DE69624407T2 - Verfahren zur Herstellung von Russpfropfpolymer - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Russpfropfpolymer

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Description

  • Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ruß- Pfropfpolymeren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Ruß-Pfropfpolymeren mit großer Betriebswirksamkeit, in dem man bewirkt, dass ein Polymer mit einem Gehalt an einer Epoxygruppe oder einer Thioepoxygruppe sich mit Ruß umsetzt.
  • Stand der Technik
  • Da Ruß sich durch solche Eigenschaften auszeichnet wie Färbungseigenschaft, Elektroleitfähigkeit, Wetterbeständigkeit und chemische Beständigkeit fand es eine intensive Brauchbarkeit für verschiedene Anwendungen, wie z. B. Färbemittel für verschiedene Produkte einschließlich eines elektrophotograpischen Toners, Verstärkungsmittel für Kunststoffe und Elastomere sowie Füllstoffe. Ruß wird jedoch unabhängig hiervon, selten verwendet, weil er in einem pulverförmigen Zustand oder einem Zustand von Granalien eintrifft. In der Regel zeigt er seine Eigenschaften, wenn er gleichmäßig in einer festen Basis wie z. B. einem Kautschuk oder Kunstharz gleichmäßig dispergiert ist, oder aber in einer Flüssigkeit, wie z. B. Wasser oder einem Lösungsmittel. Da Ruß eine schwache Affinität für andere Substanzen, wie z. B. organische makromolekulare Substanzen, Wasser und organischen Lösungsmitteln, im Vergleich mit der Kohäsionskraft zwischen Teilchen aufweist, ist es unter normalen Mischungs- oder Dispergierungsbedingungen außerordentlich schwierig, ihn gleichmäßig zu vermischen oder zu dispergieren. Zur Lösung dieses Problems werden zahlreiche Untersuchungen auf der Suche nach einem Verfahren durchgeführt, das ermöglicht, Ruß gleichmäßig zu vermischen oder zu dispergieren, indem man die Oberfläche des Rußes mit verschiedenen oberflächenaktiven Mitteln oder Kunstharzen überzieht, um hierdurch die Affinität des Rußes für ein festes oder flüssiges Grundmaterial zu erhöhen.
  • Unter, anderen erfolgversprechenden Produkten dieser Untersuchungen zogen Ruß-Pfropfpolymere, die durch Polymerisation polymerisierbarer Monomerer in Gegenwart von Ruß erhalten werden, in den jüngeren Jahren Aufmerksamkeit auf sich, weil sie durch eine geeignete Auswahl der Art des polymerisierenden Monomeren mit einer veränderten hydrophilen Eigenschaft und/oder oleophilen Eigenschaft hergestellt werden können.
  • Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Pfropfpotymeren sind z. B. in JP-B- 42-22047, JP-B-44-3826, JP-B-45-17284 und dem USP-Patent 3557040 offenbart. Diese Verfahren führen zu den relevanten Ruß-Pfropfpolymeren nur mit geringen Ausbeuten im Bereich von einigen Prozent bis 10 plus etwas Prozent. Die meisten der Verknüpfungen des Rußes innerhalb dieser Ruß-Pfropfpolymeren sind in Form von Homopolymeren vom Vinyltyp und erweisen sich hinsichtlich der Wirksamkeit der Oberflächenbehandlung, die am Ruß bewirkt wird, außerordentlich minderwertig. Infolgedessen zeigen sie keine in hohem Maß erhöhte Affinität für andere Substanzen, wie zu erwarten war, und leiden oftmals darunter, dass die Konstanz des Dispersionszustands durch die Mischungs- oder Dispergierungsbedingungen merklich beeinflusst wird.
  • JP-B-06-27269 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Ruß- Pfropfpolymeren durch Umsetzung von Ruß mit einem Polymeren, das eine oder mehrere Epoxygruppen und/oder Thioepoxygruppen in der Moleküleinheit enthält, dass bewirkt wird, indem man diese rührt und bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 250ºC vermischt. Dieses Verfahren führt zu einem Ruß-Pfropfpolymeren, das in verschiedenen Substanzen eine hervorragende Dispergierbarkeit aufweist, weit die in der Moleküleinheit des Polymeren vorliegenden Epoxygruppen und/oder Thioepoxygruppen sich mit der funktionellen Gruppe an der Oberfläche des Rußes mit sehr hoher Wirksamkeit umsetzen.
  • EP-A-272 127 offenbart ein Ruß-Pfropfpolymer, das durch Umsetzung eines Polymeren mit einer Epoxygruppe und/oder Thioepoxygruppe mit Ruß hergestellt wird. Wenn eine Anstrengung gemacht wird, die Produktivität dieses Verfahrens bei der Bildung des Ruß-Pfropfpolymeren durch Benutzung einer kontinuierlichen Knetvorrichtung zu steigern, und man die Reaktanden der zuvor genannten Umsetzung, d. h. den Ruß und das eine oder zwei Epoxygruppen und/oder Thioepoxygruppen in seiner Moleküleinheit enthaltende Polymer befähigt, zur Beschleunigung dieser Umsetzung gründlich genug gerührt zu werden, wird gefunden, dass die Mengen der zu verarbeitenden Reaktanden ansteigt, und die für den kontinuierlichen Betrieb der Vorrichtung aufgebrachte Zeit sich möglicherweise bis zu dem Ausmaß verlängert, dass das Polymer in der Vorrichtung die Bildung eines Gels erleidet, und eine effiziente Herstellung des Ruß-Pfropfpolymeren verhindert wird.
  • Ein Ziel vorliegender Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines verbesserten Rußpolymeren. Ein anderes Ziel vorliegender Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Rußpolymeren mit hoher kommerzieller Brauchbarkeit. Ein weiteres Ziel vorliegendes Erfindung ist das Zur-Verfügung-Stellen eines Verfahrens, das in der Lage ist, ein Ruß-Pfropfpolymeres durch Umsetzung von Ruß mit einem eine Epoxygruppe oder eine Thioepoxygruppe enthaltenden Polymeren wirksam und kontinuierlich herzustellen.
  • Wir, die vorliegenden Erfinder, setzten eine sorgfältige Untersuchung mit Blick auf das Erreichen einer stabilen Herstellung eines Ruß-Pfropfpolymeren durch Umsetzung von Ruß mit einem Polymeren (A), das eine Epoxygruppe und/oder Thioepoxygruppe aufweist, fort. Als Folge gelangten wir zur Erkenntnis, dass, wenn das Polymer (A) mit einer Epoxygruppe und/oder einer Thioepoxygruppe unter Verwendung eines Polymerisationsinitiators vom Peroxidtyp in einer verhältnismäßig großen Menge während des Verlaufs der Polymerisation hergestellt wurde, die Umsetzung dieses Polymeren mit Ruß, wenn sie unter Verwendung einer kontinuierlichen Knetvorrichtung durchgeführt wird, eine kontinuierliche stabile Herstellung des Ruß-Pfropfpolymeren gestattet, ohne dass sich Probleme einstellen, wie z. B. ein Gelieren des Polymeren innerhalb der Vorrichtung, und das hergestellte Ruß-Pfropfpolymer erfreut sich sehr befriedigender Eigenschaften.
  • Wir führten ferner eine sehr sorgfältige Studie über die Grundlage dieser Kenntnis durch. Dementsprechend haben wir die Theorie aufgestellt, dass die stabile Herstellung des Ruß-Pfropfpolymeren erreicht wird, weil der Polymerisationsinitiator, welcher während der Herstellung des Polymeren (A) dem Polymerisations-Reaktionssystem zugegeben wird, nicht nur als ein die Polymerisation einleitender Keim zur Förderung der Polymerisation dient, sondern auch wahrscheinlich einer Zersetzung unterliegt und das Auftreten einer Säure in Form einer Monocarbonsäure bewirkt; die Carboxylgruppe, d. h. eine mit der Epoxy- oder Thioepoxygruppe reaktionsfähige Gruppe, (im folgenden einfach als Epoxyreaktive Gruppe bezeichnet) dieser Säure verbraucht nur mäßig die Epoxygruppe oder die Thioepoxygruppe, welche in das Polymer (A) der Umsetzung mit dem Ruß zuliebe eingeführt sind, und verbleibt auch im Polymeren (A) bis zu dem Zeitpunkt, nach dem die Polymerisation endgültig beendet ist, und diese Epoxy-reaktive Gruppe funktioniert als ein geeignetes Reagenz zum Ausschluss der Gelierung während des Rühren des Polymeren (A) und des Rußes, und sie verhindert, dass das Polymer eine unnötige Umsetzung mit dem Ruß eingeht. Beim Prüfen dieser Theorie durch eine Behandlung zur Zugabe von Carbonsäure (Benzoesäure) zu einem anderen Polymeren, welches die Bildung eines Gels beim Vermischen mit Ruß in der kontinuierlichen Knetvorrichtung erlitt, und anschließenden Fortsetzen des Betriebs der Vorrichtung fanden wir, dass der kontinuierliche Betrieb so zufriedenstellend erhalten werden konnte, wie wenn der Betrieb mit dem Polymeren durchgeführt wurde, das durch die in Gegenwart einer Überschussmenge Peroxid ausgeführte Polymerisation hergestellt wurde.
  • Aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen zogen wir die Schlussfolgerung, dass bei der Herstellung eines Ruß-Pfropfpolymeren durch Umsetzung von Ruß mit dem Polymeren (A), das eine Epoxygruppe und/oder Thioepoxygruppe enthält, mittels einer kontinuierlichen Knetovorrichtung es der Stabilisierung des Betriebs der Vorrichtung in hohem Maße wirksam ist, ein derartiges Polymer (A) zu verwenden, da es ermöglicht, dass die wirksame überhängende Anzahl (pendant number (d.i. der Wert Peff), definiert durch die Beziehung zwischen der mittleren Anzahl von Epoxygruppen oder Thioepoxygruppen, enthalten pro Molekül des Polymeren, und der Epoxy-reaktiven Gruppe in einen vorgeschriebenen Bereich fällt. Als Ergebnis wurde vorliegende Erfindung abgeschlossen.
  • Im speziellen beruht vorliegende Erfindung, welche die zuvor genannten Ziele erreicht, auf einem Verfahren zur Herstellung eines Ruß-Pfropfpolymeren durch Umsetzung von Ruß und eines Polymeren (A) mit einer Epoxygruppe und/oder Thioepoxygruppe, das durch die Tatsache gekennzeichnet ist, dass die Umsetzung des Rußes mit dem Polymeren (A) mittels einer kontinuierlichen Knetvorrichtung ausgeführt wird, und das in die kontinuierliche Knetvorrichtung eingespeiste Polymer (A) in einem solchen Zustand ist, dass der Peff-Wert, d. h. die effektive überhängende Anzahl, wiedergegeben durch nachfolgende Formel, in den Bereich von 0,5 bis 1,3 pro Molekül fällt
  • Peff = Mn/(E-Ac)
  • (worin Mn das Zahlenmittel-Molekulargewicht des Polymeren (A) ist, E die Anzahl Mole der Epoxygruppe und/oder Thioepoxygruppe pro Gramm des Polymeren (A), und Ac die Anzahl von Molen der Epoxy-reaktiven Gruppe pro Gramm Polymer (A) sind).
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht den Erhalt eines Produkts konstanter Qualität auf stabile Weise mit einer hohen Sicherheit, ohne Nachteile nach sich zu ziehen, wie z. B., dass das in die kontinuierliche Knetvorrichtung eingespeiste Ausgangsmaterial ein Gel bildet, weshalb es sich einer hohen kommerziellen Brauchbarkeit erfreut.
  • Nunmehr wird vorliegende Erfindung im folgenden unter Bezugnahme auf Ausführungsformen näher beschrieben.
  • Der für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zur verwendende Ruß soll lediglich auf seiner Oberfläche eine Carboxylgruppe und/oder eine Hydroxylgruppe als funktionelle Gruppe aufweisen. Als konkrete Beispiele für den Ruß dieser Beschreibung können Ofenruß, Kanalruß, Acetylenruß und Lampenruß angegeben werden. Die Produkte dieser Rußgattungen, welche im Handel erhältlich sind, können in ihrer unmodifizierten Form verwendet werden. Wenn ein gegebener Ruß einen übermäßig hohen pH-Wert hat, wird die Reaktivität dieses Rußes mit der Epoxygruppe oder Thioepoxygruppe des Polymeren (A) proportional vermindert. Infolgedessen ist der pH-Wert des Rußes zweckmäßigerweise nicht mehr als 5, vorzugsweise nicht mehr als 4. Der Test des Rußes auf den pH-Wert wird nach dem Verfahren durchgeführt, das in JIS (Japanese Industrial Standard) K 6211 definiert ist.
  • Als konkrete Beispiele für das Polymer (A), das mit dem zuvor beschriebenen Ruß Reaktionsvermögen zeigt, können Polymere vom Vinyltyp, Polyester und Polyether angegeben werden, welche mindestens eine von solchen reaktionsfähigen Gruppen wie die Epoxy- und Thioepoxygruppe aufweisen.
  • Als konkrete Beispiele für das Verfahren zur Herstellung des Polymeren (A) gemäß vorliegender Beschreibung können angegeben werden:
  • (1) ein Verfahren, das das Polymerisieren eines polymerisierbaren Monomeren mit der zuvor genannten reaktionsfähigen Gruppe in seiner Moleküleinheit aufweist (im folgenden als "Monomer a" bezeichnet), erforderlichenfalls in Kombination mit einem anderen polymerisierbaren Monomeren (im folgenden als "Monomer b" bezeichnet), umfasst;
  • (2) ein Verfahren, welches das Verursachen einer Verbindung mit der reaktionsfähigen Gruppe in ihrer Moleküleinheit (im folgenden als "Verbindung c" bezeichnet), mit einem Polymeren zu reagieren, welches eine Gruppe aufweist, die in der Lage ist, sich mit der Verbindung umzusetzen (im folgenden als "Polymer d" bezeichnet) und hierdurch die Einführung der reaktionsfähigen Gruppe in das Polymer d umfasst, und
  • (3) ein Verfahren, welches die Umwandlung eines Polymeren mit einer reaktionsfähigen Gruppe, die sich von der zuvor erwähnten reaktiven Gruppe unterscheidet, in seiner Moleküleinheit (im folgenden als "Polymer e" bezeichnet) in das Polymer (A) mit der zuvor genannten reaktionsfähigen Gruppe nach einem bekannten Verfahren umfasst. Unter den zuvor angegebenen Verfahren erwies sich das Verfahren gemäß (1) als besonders zweckmäßig.
  • Als konkrete Beispiele für das Monomer a, das für das zuvor beschriebene Verfahren (1) brauchbar ist, können solche eine Epoxygruppe enthaltende polymerisierbare Monomere wie diejenigen folgender Formeln
  • i
  • (worin R¹ ein Wasserstoff oder die Methylgruppe und n 0 oder eine ganze Zahl im Bereich von 1-20 bedeuten) und solche eine Thioepoxygruppe enthaltenden polymerisierbaren Monomeren der folgenden Formen
  • (worin R¹ und n die gleichen Bedeutungen wie zuvor unter Bezugnahme auf die Epoxygruppen-haltigen polymerisierbaren Monomeren definiert, besitzen) angegeben werden. Die zuvor aufgelisteten Monomeren können entweder allein oder in Form eines Gemischs von zwei oder mehreren Monomeren verwendet werden.
  • Das Monomer b, welches gegebenenfalls beim Verfahren (1) verwendet wird, soll ausschließlich in der Lage sein, mit dem Monomeren a zu copolymerisieren. Als konkrete Beispiele für das Monomer b, welches diese Beschreibung erfüllt, können folgende angegeben werden: Monomere vom Styroltyp wie Styrol, o-Methylstyrol, m- Methytstyrol, p.-tert.-Methylstyrol, a-Methylstyrol, p-Methoxystyrol, p-tert.-Butylstyrol, p-Phenylstyrol, o-Chlorstyrol, m-Chlorstyrol und p-Chlorstyrol; Monomere vom Acrylsäure- oder Methacrylsäuretyp wie Acrylsäure, Acrylsäuremethylester, Acrylsäureethylester, Acrylsäurepropylester, Acrylsäure-n-butylester, Acrylsäureisobutylester, Dodecylacrylat, Stearylacrylat, 2-Ethyl-hexylacrylat, Methacrylsäure; Methacrylsäuremethylester, Methacrylsäureethylester, Methacrylsäurepropylester, Methacrylsäure-n-butylester, Methacrylsäureisobutylester, n-Octylmethacrylat, Dodecylmethacrylat, 2-Etyhlhexylacrylat und Stearylmethacrylat; sowie Ethylen, Propylen, Butylen, Vinylchlorid, Vinylacetat, Acrylnitril, Acrylamid, Methacrylamid und N-Vinylpyrrolidon. Diese Monomeren können entweder allein oder in Form eines Gemischs von zwei oder mehreren Monomeren verwendet werden.
  • Zwecks Herstellung des Polymeren (A) mit der reaktionsfähigen Gruppe nach dem Verfahren (1) genügt es, dass Monomer a erforderlichenfalls in Kombination mit dem Monomeren b nach einem der bekannten Polymerisationsverfahren zu polymerisieren, wie z. B. durch Polymerisation in Masse, Suspensionspolymerisation, Emulsionspolymerisation, Ausfällungspolymerisation sowie Lösungspolymerisation.
  • Als konkrete Beispiele für die für das Verfahren (2) zu benutzende Verbindung können angegeben werden:
  • (2-1) Verbindungen mit zwei oder mehreren Gruppen einer einzigen Art der reaktionsfähigen Gruppe in ihrer Moleküleinheit,
  • (2-2) Verbindungen mit zwei oder mehreren Arten der reaktionsfähigen Gruppe in ihrer Moleküleinheit, und
  • (2-3) Verbindungen mit einer oder mehreren Arten der reaktionsfähigen Gruppe und eine Gruppe, welche sich von der reaktionsfähigen Gruppe unterscheidet, in ihrer Moleküleinheit. Es ist jedoch vorgesehen, dass der Ausdruck "eine Gruppe, die sich von der reaktionsfähigen Gruppe" unterscheidet, der bei (2-3), oben, benutzt wurde, ausgelegt wird, als dass sie sich auf eine Gruppe mit Ausnahme der Epoxy- und der Thioepoxygruppe bezieht und die Fähigkeit zeigt, mit der in dem Polymeren d enthaltenen Gruppe, welche im folgenden im speziellen anzugeben ist, reagiert. Beispielsweise entsprechen dieser Beschreibung die Isocyanatgruppe, Aminogruppe, Carboxylgruppe, Hydroxygruppe, Vinylgruppe und Halogenatome.
  • Als konkrete Beispiele für beim Verfahren (2) zu verwendende Polymer d können solche Polymeren vom Vinyltyp, Polyester und. Polyether genannt werden, die eine Gruppe aufweisen, welche der Umsetzung mit den in (2-1) bis (2-3), oben angegeben Verbindungen, fähig ist. Als konkrete Beispiele für die Gruppe, welche der Umsetzung mit der Verbindung c fähig ist; können die Hydroxylgruppe (einschließlich einer phenolischen Hydroxylgruppe), Carboxylgruppe, Chinongruppe, Aminogruppe und Epoxygruppe angegeben werden. Die Polymeren mit diesen Gruppen können leicht nach einer der bekannten Polymerisationsverfahren erhalten werden, beispielsweise durch radikalische Polymerisation und Polykondensation.
  • Zwecks Erhalt des Polymeren (A) mit der reaktionsfähigen Gruppe gemäß dem Verfahren (2) oben, genügt es, die Umsetzung der Verbindung c mit dem Polymeren d unter so ausgewählten Bedingungen herbeizuführen, dass zumindest ein Teil der reaktionsfähigen Gruppe unverändert bleibt.
  • Als konkrete Beispiele für das Polymer c, welches für das Verfahren (3), oben, zu verwenden ist, können solche Gruppen wie z. B. die Vinylgruppe, Carboxylgruppe, Chlorhydringruppe, und Glycolgruppe angegeben werden, welche in der Lage sind, in eine Epoxygruppe oder Thioepoxygruppe übergeführt zu werden. Diese Polymeren können leicht in das Polymer A mit einer Epoxygruppe und/oder Thioepoxygruppe nach einem bekannten Verfahren übergeführt werden.
  • Das Polymer (A) wird zweckmäßigerweise so ausgewählt, dass es die Qualitäten erfüllt, wie z. B. die hydrophile Eigenschaft, oleophile Eigenschaft und andere Affinitätsformen, welche dem Ruß-Pfropfpolymer zu verleihen sind. Beispielsweise wird ein Polymer von Vinyltyp oder ein Polyether mit Acrylsäure als Hauptkomponente verwendet, wenn eine hydrophile Eigenschaft verliehen werden soll, während ein Polymer vom Vinyltyp oder ein Polyester mit Styrol als Hauptkomponente verwendet wird, wenn eine Affinität verliehen werden soll. Das Molekulargewicht des Polymeren (A), ist nicht besonders kritisch. Der auffälligen Wirkung der Behandlung des Rußes zuliebe und in Anbetracht der Zweckmäßigkeit des Betriebs während des Reaktionsverlaufs mit dem Ruß, liegt das mittlere Molekulargewicht vorteilhafterweise im Bereich von 1.000-10.000, bevorzugter 2.000-9.000, am meisten bevorzugt 3.000-8.000. Wenn das Zahlenmittel- Molekulargewicht weniger als 1.000 ist; wird die Ausübung der Drehkraft auf das Gemisch der Reaktanden nicht verwirklicht. Wenn es 10.00 überschreitet, wird die Knetvorrichtung möglicherweise in dem Ausmaß überlastet, dass die Herstellung selbst schwierig wird.
  • Bei vorliegender Erfindung muss dieses Polymer (A), wenn das Polymer (A) mit einer Epoxygruppe oder Thioepoxygruppe als reaktionsfähige Gruppe zur Behandlung des Rußes mittels einer kontinuierlichen Knetvorrichtung verwendet wird, in einem solchen Zustand sein, dass die wirksame überhängende Anzahl (Per), wiedergegeben durch folgende Formel, in den Bereich von 0,5 bis 1,3 pro Molekül fällt:
  • Peff = Mn/(E-Ac)
  • (worin Mn das Zahlenmittel-Molekulargewicht des Polymeren (A), E die Anzahl Mole der Epoxygruppe und/oder Thioepoxygruppe pro Gramm des Polymeren (A), und Ac die Anzahl von Molen der Epoxy-reaktiven Gruppe pro Gramm des Polymeren (A) bedeuten).
  • Der Begriff "durchschnittliches Molekulargewicht (Mn)", der in vorliegender Beschreibung benutzt wird, bezieht sich auf den durch Gelpermeationschromatographie (GPC) ermittelten Wert. Im speziellen wird er gefunden, indem man 15 mg eines gegebenen Polymeren in 5 ml THF löst, die Lösung durch einen Wegwerffilter mit einem Gehalt an Poren von 0,5 um im Durchmesser, Sammeln des Filtrats als Probe, Leiten der Probe durch zwei Säulen von TSK-Gel, GMHXL (hergestellt von Toso Co., Ltd. und unter dem Produktcode "HLC-8020" im Handel), Eluieren des Adsorbats unter den Bedingungen einer Säulentemperatur von 45ºC und eines Strömungsvolumens von 1 ml/Min., Analysieren des Eluats zur Bestimmung des Brechungsindex und Vermindern des Brechungsindex-Werts auf einen Polystyrolgehalt gefunden.
  • Die Angabe "Anzahl E, von Molen der Epoxygruppen und/oder der Thioepoxygruppe pro Gramm des Polymeren (A)" bezieht sich auf den Wert [1/EV], welcher aus dem Epoxy- und/oder Thioepoxy-Aquivalentgewicht (EV) (die Menge der Probe, welche für einen Gehalt an einem Gramm Aquivatent (1 Mol) der Epoxy- und/oder Thioepoxygruppe erforderlich ist), bestimmt durch das Chlorhydrin-HC- Verfahren, und die Anzahl, Ac, von Molen der Epoxy-reaktiven Gruppe pro Gramm des Polymeren (A) ist der Wert [AV/(56,11 · 1000)], der aus dem Säurewert (AV) (Anzahl von mg des KOH (Molekulargewicht: 56,11), welche zur Neutralisation der pro Gramm des Kunstharzes vorliegenden COOH-Gruppe erforderlich sind, berechnet wird, ermittelt durch Übernehmen mit erforderlichen Modifkationen des Verfahrens zur Bestimmung des Säurewerts, definiert im Unterabschnitt 4.3 von JIS K 6901&supmin;¹&sup9;&sup8;&sup6; (Verfahren zum Testen flüssigen ungesättigten Polyesterharzes).
  • Wenn die wirksame überhängende Anzahl (Peff-Wert) des Polymeren (A) weniger als 0,5 ist, verleiht das Kneten des Polymeren (A) mit dem Ruß in der kontinuierlichen Knetvorrichtung dem Ruß nur eine unzureichende Oberflächenbehandlung, und das hergestellte Ruß-Pfropfpolymer zeigt keine ausreichende Affinität für andere Substanzen. Umgekehrt leidet, wenn die wirksame überhängende Anzahl (Peff-Wert) 1,3 überschreitet, das Kneten des Polymeren (A) mit dem Ruß in der kontinuierlichen Knetvorrichtung darunter, dass ein Teil des Polymeren (A) innerhalb der kontinuierlichen Knetvorrichtung verbleibt und ein Gel möglicherweise in dem Ausmaß bildet, das die Herstellung des Ruß-Pfropfpolymeren unmachbar macht.
  • Das Polymer (A) mit der wirksamen überhängenden Anzahl (Peff) im Bereich von 0,5 bis 1,3, wie zuvor beschrieben, wird erhalten, indem man die Molekülfomulierung der einschlägigen Komponenten des Polymeren (A) so entwirft, dass die durchschnittliche Anzahl Epoxygruppen und/oder Thioepoxygruppen, welche pro Molekül vorliegen, in dem Bereich von 0,5 bis 1,3 fällt, und das relevante Monomer nach dem zuvor erwähnten Standard-Polymerisationsverfahren (nämlich durch Annäherung des zuvor genannten Säurewerts an praktisch Null) polymerisiert. Die Tatsache, dass die einschlägigen Komponenten des Polymeren (A) so formuliert werden, dass die durchschnittliche Anzahl von Epoxygruppen und/oder Thioepoxygruppen, welche pro Molekül vorliegen, in den Bereich von 0,5 bis 1,3 fallen, erfordert eine angemessene Aufmerksamkeit, weil die Anzahl der Epoxygruppen und/oder Thioepoxygruppen in den einzelnen Molekülen möglicherweise sich verhältnismäßig breit verteilt, und das schließlich hergestellte Ruß-Pfropfpolymer unter einer verschlechterten Qualitätsstabilität leidet, wenn das Polymersystem nicht mit beträchtlicher Gleichmäßigkeit gebildet wird. Als alternatives Verfahren kann das Polymerisationssystem, vorbereitet für die Herstellung des Polymeren (A) ein polymerisierbares Monomer oder eine Verbindung mit solchen funktionellen Gruppen wie Epoxy- und/oder Thioepoxygruppen in der Moleküleinheit in einer größeren mittleren Anzahl umfassen, welche annähernd in den Bereich von 5-1,1, vorzugsweise 3-1,1, pro Molekül fällt, und ferner eine Epoxy-reaktive Gruppe (Carbonsäuregruppe), welche zum Verbrauch überschüssiger Epoxy- und/oder Thioepoxygruppe notwendig ist, umfassen. Als konkretes Mittel zur Einführung der Epoxy-reaktiven Gruppe in das Polymer (A) sind denkbar:
  • (1) Ein Verfahren, welches eine Verbindung vom Peroxidtyp als Polymeristionsinitiator und in einer verhältnismäßig großen Menge bei der Polymerisation zur Herstellung des Polymeren (A) verwendet und auf diesen Polymerisationsinitiator angewiesen ist, nicht nur, um den Teil eines die Polymerisation einleitenden Keims bei der Beschleunigung der Polymerisation zu erfüllen, sondern auch um zu ermöglichen, dass die durch die resultierende Zersetzung gebildete Monocarbonsäure als Epoxy-reaktive Gruppe funktioniert;
  • (2) Ein Verfahren, bei dem man in das zur Herstellung des Polymeren (A) vorbereitete Polymerisationssystem eine Monocarbonsäure einbezieht, die nicht in der Lage ist, die Polymerisation wesentlich zu hemmen oder eine geeignete Kombination dieser beiden Verfahren.
  • Obwohl das zuvor erwähnte Verfahren (1) nicht besonders ausgewiesen wird, wird jedoch ein Verfahren auf Basis einer Suspensionspolymerisation z. B. zweckmäßigerweise benutzt. Als konkrete Beispiele für den hierbei zu benutzenden Polymerisationsinitiator vom Peroxidtyp können folgende Peroxide angegeben werden: Benzoylperoxid, Lauroylperoxid, Octanoylperoxid, Benzoylorthochlorperoxid, Benzoylorthomethoxyperoxid, Methylethyiketonperoxid, Diisopropylperoxiddicarbonat, Cumolhydroperoxid, Cyclohexanonperoxid, tert.-Butylhydroperoxid und Diisopropylbenzolhydroperoxid. Unter anderen, zuvor angegebenen Polymerisationsinitiatoren vom Peroxidtyp erwies sich Benzoylperoxid als besonders vorteilhaft. Obgleich die zuzugebende Menge des Polymerisationsinitiators vom Peroxidtyp je nach solchen Faktoren variiert, wie der Art des polymerisierbaren Monomeren oder einer Verbindung, welche an der Polymerisation teilnimmt und eine Epoxy- und/oder Thioepoxygruppe in der Moleküleinheit besitzt, sowie dem Verhältnis deren Kombination mit dem anderen polymerisierbaren Monomere im Polymerisationssystem, wird das Peroxid zweckmäßigerweise zur Monomerzusammensetzung in einer Menge im Bereich von 3-5 Mol.%, vorzugsweise 3,545 Mol.%, bezogen auf die Menge der Zusammensetzung, zugegeben.
  • Obwohl das weiter oben erwähnte Verfahren (2) nicht besonders ausgewiesen ist, wird zweckmäßigerweise z. B. ein Verfahren auf Basis einer Lösungspolymerisation benutzt. Als konkrete Beispiele für die hierbei zu verwendende Monocarbonsäure können angegeben werden Benzoesäure, Alkylbenzoesäuren, wie Methylbenzoesäure und Ethylbenzoesäure, Chlorbenzoesäure, Methoxybenzoesäure, Naphthalinmonocarbonsäure, Alkylnaphthalinmonocarbonsäuren, wie z. B. Naphthalinmonocarbonsäure, Alkylnaphthalinmonocarbonsäuren, wie z. B. Naphthalinmonocarbonsäure und Biphenylcarbonsäure. Unter anderen, zuvor angegebenen Monocarbonsäuren erwiesen sich Benzoesäure, Methylbenzoesäure als besonders vorteilhaft. Obwohl die zuzugebende Menge der Monocarbonsäure, wie diejenige des zuvor erwähnten Peroxids, nicht allgemein ausgewiesen werden kann, wird sie jedoch zweckmäßigerweise in einer Menge im Bereich von 0,01 bis 5 Mol.%, vorzugsweise 0,1 bis 3 Mol.%, bezogen auf die Menge der für die Polymerisation vorbereiteten Zusammensetzung, zugegeben.
  • Wenn das Polymer (A), das bei vorliegende Erfindung zu verwenden ist, nach dem Verfahren der Suspensionspolymerisation hergestellt wird, wird die Zusammensetzung der polymerisierbaren monomeren Komponenten einschließlich zumindest teilweise des polymerisierbaren Monomeren mit einer Epoxy- und/oder Thioepoxygruppe in seiner Molekulareinheit in einem wässerigen Medium suspendiert, und die Suspension wird polymerisiert. Die Polymerisationstemperatur liegt zweckmäßigerweise im Näherungsbereich von 50-100ºC, vorzugsweise 60- 90ºC.
  • Die bei der Suspensionspolymerisation brauchbaren Stabilisatoren umfassen in Wasser lösliche makromekulare Verbindungen wie Polyvinylalkohol, Stärke, Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Polynatriumacrylat und Polynatriummethacrylat; oberflächenaktive Mittel wie anionische, kationische, amphotere und nicht-ionische oberflächenaktive Mittel; und z. B. Bariumsulfat, Calciumsulfat, Bariumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Calciumphosphat, Talkum, Ton, Diatomenerde und Metalloxidpulver.
  • Die anionischen oberflächenaktive Mittei umfassen Fettsäuresalze wie Natriumoleat und Kaliumcastoröl, Alkylschwefelsäureester wie Natriumlaurylsulfat und Ammoniumlaurylsulfat, Alkylbenzolsulfonate, wie z. B. Natriumdodecylsulfonat, Alkylnaphthalinsulfonate, Alkansulfonate, Dialkylsulfosuccinate, Alkylphosphorsäureester, Naphthalinsulfonsäure-Formalin-Kondensat, Polyoxyalkylenalkylphenyletherschwefelsäureester sowie z. B. Polyoxyethylenalkylschwefelsäurester.
  • Die nicht-ionischen oberflächenaktiven Mittel umfassen z. B. Polyoxyethylenalkylether, Polyoxyethylenalkylphenylether, Polyoxyethylenfettsäureester, Sorbitanfettsäureester, Polyoxysorbitanfettsäureester, Polyoxyethylenalkylamine, Glycerinfettsäureester und ein Oxyethylen-Oxypropylen-Blockpolymer.
  • Die kationischen oberflächenaktiven Mittel umfassen z. B. Alkylaminsalze wie Laurylaminacetat und Stearylamin sowie quartäre Ammoniumsalze wie Lauryltrimethylammoniumchlorid.
  • Die amphoteren oberflächenaktiven Mittel umfassen z. B. Lauryldimethylaminoxid.
  • Die zu verwendende Menge des Stabilisators muss in geeigneter Weise ausgewählt werden, je nach Art und Zusammensetzung des zu übernehmenden Stabilisators. Wenn eine in Wasser lösliche makromolekulare Verbindung als Stabilisator z. B. übernommen wird, wird sie zweckmäßigerweise in einer Menge im Bereich von 0,01 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 10 Gew.-%, verwendet. Wenn ein oberflächenaktives Mittel übernommen wird, wird es zweckmäßigerweise in einer Menge im Bereich von 0,01 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Menge der Zusammensetzung aus polymerisierbaren monomeren Komponenten benutzt.
  • Der Polymerisationsinitiator kann zu den polymerisierbaren monomeren Komponenten zugegeben werden (Ölphase). Neben den zuvor genannten Initiatoren vorn Peroxidtyp umfassen die hierbei brauchbaren Polymerisationsinitiatoren Verbindungen vom Azotyp, wie z. B. 2,2'-Azobisisobutyronitril, 2,2'-Azobis-(2,4- dimethylvaleronitril), 2,2'-Azobis-2,3-dimethylbutyronitril, 2,2'-Azobis(2-methylbutyronitril) 2,2'-Azobis(2,3,3-Trimethylbutyronitril), 2,2'-Azobis-2-isopropylbutyronitril, 1 "1'- Azobis(cyclohexan-1-carbonitril), 2,2'-Azobis(4-methoxy-2,4-dimethytvaleronitril), 2- (Carbamoylazo)isobutyrontril, 4,4'-Azobis-4-cyan-valeriansäure und Dimethyl-2,2'- azobisisobutyrat. Wenn ein Polymerisationsinititiator übernommen wird, der sich von den Initiatoren des Peroxidtyps unterscheidet, wird er zweckmäßigerweise in einer Menge im Bereich von 0,01 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 5 Gew.-%, benutzt.
  • Wenn das Polymer (A) zur Verwendung bei vorliegender Erfindung durch Lösungspolymerisation zu erhalten ist, wird die Zusammensetzung aus den polymerisierbaren monomeren Komponenten, einschließlich des zumindest teilweise polymerisierbaren Monomeren mit einer Epoxy- und/oder Thioepoxygruppe in seiner Moleküleinheit, gerührt in einem solchen geeigneten organischen Lösungsmittel wie Toluol, Xylol oder Benzol, polymerisiert. Die Polymerisationstemperatur liegt zweckmäßigerweise im Näherungsbereich von 30-200ºC, vorzugsweise 50º bis 180ºC. Der hierbei zu verwendende Polymerisationsinitiator kann irgend einer vom Peroxidtyp und Azotyp, welche zuvor genannt wurden, sein. Er wird zu einer Lösung der polymerisierbaren monomeren Komponenten in einem organischen Lösungsmittel zugegeben und hierin aufgelöst. Wenn eine Monocarbonsäure wie Benzoesäure zur Zugabe zum Polymerisationssystem ausgewählt wird, wird diese Zugabe zweckmäßigerweise durch Zugabe der Monocarbonsäure oder deren Lösung in einem organischen Lösungsmittel allmählich und tropfenweise zum Polymerisationssystem während des Verlaufs der Polymerisation ergänzt.
  • Das Herstellungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung ermöglicht eine stabile Herstellung des Ruß-Pfropfpolymeren mit einer hohen Pfropfwirksamkeit, indem das Vermischen des zuvor beschriebenen Polymeren (A) mit dem Ruß in einer kontinuierlichen Knetvorrichtung bewirkt wird.
  • Die bei vorliegender Erfindung zu verwendende kontinuierliche Knetvorrichtung kann eine der verschiedenen Arten bekannter Vorrichtungen sein, wie z. B. eine einachsige Extrudervorrichtung und eine zweiachsige Extrudervorrichtung. Infolge der Verwendung dieser kontinuierlichen Knetvorrichtung - wird der Ruß, der in einem Zustand einer Sekundäragglomeration vorliegt, wenn er als Ausgangsmaterial in Gebrauch genommen wird, vollständig vermischt, während er sich mit dem Polymeren (A) umsetzt, zerkleinert und in winzige Teilchen mit gleichmäßigem Durchmesser so wirksam verteilt, dass die Wirksamkeit der Umsetzung erhöht wird, und eine kontinuierliche Bildung des Ruß-Pfropfpolymeren ermöglicht wird.
  • Obgleich die Knetbedingungen, welche in der kontinuierlichen Knetvorrichtung angewandt werden, nicht besonders begrenzt sind; ist es jedoch zweckmäßig, die Drehkraft während des Verlaufs des Knetens im Näherungsbereich von 0,1 bis 20 kg · m, vorzugsweise 0,3 bis 10 kg · m auszuwählen.
  • Wenn die Temperatur während des Verlaufs des Knetens weniger als 20ºC ist, ist es möglich, dass die Umsetzung des Rußes mit dem Polymeren (A) nicht durchgreifend verläuft. Umgekehrt unterliegt, wenn sie 300ºC überschreitet, das Polymer (A) möglicherweise dem nachteiligen Phänomen des Abbaus. Wenn die Drehkraft während des Verlaufs des Knetens weniger als 0,1 kg · m ist, verläuft die Zerkleinerung des Rußes und die Wärmeentwicklung durch den Knetvorgang nicht durchgreifend, und als Ergebnis ist die Umsetzung des Rußes mit dem Polymeren (A) möglicherweise unzureichend. Wenn die Drehkraft umgekehrt 20 kg · m überschreitet, wird das Polymer (A) auseinander geschnitten, und die Wärmeentwicklung durch den Knetvorgang verläuft möglicherweise bis zu dem Ausmaß des Bewirkens eines Abbaus des Polymeren (A).
  • Um zu ermöglichen, dass die Umsetzung des Rußes mit dem Polymeren (A) wirksam und stabil verläuft, wird die kontinuierliche Knetvorrichtung so angeordnet, dass ihre Temperatur kontinuierlich von 40ºC, ein Wert unter dem Tg-Wert der Reaktanden, bis 180ºC schwankt. Diese Temperaturveränderung gewährleistet einen perfekten Übergang des Blends aus dem Ruß und dem Polymeren (A) vom physikalischen Teilchengemisch zur chemischen Umsetzung durch gründlichen Kontakt der Teilchen. Die kontinuierliche Temperaturveränderung kann z. B. ergänzt werden, indem man auf geeignete Weise unterschiedliche Temperaturen für die einzelnen Zylinderblöcke einstellt.
  • Obgleich die Menge des Polymeren (A) mit einer Epoxygruppe und/oder einer Thioepoxygruppe, welche bei der Umsetzung anzuwenden ist, frei verändert werden kann, um dem Zweck zu entsprechen, zu dem das hergestellte Ruß-Pfropfpolymer schließlich, benutzt wird, ist es in der Regel geeignet, das Polymer (A) in einer Menge im Bereich von 100-500 Gewichtsteilen, vorzugsweise 150-400 Gewichtsteilen, bevorzugter 200-400 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile des Rußes, zum Zweck einer vollständigen Äußerung der Verbesserungswirkung auf die Dispergierbarkeit des Polymeren (A) bezüglich verschiedener Substanzen zu verwenden, und gleichzeitig zu ermöglichen, dass der Ruß seine Eigenschaften intakt beibehält:
  • Die Umsetzung des Rußes mit dem Polymeren (A) kann nach einem Verfahren bewirkt werden, welches eine Umsetzung ausschließlich zwischen diesen beiden Reaktanden herbeiführt. Andererseits kann sie in Gegenwart eines Polymeren oder einer Substanz mit der reaktionsfähigen Gruppe, das bzw. die sich von dem Polymeren (A) unterscheidet, durchgeführt werden. Es wird beabsichtigt, dass bei dem kontinuierlichen Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung das Ruß- Pfropfpolymer mit hoher Betriebswirksamkeit erhalten wird, indem man die Reaktanden gerade einmal durch eine kontinuierliche Vorrichtung führt. Erforderlichenfalls können jedoch die Reaktanden zweimal, dreimal oder noch öfters durch die kontinuierliche Vorrichtung geführt werden. Es ist jedoch beim erfindungsgemäßen kontinuierlichen Herstellungsverfahren der Stabilisierung der Drehkraftgröße und der Umsetzung zuliebe von Vorteil, die Mengen des Lösungsmittels, von Wasser und dergl., welche im Polymerisationssystem vorliegen, zu minimieren.
  • Das Ruß-Pfropfpolymer, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, wird aus der Umsetzung des Polymeren (A) mit dem Ruß, wie zuvor erwähnt, erhalten. Die weiter oben erwähnte Komponente des Polymeren (A) wird mit hoher Wirksamkeit auf die Oberfläche des Rußes gepfropft, weil die Epoxygruppe und/oder die Thioepoxygruppe im Polymeren (A) eine hohe Reaktionsfähigkeit mit der funktionellen Gruppe an der Oberfläche des Rußes besitzt. Ferner kann die Rückgratstruktur des Polymeren (A) so lange frei gewählt werden, als das Polymer (A) in seiner Moleküleinheit eine Epoxy- und/oder Thioepoxygruppe aufweist, und das Polymer (A) befähigt ist, dem Ruß verschiedene Eigenschaften zu verleihen, um dem Zweck zu entsprechen, für den das schließlich hergestellte Ruß-Pfropfpolymer verwendet wird. Das derart erhaltene Ruß- Pfropfpolymer zeigt eine verbesserte Affinität für verschiedene Substanzen und zeichnet sich durch seine hervorragende Dispergierbarkeit in verschiedenen Substanzen, wie z. B. makromolekularen organischen Verbindungen, Wasser, und organischen Lösungsmittel aus, weshalb es sich für Färbemittel wie Druckfarben, Toner für die Entwicklung elektrostratisch geladener Bilder, Beschichtungsmaterialien und Kunststoffgießmaterialien sowie für Reagenzien zur Modifizierung verschiedener makromolekularer Verbindungen brauchbar erweist. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht die kontinuierliche Herstellung des Ruß-Pfropfpolymeren in einem einfachen Arbeitsgang, das eine verbesserte Dispergierbarkeit und andere verbesserte verschiedene Eigenschaften, wie zuvor erwähnt, aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Ruß-Pfropfpolymeren erfreut sich infolgedessen einer hohen kommerziellen Brauchbarkeit.
  • Der in vorliegenden benutzte Begriff "Ruß-Pfropfpolymer" bezeichnet nicht strikt und ausschließlich einen Ruß mit einem an diesen gebundenem Polymeren, wie eine Pfropfungskette, sondern er bezeichnet auch das, was solch ein Teil des Polymeren, der einer direkten Bindung an den Ruß während des Herstellungsverfahrens entging, enthält, zusätzlich zu einem solchen Ruß, bei dem das Polymer als Pfropfungskette an diesen gebunden ist. Der Grund für diese Definition des Begriffs ist, dass, auch wenn die Herstellung nach dem zuvor beschriebenen Verfahren bewirkt wird, es Zeiten gibt, wo das Pfropfungsverhältnis nicht 100% erreicht, und der Ruß mit dem an ihn als Pfropfungskette gebundenen Polymeren, und das Polymer, das einer direkten Bindung an den Ruß entging, nach dem Herstellungsverfahren nicht vollständig getrennt werden.
  • Im folgenden wird nun vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Arbeitsbeispiele näher beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass vorliegende Erfindung nicht auf diese Arbeitsbeispiele begrenzt ist. Wo auch immer das Wort "Teile" in folgenden Beispielen und Kontrollen erwähnt wird ist es unverändert als "Gewichtsteile auszufegen, wenn nicht anders angegeben.
  • Synthesebeispiel 1
  • In einen, mit einem Rührer, Einlassrohr für ein Inertgas und einem Rückflusskühler, Thermometer und Tropftrichter versehenen Kolben wurden 300 Teile Toluol gefüllt. Ein vorab durch Auflösen von 12 Teilen Azoisobutyronitril in einem polymerisierenden Monomeren, bestehend aus 189,8 Teilen Styrol und 10,2 Teilen Glycidylmethacrylat, hergestelltes Gemisch wurde gleichmäßig in Toluol gelöst, um eine homogene Lösung zu erhalten. In den Tropftrichter wurde eine Lösung von 4,39 Teilen Benzoesäure (Molekulargewicht 122,1) in 100 Teilen Toluol gefüllt.
  • Das Gemisch im Kolben wurde erwärmt, und Stickstoffgas wurde darüber geleitet. Nachdem das Gemisch 80ºC erreichte, wurde die Toluollösung der Benzoesäure tropfenweise aus dem Tropftrichter zum Gemisch zugegeben, und 8 Stunden kontinuierlich gerührt, um das Gemisch einer Polymerisation zu unterziehen. Danach wurde der Kolben gekühlt, wobei eine Polymerlösung anfiel. Diese Polymerlösung wurde mit einem biaxialen Extruder behandelt, um das Lösungsmittel unter Erhalt eines Polymeren (1) abzutreiben.
  • Es wurde gefunden, dass dieses Polymer (1) ein Zahlenmittel- Molekulargewicht, Mn, von 5.600, eine Molekulargewichtsverteilung von 2,35, ein Epoxyäquivalentgewicht von 4.308 und eine Säurezahl von 3,01 aufwies.
  • Synthesebeispiel 2
  • In den gleichen Kolben, wie im Synthesebeispiel 1 benutzt, wurden 400 Teile entionisiertes Wasser, in dem 0,1 Teil Polyvinylalkohol gelöst war, eingefüllt, wonach auf 90ºC erwärmt wurde. In der Zwischenzeit wurde ein vorab gebildetes Gemisch aus 158,6 Teilen Styrol, 30 Teilen n-Butylacrylat, 11,4 Teilen Glycidylmethacrylat und 20 Teilen Benzoylperoxid als Inititiator gefüllt. Dieses Gemisch wurde sodann tropfenweise innerhalb von 2 Stunden in den auf 90ºC erwärmten Kolben zugegeben. Dann ließ man die Reaktanden im Kolben bei der gleichen Temperatur 3 Stunden, altern und danach abkühlen, wobei eine Polymersuspension erhalten wurde. Diese Polymersuspension wurde filtriert und sodann getrocknet, wobei ein Polymer (2) anfiel.
  • Es wurde gefunden, dass dieses Polymer (2) ein Zahlenmittel- Molekulargewicht, Mn, von 4.900, eine Molekulargewichtsverteilung (Mn/Mw) von 2,45, ein Epoxyäquivalentgewicht von 4.850 und eine Säurezahl von 2,64 hatte.
  • Synthesebeispiel 3
  • In den gleichen Kolben, wie im Synthesebeispiel 1 verwendet, wurden 400 Teile entionisiertes Wasser, indem 0,2 Teile Polyvinylalkohol aufgelöst waren, gefüllt. Ein vorab durch Vereinen von 194,3 Teilen Styrol, 5,7 Teilen Glycidylmethacrylat und 10 Teilen Benzoylperoxid als Initiator gebildetes Gemisch wurde zum entionisierten Wasser zugegeben, wobei bei hoher Geschwindigkeit gerührt wurde, und sich eine homogene Suspension bildete. Diese Suspension wurde auf 80ºC erwärmt, und Stickstoffgas wurde unter Rühren bei dieser Temperatur während 5 Stunden daübergeleitet, um sie einer Polymerisation zu unterziehen, wonach gekühlt wurde, und eine Polymersuspension erhalten wurde. Diese Polymersuspension wurde filtriert und getrocknet, wobei ein Polymer (3) anfiel.
  • Es wurde gefunden, dass dieses Polymer (3) ein Zahlenmittel- Molekulargewicht, Mn, von 7.000, ein Epoxyäquivalentgewicht von 6.250 und eine Säurezahl von 1,12 aufwies.
  • Synthesebeispiel 4
  • In den gleichen Kolben, wie im Synthesebeispiel 1 verwendet, wurden 400 Teile entionisiertes Wasser mit 0,2 Teilen hierin aufgelöstem Polyvinylalkohol eingefüllt. Ein vorab durch Vereinen von 194,52 Teilen Styrol, 5,48 Teilen Glycidylmethacrylat und 14 Teilen Benzoylperoxid als Initiator gebildetes Gemisch wurde dem entionisierten Wasser zugegeben, wonach bei hoher Geschwindigkeit unter Bildung einer homogenen Suspension gerührt wurde. Diese Suspension wurde unter Darüberleiten von Stickstoffgas und Rühren bei dieser Temperatur während 5 Stunden auf 80ºC erwärmt, um sie einer Polymerisation zu unterziehen, wonach abgekühlt wurde, und eine Polymersuspension anfiel. Diese Polymersuspension wurde filtriert und getrocknet, wobei ein Polymer (4) erhalten wurde.
  • Es wurde gefunden, dass dieses Polymer (4) ein Zahlenmittel- Molekulargewicht, Mn, von 7.000, ein Epoxyäquivalentgewicht von 7.977,2 und eine Säurezahl von 1,88 aufwies.
  • Vergleichssynthese 1
  • Ein Polymer (C1) zum Vergleich wurde genau nach dem Verfahren des Synthesebeispiels 1 erhalten, wobei man jedoch die Zugabe von Benzoesäure wegließ. Es wurde gefunden, dass dieses Polymer (C1) ein Zahlenmittel- Molekulargewicht, Mn, von 5.600, ein Epoxyäquivalentgewicht von 2.795 und eine Säurezahl von 0 hatte.
  • BEISPIEL 1
  • Durch Vermischen von 40 Teilen des Polymeren (1) mit einer Epoxygruppe als reaktionsfähige Gruppe, erhalten im Synthesebeispiel 1, mit 20 Teilen Ruß (hergestellt von Mitsubishi Chemical Industries, Ltd. und unter dem Produktnamen "MA-100R" im Handel) bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 1.000 UpM während 3 Minuten unter Verwendung eines Supermischers (hergestellt von Kawata K.K.) wurde ein Polymergemisch erhalten.
  • Mittels einer biaxialen Extrudervorrichtung (hergestellt von Ikegai Iron Works, Ltd. und unter der Produktbezeichnung "PCM-45-30" vertrieben), deren aufeinander folgende Zylinderblöcke auf Temperaturen eingestellt waren, welche sich allmählich von 40ºC auf 160ºC erhöhten, wurde das Pulvergemisch bei 250 UpM geknetet, wobei ein Ruß-Pfropfpolymer (1) anfiel. Dieses Polymer wurde gekühlt und sodann mittels einer Schneidmühle (hergestellt von Nishimura Kikai K.K.) grob pulverisiert, wobei große Teilchen des Rußpolymeren (1') mit Teilchendurchmessern im Näherungsbereich von 1 bis 3 mm zu erhalten, wurden.
  • Das grob pulverisierte Rußpolymer (1') wurde auf seine Eigenschaften mittels eines Soxhlet-Extraktionsapparats getestet. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Zwecks Prüfung des mit den Reaktanden in der zuvor erwähnten biaxialen Extrusionsvorrichtung durchgeführten Knetbetriebs zur Ermittlung der Kontinuität dieses Betriebs wurden das Polymer (1) und der Ruß, eingespeist in erhöhten Mengen, obgleich bei dem gleichen, zuvor genannten Verhältnis, mittels des Supermischers unter Bildung des Pulvergemischs (1) vermischt, und das Pulvergemisch (1) wurde in die biaxiale Extrudervorrichtung unter den gleichen Bedingungen, wie zuvor erwähnt, eingespeist. Während des Betriebs der Vorrichtung, der danach etwa 30 Stunden fortgesetzt wurde, konnte eine stabile Herstellung des Ruß-Pfropfpolymeren erhalten werden.
  • Bezugsbeispiel 1
  • Auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 wurden 40 Teile des Polymeren (1) mit einer Epoxygruppe als reaktionsfähige Gruppe, erhalten im Synthesebeispiel 1, und 20 Teile Ruß (hergestellt von Misubishi Chemical Industries, Ltd. und unter der Produktbezeichnung "MA-100R" im Handel) bei 1.000 UpM während 3 Minuten mittels eines Supermischers (hergestellt von Kawata K.K.) unter Erhalt eines Pulvergemischs (1) vermischt.
  • Dieses Pulvergemisch (1) wurde 15 Minuten mittels einer Laborgebläsemühle (hergestellt, von Toyo Seiki K.K.) unter den Bedingungen von 160ºC und 100 UpM unter Erhalt eines Ruß-Pfropfpolymeren (R1) zu Vergleichszwecken geknetet. Dieses ruß-Pfropfpolymer wurde gekühlt und sodann mittels einer Schneidmühle (hergestellt, von Nishimura Kikai K.K.) unter Erhalt eines grob pulverisierten Ruß- Pfropfpolymeren (R1') mit einem Durchmesser von etwa 1-3 mm zu Bezugszwecken grob pulverisiert.
  • Das grob pulverisierte Ruß-Pfropfpolymer (R1'), das auf diese Weise erhalten wurde, wurde auf seine Eigenschaften mittels einer Soxhlet-Extraktionsvorrichtung getestet. Die Testergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 enthalten.
  • BEISPIELE 2 bis 4
  • Die grob pulverisierten Ruß-Pfropfpolymeren (2') bis (4') wurden nach dem Verfahren des Beispiels 1 erhalten, wobei man anstelle des Polymeren (1) die Polymeren (2) bis (4) verwendete.
  • Die so erhaltenen grob pulverisierten Ruß-Pfropfpolymeren (2') bis (4') wurden auf ihre Eigenschaften mittels einer Soxhlet-Extraktionsvorrichtung getestet. Auch diese Testergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Zwecks Prüfung der mit den Reaktanden in der biaxialen Extrudervorrichtung zur Bestimmung der Kontinuität des Betriebs durchgeführten Knetbetriebs wurden die Menge der Reaktanden für die Polymeren (2') bis (4'), die eingespeist wurden, auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 erhöht. Während des Betriebs der Vorrichtung, der sodann 30 Stunden fortgesetzt wurde, konnte eine unverändert stabile Herstellung des Ruß-Pfropfpolymeren erhalten werden.
  • Bezugsbeispiele 2-4
  • Nach dem Verfahren des Bezugsbeispiels 1, wobei anstelle des Polymeren (1) die Polymeren (2) bis (4) verwendet wurden, wurden grob pulverisierte Ruß- Pfropfpolymere (R2') bis (R4') zu Bezugszwecken erhalten.
  • Die grob pulverisierten Ruß-Pfropfpolymeren (R2') bis (R4'), welche auf diese Weise erhalten wurden, wurden auf ihre Eigenschaften mittels einer Soxhlet- Extraktionsvorrichtung getestet. Auch diese Testergebnisse sind in Tabelle 1 enthalten.
  • Kontrolle 1
  • Nach dem Verfahren des Beispiels 1, wobei anstelle des Polymeren (1) das Vergleichspolymer (C1) verwendet wurde, wurde ein grob pulverisiertes Ruß- Pfropfpolymer (C1) zum Vergleich erhalten.
  • Das grob pulverisierte Ruß-Pfropfpolymer (C1') zum Vergleich, das auf diese Weise erhalten wurde, wurde auf seine Eigenschaften mittels einer Soxhlet- Extraktionsvorrichtung getestet. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Nach etwa einstündigem Betrieb der Vorrichtung hörte das Pulvergemisch auf, aus der Düse der Extrusionsvorrichtung auszutreten. Diese Tatsache zeigt klar, dass die Harzkomponente innerhalb der Extrusionsvorrichtung geliert war.
  • Bezugsbeispiel 5
  • Nach dem Verfahren des Beispiels 1, wobei anstelle des Polymeren (1) das Vergleichspolymer (C1) verwendet wurde, wurde ein grob pulverisiertes Ruß- Pfropfpolymer (R5') zu Bezugszwecken erhalten.
  • Das grob pulverisierte Ruß-Pfropfpolymer (R5') zu Bezugszwecken, das auf diese Weise erhalten wurde, wurde auf seine Eigenschaften mittels einer Soxhlet- Extraktionsvorrichtung getestet. Die Ergebnisse dieses Tests sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
  • BEISPIEL 5
  • Mittels eines Henschel-Mischers, wurden 30 Teile des im Beispiel 2 erhaltenen grob pulverisierten Ruß-Pfropfpolymeren (2'), 68 Teile eines Styrol- Butylmethacrylat-Copolymeren (hergestellt von Sanyo Chemical Industries Co., Ltd. und unter dem Warenzeichen "Himer SBM 73" im Handel), 1Teil eines Ladungssteuermittels (hergestellt von Hodogaya Chemical Co., Ltd. und unter dem Warenzeichen "Zizen Spiron Black TRH" im Handel) und 1 Teil eines Polypropylenwachses (hergestellt von Sanyo Chemical Industries Co., Ltd. und unter dem Warenzeichen "Viscol 5005P" im Handel) unter Rühren vermischt. Dieses Gemisch wurde mittels einer kontinuierlichen Extrudervorrichtung in der Schmelze geknetet, gekühlt und grob pulverisiert, mittels einer Strahlmühle fein pulverisiert und klassiert, uni einen Entwicklungstoner (1) für ein elektrostatisch geladenes Bild mit einem Durchmesser von 3-15 um zu erhalten.
  • Ein Entwickler (1) wurde durch gleichmäßiges Vermischen von 3 Teilen des Toners mit 97 Teilen eines Trägers vom Ferrittyp mit einem Durchmesser von 50 bis 80 um hergestellt. Wenn der Entwickler (1) in einer Kopiervorrichtung (hergestellt von Mita Industrial Co.I, Ltd. und unter dem Produktnamen "DC-113 Model" im Handel) zur Entwicklung eines Bilds verwendet wurde, zeigte das so hergestellte Bild einen klaren Umriss und es war reich an Kontrast. Auch nach Herstellung von 200.000 Kopien des Bilds führte der Toner zu einem so perfekten Bild wie zuvor.
  • Bestimmungsverfahren
  • Die Größenordnungen verschiedener, in den Arbeitsbeispielen erwähnter Eigenschaften wurden wie folgt bestimmt:
  • (1) Molekulargewicht:
  • Das Zahlenmittel-Molekulargewicht (Mn), und die Molekulargewichtsverteilung sind die durch Gelpermeationschromatographie (GPC) ermittelten Zahlenwerte. Im speziellen werden sie gefunden, indem man 15 mg eines gegebenen Polymeren in 5 ml THF löst, die Lösung durch einen Wegwerffilter mit einem Gehalt an Poren von 0,5 um Durchmesser leitet, das Filtrat als Probe sammelt, die Probe durch zwei Säulen mit TSK-Gel, GMHXL (hergestellt von Toso Co., Ltd. und unter der Produktbezeichnung "HLC-8020" im Handel) leitet, das Absorbat unter den Bedingungen einer Säulentemperatur von 45ºC und eines Strömungsvolumens von 1 ml/Min. eluiert, das Eluat zur Bestimmung des Brechungsindex analysiert, und den Wert des Brechungsindex auf einen Polystyrolgehalt vermindert.
  • (2) Epoxyäquivalentgewicht
  • Diese physikalische Konstante wird ermittelt, indem man HCl in einer Überschussmenge zu einer Epoxygruppe in einem geeigneten Lösungsmittel zugibt und eine quantitative Addition von HCl an die Epoxygruppe bewirkt und den restlichen Chlorwasserstoff als Chlorhydrin quantitativ bestimmt.
  • Bei der Bestimmung wird zuerst die Probe genau ausgewogen (durch zwei Messungen) (etwa 0,15 g) und in einen konischen Kolben mit einem Innenvolumen von 100 ml gebracht, in dem die Probe und 10 ml einer 0,1 N HCl-THF-Lösung (Faktor -4) eine Stunde bei Raumtemperatur gerührt werden. Die 0,1 N HCl-THF- Lösung wird mit Sicherheit zur Zeit der Bestimmung hergestellt und genau auf den Faktor -f getestet. Sodann wird die erhaltene Probelösung mit 20 ml einer wässerigen 0,1 N Silbernitratlösung versetzt. Zu dieser Zeit werden 2-3 ml konzentrierte Salpetersäure zur vereinten Lösung zugegeben, um einen weißen Niederschlag, der sich hierin bildet, vor einer Zersetzung durch das Licht zu schützen. Ferner werden etwa 5 ml Nitrobenzol (ersetzbar durch Diethylether oder Aceton) zugegeben, um die visuelle Erkennung des Endpunkts bei der Titration zu erleichtern.
  • Als Indikator werden acht Tropfen einer 8%igen wässerigen Eisenalaunlösung zugegeben. Die Probenlösung wird mit einer 0,1 N Lösung von Kaliumthiocyanat (KSCH) titriert. Das KSCH reagiert mit dem restlichen Silbernitrat und führt zu AgCN (weißer Niederschlag). Der Niederschlag setzt sich, nachdem das Silbernitrat zu existieren aufgehört hat, mit dem Eisen des Eisenalauns um und nimmt eine rote Farbe an. Die Zeit des Erscheinens dieser roten Farbe wird als der Endpunkt der Titration erfasst, und die Menge der Titration, (m) ml, wird sodann gemessen. Das Epoxyäquivalentgewicht (EV) wird gemäß folgender Formel unter Verwendung der Titrationsmenge berechnet:
  • EV = 1000 x/2f-(2-0,1 m))
  • worin x die Menge der Probe (g), und m die Menge der Titration (ml) bedeuten).
  • Übrigens wird der Faktor - f aufgrund des allerneuesten Standes der Bestimmung des Epoxyäquivalentgewichts wie folgt ermittelt:
  • (a) fülle 5 ml der 0,1 N HCl-THF-Lösung in einen konischen Kolben mit einem Innenvolumen von 100 ml;
  • (b) gib eine wässerige 0,1 N Silbernitratlösung dazu;
  • (c) gib 1 ml konzentrierte Salpetersäure zu
  • (d) gib etwa 2 ml Nitrobenzol (ersetzbar durch Diethylether oder Aceton) zu;
  • (e) gibt 3 Tropfen einer 8%igen Eisenalaumlösung zu;
  • (f) titriere die erhaltene Probenlösung mit einer wässerigen 0,1 N KSCH- Lösung, bringe die Zeit des Auftretretens einer roten Farbe als Endpunkt in Ansatz, und berechne die Titrationsmenge:
  • f = (10 - Menge der Titration)/5.
  • (3) Säurezahl
  • Diese physikalische Konstante wird nach dem Bestimmungsverfahren der Säurezaht, ausgewiesen im Unterabschnitt 4.3 von JIS K 6901&supmin;¹&sup9;&sup6;&sup6; mit den erforderlichen Modifkationen ermittelt.
  • Bei der Bestimmung wird zuerst eine Probe, etwa 1-3 g, genau ausgewogen (durch zwei Messungen), in einen konischen Kolben mit einem Innenvolumen von 100 ml gegeben, sorgfältig mit etwa 10 bis 30 ml einer gemischten Lösung von Toluol/Ethanol (Volumenverhältnis von 7/3) gelöst, hergestellt zur Zugabe eines gemischten Indikators (hergestellt unter Erhalt von 0,10 g Bromthymolblau und 0,10 Phenolrot, versetzt mit 20 ml destilliertem Wasser und sodann einer ethylalkoholischen 0,2 Mol/Liter (0,1 N) Kaliumhydroxidlösung bis zur Nähe des Bereichs des Farbwechsels eines Indikators, Auflösen unter Rühren sämtlicher vereinter Komponenten und Lösen der erhaltenen Lösung mit 200 ml destilliertem Wasser) und mit einer ethylalkoholischen Lösung von 0,1 Mol/Liter (0,1 N) Kaliumhydroxid titriert. Die Zeit des Erscheinens eines Farbwechsels von Gelb zu hellem Purpur wird als Endpunkt der Titration genommen. Getrennt hiervon werden die gemischte Lösung und der Indikator in einem konischen Kolben gebracht und für eine Blindprobe verwendet. Sodann wird die Säurezahl (AV) gemäß folgender Formel berechnet:
  • AV = {(V&sub1;-V&sub2;) · f · 5,61}/m
  • (worin V&sub1; die Menge der alkoholischen Lösung von 0,1 Mol/Liter (0,1 N) Kaliumhydroxid (ml), welche beim Hauptversuch verwendet wurde, V&sub2; die Menge der alkoholischen Lösung von 0,1 Mol/Liter (0,1 N) Kaliumhydroxid (ml), die beim Blindversuch verwendet wurde, f der Faktor der ethylalkoholischen Lösung von 0,1 Mol/Liter (0,1 N) Kaliumhydroxid, und m die Masse (g) der Probe bedeuten).
  • (4) Soxhlet = Extraktionsversuch
  • Dieser Test wird durch sorgfältiges Extrahieren von 3 g des hergestellten Ruß- Pfropfpolymeren mit 30 g Benzol, Einfüllen der erhaltenen Dispersion der erhaltenen Ruß-Pfropfpolymer-Dispersion ganz in einen zylindrischen Papierfilter, der in die Soxhlet-Extraktionsvorrichtung eingeführt ist, Zugeben von 117 g Benzol zur Probedispersion und Erwärmen der vereinten Lösung auf 90ºC zur Durchführung der Soxhlet-Extraktion.
  • Der hierbei erhaltene Extrakt wird auf seinen Gehalt an nicht-flüchtigen Bestandteilen analysiert. Das Soxhlet-Extraktionsverhältnis wird in Übereinstimmung mit folgender Formel gefunden: (Gehalt an nicht-flüchtigen Bestandteilen (g)/3 g) · 100 (%).

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines Ruß-Pfropfpolymers durch Umsetzung von Ruß und einem Polymer (A), das über Epoxygruppen und/oder Thioepoxygruppen verfügt, bei welchem Verfahren man die Umsetzung mit Hilfe eines kontinuierlich betriebenen Knetwerks durchführt, wobei man das Polymer (A) dem kontinuierlich betriebenen Knetwerk in einer Weise zuführt, dass die effektiven Pfropfzahl (Peff) entsprechend folgender Formel
Peff = Mn/(E-Ac)
in den Bereich von 0,5 - 1,3 pro Molekül fällt (wobei Mn das Zahlenmittel des Molekulargewichts vom Polymer (A), E die Anzahl Mole an Epoxy- und/oder Thioepoxygruppe je g Polymer (A) und Ac die Anzahl Mole an Epoxy- oder Thioepoxy-reaktiven Gruppen je g Polymer (A) bezeichnet), dadurch gekennzeichnet, dass man die Temperatur im kontinuierlich betriebenen Knetwerk kontinuierlich von 40ºC auf 180ºC ansteigen lässt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer (A) erhalten wird, indem man ein Reaktionsgefäß mit polymerisierbaren Monomeren in einer solchen Menge beschickt, dass das durch die Polymerisation erhältliche Polymer (A) ein Zahlenmittel an Epoxy- und/oder Thioepoxygruppen pro Molekül im Bereich von 0,5-1,3 aufweist, und die polymerisierbaren Monomere im wesentlichen in Abwesenheit freier, Epoxy- oder Thioepoxy-reaktiven Gruppen polymerisiert.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer (A) erhalten wird, indem man ein Reaktionsgefäß mit polymerisierbaren Monomeren in einer solchen Menge beschickt, dass das durch die Polymerisation erhältliche Polymer (A) ein Zahlenmittel an Epoxy- und/oder Thioepoxygruppen pro Molekül im Bereich von schätzungsweise 5-1,1 aufweist, und die polymerisierbaren Monomere in Gegenwart freier, Epoxy- und/oder Thioepoxy-reaktiver Gruppen polymerisiert, die zum Verbrauch von überschüssigen Epoxy- und/oder Thioepoxygruppen erforderlich sind.
4. Verfahren gemäß irgendeinem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man Ruß mit einem pH-Wert von nicht mehr als 5 einsetzt.
5. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Polymer (A), die mit dem Ruß gemischt wird, im Bereich von 100- 500 Gewichtsteilen bezogen auf 100 Gewichtsteilen Ruß ist.
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