (I₂-Zahl) von 15– 18 mg/g (Milligramm I₂ auf Gramm Ruß) und eine DBP (Dibutylphthalatzahl) von 28–33 cm³/100 g (Kubikzentimeter Dibutylphthalat auf 100 g Ruß) auf.
Wir haben auch neue Klassen von Kautschuk- und Kunststoff-Zusammensetzungen gefunden, die die Ruße enthalten.
Die Ruße der vorliegenden Erfindung können in einem Furnace-Ruß-Reaktor mit einer Verbrennungszone, einer Übergangszone und einer Reaktionszone hergestellt werden. Ein Ruß ergebendes Einsatzmaterial wird in einen Strom von heißem Verbrennungsgas eingespritzt. Die resultierende Mischung aus heißen Verbrennungsgasen und Einsatzmaterial gelangt in die Reaktionszone. Die Pyrolyse des den Ruß ergebenden Einsatzmaterials wird gestoppt, indem die Mischung nach der Bildung der Ruße der vorliegenden Erfindung abgeschreckt wird: Vorzugsweise wird die Pyrolyse durch das Einspritzen eines Abschreckfluids gestoppt. Das Verfahren zur Herstellung der neuen Ruße der vorliegenden Erfindung wird hiernach ausführlicher beschrieben.
Die Kautschuke und Kunststoffe, für die die neuen Ruße dieser Erfindung wirksam sind, umfassen natürliche und synthetische Kautschuke und Kunststoffe. Im allgemeinen können Mengen des Rußprodukts, die von etwa 10 bis etwa 300 Gew.-Teile reichen, auf jeweils 100 Gew.-Teile Kautschuk oder Kunststoff verwendet werden.
Unter den Kautschuken oder Kunststoffen, die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind Naturkautschuk, synthetischer Kautschuk und deren Derivate wie chlorierter Kautschuk; Copolymere aus etwa 10 bis etwa 70 Gew.-% Styrol und etwa 90 bis etwa 30 Gew.-% Butadien, wie ein Copolymer aus 19 Teilen Styrol und 81 Teilen Butadien, ein Copolymer aus 30 Teilen Styrol und 70 Teilen Butadien, ein Copolymer aus 43 Teilen Styrol und 57 Teilen Butadien und ein Copolymer aus 50 Teilen Styrol und 50 Teilen Butadien; Polymere und Copolymere von konjugierten Dienen, wie Polybutadien, Polyisopren, Polychloropren und dergleichen, und Copolymere solcher konjugierten Diene mit einem damit copolymerisierbaren, eine ethylenische Gruppe enthaltenden Monomer, wie Styrol, Methylstyrol, Chlorstyrol, Acrylnitril, 2-Vinylpyridin, 5-Methyl-2-vinylpyridin, 5-Ethyl-2-vinylpyridin, 2-Methyl-5-vinylpyridin, alkylsubstituierte Acrylate, Vinylketon, Methylisopropenylketon, Methylvinylether, α-Methylencarbonsäuren und deren Ester und Amide, wie Acrylsäure und Dialkylacrylsäureamid; ebenfalls zur Verwendung hierin geeignet sind Copolymere von Ethylen und anderen höheren α-Olefinen wie Propylen, Buten-1 und Penten-1; besonders bevorzugt sind die Ethylen-Propylen-Copolymere, wobei der Ethylengehalt von 20 bis 90 Gew.-% reicht, und auch die Ethylen-Propylen-Polymere, die zusätzlich ein drittes Monomer wie Dicyclopentadien, 1,4-Hexadien und Methylennorbornen enthalten. Zusätzlich bevorzugte polymere Zusammensetzungen sind Olefine wie Polypropylen und Polyethylen.
Ein Vorteil der Ruße der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Ruße zur Einarbeitung in Naturkautschuke, synthetische Kautschuke, Kunststoffe oder deren Blends für industrielle Anwendungen brauchbar sind, insbesondere, wenn die Compoundverarbeitungsmerkmale und die Kennwerte des Teils wichtig sind.
Ein weiterer Vorteil der Ruße der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass diese verwendet werden können, um Blends von thermischen und Furnace-Rußen bei Anwendungen zu ersetzen, für die gegenwärtig die Verwendung von Rußmischungen erforderlich ist, um die erwünschten Kennwerte zu erreichen.
Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, ausführlicheren Beschreibung der Erfindung offensichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
1 ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines Typs eines Furnace-Ruß-Reaktors, der zur Herstellung der Ruße der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
2 ist ein Probenhistogramm der Gewichtsteile der Aggregate einer Rußprobe als Funktion des Stokesschen Durchmessers in einer gegebenen Probe.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die analytischen Eigenschaften der neuen Klasse von Furnace-Rußen der vorliegenden Erfindung sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt: Tabelle 1. Neue Rußklassen
Die Ruße der vorliegenden Erfindung können in einem modularen, auch als "Stufen-"Furnace-Ruß-Reaktor hergestellt werden. Ein Abschnitt eines typischen modularen Furnace-Ruß-Reaktors, der zur Herstellung des Rußes der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in 1 dargestellt. Weitere Einzelheiten eines typischen modularen Furnace-Ruß-Reaktors können beispielsweise in der im U.S.-Patent Nr. 3 922 335 enthaltenen Beschreibung gefunden werden. Ein Ruß-Reaktor, der für die Herstellung der Ruße der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet ist, wird in der U.S.-Patentanmeldung der Anmelderin mit der Ser.-Nr. 07/818943, eingereicht am 10. Januar 1992, beschrieben, die dem U.S.-Patent 5 100 739 entspricht. Die Ruße der hier beschriebenen Beispiele wurden durch das in der 943er-Anmeldung beschriebene Verfahren hergestellt.

Die 943er-Anmeldung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Rußen, wobei ein Zusatz-Kohlenwasserstoff zu der Reaktionszone eines Mehrstufenreaktors gegeben wird und die Primärverbrennung und die Gesamtverbrennung der Reaktion so eingestellt werden, dass die SSI des Verfahrens niedriger als Null ist. Die SSI des Verfahrens kann durch die folgenden Beziehungen bestimmt werden:

\|SAS_mf\| =	Absolutwert von SAS_mf;
Δ(DBP)_mf =	Änderung der DBPA des Rußes aufgrund einer Änderung der Fließgeschwindigkeit des Aufgabematerials, während alle anderen Betriebsbedingungen des Verfahrens konstant gehalten werden;
Δ(Iodzahl)_mf =	Änderung der Iodzahl des Rußes aufgrund einer Änderung der Fließgeschwindigkeit des Aufgabematerials, während alle anderen Betriebsbedingungen des Verfahrens konstant gehalten werden;
Δ(DBP)_ah =	Änderung der DBPA des Rußes aufgrund einer Änderung der Fließgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffs, während alle anderen Betriebsbedingungen des Verfahrens konstant gehalten werden; und
Δ(Iodzahl)_ah =	Änderung der Iodzahl des Rußes aufgrund einer Änderung der Fließgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffs, während alle anderen Betriebsbedingungen des Verfahrens konstant gehalten werden.

Der "Zusatz-Kohlenwasserstoff" umfasst Wasserstoff oder jeden Kohlenwasserstoff mit einem Stoffmengenverhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff, das größer als das Stoffmengenverhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff des Einsatzmaterials ist.
Unter Bezugnahme auf 1 können die Ruße der vorliegenden Erfindung in einem Furnace-Ruß-Reaktor 2 mit einer Verbrennungszone 10 hergestellt werden, die eine Zone 11 mit konvergierendem Durchmesser, eine Übergangszone 12, einen Eintrittsabschnitt 18 und eine Reaktionszone 19 aufweist. Der Durchmesser der Verbrennungszone 10 bis zu dem Punkt, an dem die Zone 11 mit konvergierendem Durchmesser beginnt, ist als D-1; der Durchmesser der Zone 12 als D-2; die Durchmesser des stufenförmigen Eintrittsabschnitts 18 als D-4, D-5, D-6 und D-7; und der Durchmesser der Zone 19 als D-3 dargestellt. Die Länge der Verbrennungszone 10 bis zu dem Punkt, an dem die Zone 11 mit konvergierendem Durchmesser beginnt, ist als L-1 dargestellt; die Länge der Zone mit konvergierendem Durchmesser ist als L-2 dargestellt; die Länge der Übergangszone ist als L-3, und die Längen der Stufen im Reaktor-Eintrittsabschnitt 18 sind als L-4, L-5, L-6 und L-7 dargestellt.
Zur Herstellung von Rußen werden heiße Verbrennungsgase in der Verbrennungszone 10 durch das In-Kontakt-Bringen eines flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffs mit einem geeigneten Oxidationsmittel-Strom wie Luft, Sauerstoff, Mischungen von Luft und Sauerstoff oder dergleichen erzeugt. Unter den Kraftstoffen, die zur Verwendung für das In-Kontakt-Bringen des Oxidationsmittel-Stroms in Verbrennungszone 10 zur Erzeugung der heißen Verbrennungsgase geeignet sind, sind beliebige der leicht brennbaren Gas-, Dampfoder Flüssigkeitsströme, wie Erdgas, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Acetylen, Alkohol oder Kerosin. Es ist jedoch im allgemeinen bevorzugt, Kraftstoffe mit einem hohen Gehalt an kohlenwasserstoffhaltigen Komponenten und insbesondere Kohlenwasserstoffe zu verwenden. Das Verhältnis von Luft zu dem zur Herstellung der Ruße der vorliegenden Erfindung verwendeten Erdgas kann vorzugsweise etwa 10 : 1 bis etwa 100 : 1 betragen. Zur Erleichte rung der Bildung von heißen Verbrennungsgasen kann der Oxidationsmittel-Strom erwärmt werden.
Der Strom aus heißen Verbrennungsgasen strömt stromabwärts von den Zonen 10 und 11 in die Zonen 12, 18 und 19. Die Richtung des Stroms aus heißen Verbrennungsgasen wird in der Figur durch einen Pfeil dargestellt. Das Ruß ergebende Einsatzmaterial 30 wird am Punkt 32 (der sich in Zone 12 befindet) und/oder am Punkt 70 (der sich in Zone 11 befindet) eingeführt. Zur Verwendung als Ruß ergebende Einsatzmaterialien hierin, die unter den Reaktionsbedingungen leicht verflüchtigt werden können, sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe wie Acetylen; Olefine wie Ethylen, Propylen, Butylen; Aromaten wie Benzol, Toluol und Xylol; bestimmte gesättigte Kohlenwasserstoffe und andere Kohlenwasserstoffe wie Kerosine, Naphthaline, Terpene, Ethylenteere, aromatisches Crack-Mittelöl und dergleichen.
Der Abstand zwischen dem Ende der Zone 11 mit dem konvergierenden Durchmesser 11 bis Punkt 32 ist als F-1 dargestellt. Im allgemeinen wird das Ruß erzeugende Einsatzmaterial 30 in Form einer Mehrzahl von Strömen eingespritzt, die in die Innenbereiche des Stroms aus heißen Verbrennungsgasen eindringen, wodurch eine hohe Misch- und Schergeschwindigkeit des Ruß erzeugenden Einsatzmaterials durch die heißen Verbrennungsgase sichergestellt wird, so dass das Einsatzmaterial schnell und vollständig zersetzt und zu Ruß konvertiert wird.
Der Zusatz-Kohlenwasserstoff wird an Punkt 70 durch die Sonde 72 oder durch Durchlässe 75 für den Zusatz-Kohlenwasserstoff in die Wände eingeführt, die die Grenzen der Zone 12 des Ruß bildenden Verfahrens darstellen, oder durch Durchlässe 76 für den Zusatz-Kohlenwasserstoff in die Wände eingeführt, die die Grenzen der Zonen 18 und/oder 19 des Ruß bildenden Verfahrens darstellen. Der Zusatz-Kohlenwasserstoff kann an jedem beliebigen Ort zwischen dem Punkt unmittelbar hinter der anfänglichen Verbrennungsreaktion des Erststufen-Kraftstoffs und dem Punkt unmittelbar vor dem Ende der Bildung von Ruß eingeführt werden, vorausgesetzt, nicht umgesetzter Zusatz-Kohlenwasserstoff tritt schließlich in die Reaktionszone ein.
Der Abstand zwischen Punkt 32 bis Punkt 70 ist als H-1 dargestellt.
In dem hier beschriebenen Beispiel wurde der Zusatz-Kohlenwasserstoff durch drei Öffnungen eingeführt, die sich in derselben Axialebene wie die Ruß ergebenden Ströme des Einsatzmaterials befanden. Die Öffnungen sind in einem alternierenden Muster angeordnet, eine für das Einsatzmaterial, die nächste für den Zusatz-Kohlenwasserstoff, die mit gleichmäßigen Abständen voneinander um den äußeren Rand von Abschnitt 12 herum angeordnet waren. Es ist jedoch zu beachten, dass dies ausschließlich beispielhaft ist und die zum Einführen von Zusatz-Kohlenwasserstoff brauchbaren Verfahren nicht einschränken soll.
Die Mischung aus Ruß ergebendem Einsatzmaterial und heißen Verbrennungsgasen fließt stromabwärts durch Zone 12 in Zone 18 und dann in Zone 19. Die an Punkt 62 angeordnete Abschreckvorrichtung 60, bei der die Abschreckflüssigkeit 50, bei der es sich um Wasser handeln kann, eingespritzt wird, wird zum Abstoppen chemischer Reaktionen nach der Bildung von Rußen verwendet. Der Punkt 62 kann auf eine beliebige, im Fachgebiet zur Auswahl der Position eines Abschreckens zum Abstoppen einer Pyrolyse bekannte Weise bestimmt werden. Ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Abschreckens zum Abstoppen der Pyrolyse besteht in der Bestimmung des Punkts, an dem eine akzeptable Toluolextraktionskonzentration für den Ruß erreicht ist. Die Toluolextraktionskonzentration kann unter Verwendung des ASTM-Tests D1618-83 "Carbon Black Extractables – Toluene Discoloration" gemessen werden. Q ist der Abstand zwischen dem Beginn von Zone 18 und dem Abschreckpunkt 62 und variiert gemäß der Position der Abschreckung 60.
Nach dem Abschrecken der Mischung aus heißen Verbrennungsgasen und dem Ruß erzeugenden Einsatzmaterial gelangen die abgekühlten Gase stromabwärts in eine beliebige Kühl- und Trennvorrichtung, durch die die Ruße gewonnen werden. Die Abtrennung des Rußes von dem Gasstrom wird durch herkömmliche Mittel wie eine Ausfällungsanlage, einen Zyklonabscheider oder einen Schlauchfilter leicht bewerkstelligt. Dieser Trennung kann eine Granulierung, zum Beispiel unter Verwendung eines Naßgranulators, folgen.
Die folgenden Testverfahren werden zur Auswertung der analytischen und physikalischen Eigenschaften der Ruße der vorliegenden Erfindung verwendet.
Die Iodzahl (I₂-Nr.) der Ruße wurde gemäß dem ASTM-Testverfahren D 1510 bestimmt. Die Tönungskraft (Tönung) der Ruße wurde gemäß dem ASTM-Testverfahren D3265-85a bestimmt. Die DBP (Dibutylphthalatzahl) der Ruße wurde gemäß dem in ASTM D3493-86 angegebenen Verfahren bestimmt. Die Cetyltrimethylammoniumbromid-Zahl (CTAB) der Ruße wurde gemäß dem ASTM-Testverfahren D3765-85 bestimmt.
Der D-Modus und der Dst der Ruße wurden – wie in 2 dargestellt ist – aus einem Histogramm des Gewichtsteils des Rußes als Funktion des Stokesschen Durchmessers der Rußaggregate bestimmt. Die zur Erzeugung des Histogramms verwendeten Daten werden unter Verwendung einer Scheibenzentrifuge wie derjenigen bestimmt, die von der Joyce Loebl Co. Ltd., Tyne and Wear, Großbritannien, hergestellt wird. Das folgende Verfahren ist eine Modifikation des Verfahrens, das in der Bedienungsanleitung der Joyce Loebl Scheibenzentrifuge, Aktenzeichen DCF 4.008, veröffentlicht am 1. Februar 1985, beschrieben ist und zur Bestimmung der Daten verwendet wurde.
Das Verfahren ist wie folgt. 10 mg (Milligramm) einer Rußprobe werden in einem Wägebehälter ausgewogen und dann zu 50 cm³ einer Lösung von 10% absolutem Ethanol und 90% destilliertem Wasser gegeben, dem 0,05% des Tensids NONIDET® P-40 zugegeben sind (NONIDET® P-40 ist eine eingetragene Marke für ein von der Shell Chemical Co. hergestelltes und verkauftes Tensid). Die resultierende Suspension wird mit Ultraschallenergie 15 min lang dispergiert, wobei ein Ultraschallgenerator, Modell Nr. W 385, hergestellt und verkauft von Heat Systems Ultrasonics Inc., Farmingdale, New York, verwendet wird.
Vor dem Lauf mit der Scheibenzentrifuge werden die folgenden Daten in den Computer eingegeben, der die Daten von der Scheibenzentrifuge aufzeichnet:

1. Die Dichte von Ruß, die als 1,86 cm³ angenommen wird;
2. Das Volumen des in einer Lösung aus Wasser und Ethanol dispergierten Rußes, wobei es sich in diesem Fall um 0,5 cm³ handelt;
3. Das Volumen des Schleuderfluids, wobei es sich in diesem Fall um 10 cm³ Wasser handelt;
4. Die Viskosität des Schleuderfluids, die in diesem Fall als 0,933 cP bei 23°C angenommen wird;
5. Die Dichte des Schleuderfluids, die in diesem Fall 0,9975 g/cm³ bei 23°C ist;
6. Die Scheibendrehzahl, wobei es sich in diesem Fall um 8000 U./min handelt;
7. Das Datenerfassungs-Intervall, wobei es sich in diesem Fall um 1 s handelt.

Die Scheibenzentrifuge wird mit 8000 U./min betrieben, wobei das Stroboskop arbeitet. 10 cm³ destilliertes Wasser werden als Schleuderfluid in die sich drehende Scheibe eingespritzt. Der Trübungsgrad wird auf 0 eingestellt, und 1 cm³ der Lösung aus 10% absolutem Ethanol und 90% destilliertem Wasser werden als Pufferflüssigkeit eingespritzt. Dann werden die Unterbrechungsund die Verstärkungs-Tasten der Scheibenzentrifuge betätigt, um einen fließenden Konzentrationsgradienten zwischen dem Schleuderfluid und der Pufferflüssigkeit zu erzeugen, und der Gradient wird visuell überwacht. Wenn der Gradient so fließend wird, dass zwischen den beiden Fluids keine unterscheidbare Grenze besteht, werden 0,5 cm³ des dispergierten Rußes in einer wässrigen Ethanollösung in die Scheibenzentrifunge eingespritzt, und es wird sofort mit der Datensammlung begonnen. Beim Auftreten einer Strähnenbildung wird der Lauf abgebrochen. Die Scheibe wird 20 min lang schleudern gelassen, gefolgt vom Einspritzen des dispergierten Rußes in eine wässrige Ethanollösung. Nach 20 min Schleudern wird die Scheibe abgebremst, die Temperatur der geschleuderten Flüssigkeit gemessen, und der zu Beginn des Laufs gemessene Mittelwert der Temperatur des Schleuderfluids und der am Ende des Laufs gemessene Mittelwert der Temperatur des Schleuderfluids werden in den Computer eingegeben, der die Daten von der Scheibenzentrifuge aufzeichnet. Die Daten werden gemäß der standardmäßigen Stokesschen Gleichung analysiert und unter Verwendung der folgenden Definitionen dargestellt:
Rußaggregat – ein diskretes, starres, kolloidales Gebilde, das die kleinste dispergierbare Einheit ist; es besteht aus umfassend miteinander verschmolzenen Teilchen;
Stokesscher Durchmesser – der Durchmesser einer Kugel, die in einem viskosen Medium in einem Zentrifugen- oder Gravitationsfeld gemäß der Stokesschen Gleichung sedimentiert. Ein nicht kugelförmiger Gegenstand – wie ein Rußaggregat – kann ebenfalls durch den Stokesschen Durchmesser unter der Annahme dargestellt werden, dass er sich wie eine glatte, starre Kugel mit derselben Dichte und Sedimentationsgeschwindigkeit wie der Gegenstand verhält. Die üblichen Einheiten werden in nm-Durchmessern ausgedrückt.
Modus (für Wiedergabezwecke: D-Modus) – der Stokessche Durchmesser an der Stelle des Maximums (Punkt A der hier aufgeführten 2) der Verteilungskurve des Stokesschen Durchmessers.
Mittlerer Stokesscher Durchmesserfür Wiedergabezwecke: Dst) – der Punkt auf der Verteilungskurve des Stokesschen Durchmessers, an dem 50 Gew.-% der Probe entweder größer oder kleiner sind. Er stellt daher den Mittelwert der Bestimmung dar.
Der Modul, die Zugfestigkeit und die Dehnung der EPDM-Zusammensetzung wurden gemäß dem in ASTM D412-87 gemessenen Verfahren gemessen.
Die Shore-A-Härte der EPDM-Zusammensetzungen wurde gemäß dem in ASTM D-2240-86 angegebenen Verfahren bestimmt.
Rückprall-Daten für die EPDM-Zusammensetzungen wurden gemäß dem in ASTM D1054 angegebenen Verfahren bestimmt, wobei ein ZWICK® Rebound Resilience Tester, Modell 5109, hergestellt von Zwick of America, Inc., Postfach 997, East Windsor, Connecticut 06088, verwendet wurde. Anleitungen zur Bestimmung der Rückprall-Werte liegen dem Instrument bei.
Die bleibende Verformung der EPDM-Zusammensetzungen wurde gemäß dem in ASTM D395 angegebenen Verfahren bestimmt, wobei die Zusammensetzung 70 h lang bei 65,5°C (150°F) getestet wurde.
Das Extrusionsschrumpfen der EPDM-Zusammensetzungen wurde durch das in ASTM D3674 angegebene Verfahren bestimmt. Das Extrusionsschrumpfen wurde mit einem BRABENDER®-Extruder bei 100°C und 50 U./min gemessen, wobei eine Düse mit einem Durchmesser von 5 mm verwendet wurde.
Die Viskosität der EPDM-Zusammensetzungen wurde durch das in ASTM D-1646 aufgeführte Verfahren bestimmt, wobei ein MPT-Kapillar-Rheometer von Monsanto verwendet wurde, das bei 100°C gehalten wurde, wobei eine Düse mit einem Verhältnis L/D' = 16 und D = 0,0787 mm verwendet wurde. Die Schergeschwindigkeit reichte von 10 bis 150 1/s.
Die Mischungsenergie ist der Gesamtbetrag der in die Zusammensetzungen eingeführten Energie, die bestimmt wird, indem die Mischungs-Drehmoment-Kurve über den Verlauf des Mischungszyklus integriert wird, wie hiernach beschrieben wird.
Die Härtungsmerkmale der EPDM-Zusammensetzungen wurden mit einem auf 160°C gehaltenen MDR-Curometer von Monsanto bestimmt. Die Zeit bis zum Erreichen einer 90%igen Härtungsreaktion (t'90), die Gesamtänderung des Drehmoments während der Härtungsreaktion (ΔL) und der Anvulkanisationsgeschwindigkeitsindex (CRI; (CRI = 1/t'90 – ts1) × 100), wobei ts1 = der Zeitpunkt, an dem der Drehmomentwert 1 Einheit über dem Mindest-Drehmoment liegt (ts1 wird auch als Anvulkanisationszeit bezeichnet)) sind für die beispielhaften EPDM-Zusammensetzungen aufgeführt. Die Tests wurden gemäß den mit dem MDR-Curometer von Monsanto mitgelieferten Anleitungen durchgeführt.
Die Wirksamkeit und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgenden Beispiele weiter veranschaulicht.
BEISPIEL 1
Ein Beispiel für die neuen Ruße der vorliegenden Erfindung wurde in einem hier allgemein beschriebenen und in 1 dargestellten Reaktor hergestellt, wobei die Reaktorbedingungen und die Reaktorgeometrie verwendet wurden, die in Tabelle 3 angebeben sind. Bei dem für die Verbrennungsreaktion verwendeten Kraftstoff handelte es sich um Erdgas. Bei dem verwendeten Zusatz-Kohlenwasserstoff handelte es sich ebenfalls um Erdgas. Das verwendete flüssige Einsatzmaterial wies die in Tabelle 2 unten angegebenen Eigenschaften auf: Tabelle 2. Eigenschaften des Einsatzmaterials
Die Reaktorbedingungen und die Reaktorgeometrie sind in Tabelle 3 unten angegeben.
Tabelle 3. Reaktorgeometrie und Betriebsbedingungen
Der in Lauf 1 hergestellte Ruß wurde dann gemäß der hier beschriebenen Verfahren analysiert. Die analytischen Eigenschaften dieses Rußes entsprachen der Darstellung in Tabelle 4. Dieser Ruß und die beiden Kontrollruße wurden in den folgenden Beispielen verwendet. Die beiden verwendeten Kontrollruße A und B weiesen die unten in Tabelle 4 aufgeführten analytischen Eigenschaften auf: Tabelle 4. Analytische Eigenschaften der Ruße
BEISPIEL 2
Der im Beispiellauf 1 hergestellte Furnace-Ruß der vorliegenden Erfindung wurde in eine EPDM- (Ethylen-Propylen-Dien-Polymethylen-)Zusammensetzung eingearbeitet und mit EPDM-Zusammensetzungen verglichen, die die beiden Kontrollruße umfassten. Die EPDM-Zusammensetzungen wurden unter Verwendung jeder der Rußproben in einer Menge von 200 Gew.-Teilen in der unten in Tabelle 5 dargestellten Formulierung von EPDM-Zusammensetzungen hergestellt.
Tabelle 5. Formulierung von EPDM-Zusammensetzungen
Ein Banbury-BR-Mischer wurde angestellt und bei einer Temperatur von 45°C und einer Rotordrehzahl von 77 U./min gehalten. EPDM wurde in den Mischer gegeben und etwa 30 s lang gemischt. Das Sunpar 2280 Öl, das Zinkoxid und die Stearinsäure wurden zu dem EPDM gegeben und etwa 2 weitere Minuten lang gemischt. Der Ruß wurde zu der Mischung gegeben, und die Temperatur der Mischkammer wurde erniedrigt und auf einer Temperatur unterhalb von etwa 135°C gehalten. Die Ruß enthaltende EPDM-Mischung wurde etwa 4 1/2 min lang gemischt, und dann wurden die Härtungsmittel TMTDS, Butylzimate, Methylzimate, Schwefel und Sulfasan R zu der Mischung gegeben. Die resultierende Mischung wurde etwa 1 1/2 min lang gemischt, wobei die Temperatur unterhalb von etwa 135°C gehalten wurde. Die Chargen-Zusammensetzung wurde dann aus dem Mischer entnommen und durch die hier beschriebenen Techniken analysiert.
Die EPDM-Zusammensetzung, die unter Verwendung des in Lauf 1 hergestellten Rußes der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wies die in Tabelle 6 aufgeführten Kennwerte auf. Die die Kontrollruße A und B umfassenden EPDM-Zusammensetzungen wurden ebenfalls gemäß der hier beschriebenen Verfahren ausgewertet. Diese Ergebnisse sind zu Vergleichszwecken ebenfalls in Tabelle 6 angegeben.
Tabelle 6. Vergleich von Kennwerten der EPDM-Zusammensetzungen
Diese in Tabelle 6 aufgeführten Ergebnisse zeigen, dass die EPDM-Zusammensetzungen, die die Ruße der vorliegenden Erfindung umfassen, bei einer Rußkonzentration von 200 phr eine höhere Extrusionsgeschwindigkeit und eine niedrigere Härte, Viskosität, Mischenergie und bleibende Verformung aufweisen. Daher weisen die EPDM-Zusammensetzungen, die die Ruße der vorliegenden Erfindung umfassen, bessere Verarbeitungsmerkmale als die EPDM-Zusammensetzungen auf, die die Kontroll-Ruße umfassen.

Claims

Furnace-Ruß mit einer Iodzahl von 15–18 mg/g und einer DBP von 28 –33 cm³/100 g.
Chemische Zusammensetzung, umfassend ein Material, das aus der aus Kautschuken und Kunststoffen bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und einen Ruß nach Anspruch 1.