ES2225319T3 - Negros de carbono y composiciones que incorporan los negros de carbono. - Google Patents
Negros de carbono y composiciones que incorporan los negros de carbono.Info
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Abstract
Un negro de carbono que tiene un número I2 de 50-112 mg/g; un tamaño de las partículas principales inferior o igual a 25 nm; y un CDBP inferior o igual a 102 cc/100 g.
Description
Negros de carbono y composiciones que incorporan
los negros de carbono.
La presente invención trata de una clase de
negros de carbono nuevos y útiles que son adecuados para varias
aplicaciones y, particularmente, son muy adecuados para su uso en
gomas naturales, gomas sintéticas, elastómeros, plastómeros y/o
composiciones o mezclas de los mismos. La presente invención también
trata de composiciones de polímero nuevas y útiles (gomas
naturales, gomas sintéticas, elastómeros, plastómeros y/o
composiciones o mezclas de los mismos) que incluyen los negros de
carbono.
Los negros de carbono se producen generalmente en
un reactor de tipo horno mediante la pirólisis de una materia prima
de hidrocarbono con gases de combustión en caliente para generar
productos de combustión que contienen negro de carbono en
partículas.
El documento
EP-A-0384080 describe un reactor y
un procedimiento para producir negro de carbono con una amplia
distribución de tamaño de partícula.
Los negros de carbono pueden usarse como
pigmentos, rellenos y/o agentes reforzantes en composiciones de
polímero. Tal como se usa en la presente memoria descriptiva,
"polímero" hace referencia a una goma natural, una goma
sintética, un elastómero, un plastómero y/o composiciones o mezclas
de los mismos.
Los negros de carbono también pueden usarse para
impartir conductividad eléctrica y protección frente a la
degradación ultravioleta (UV) a composiciones de polímero. Por
ejemplo, los negros de carbono se usan frecuentemente para
minimizar la degradación de las composiciones de polímero después de
la exposición a radiación UV. Esta radiación UV se produce como un
componente de la luz natural del sol. Es de conocimiento general
que el grado de protección frente a la degradación UV mejora con el
uso de negros de carbono que tengan un tamaño reducido de las
partículas, por ejemplo, no superior a 25 nanometros (nm). Existe
la creencia general de que se obtienen beneficios adicionales
gracias al uso de negros de carbono que tienen tamaños de partículas
no superiores a 20 nm.
Los negros de carbono se incorporan dentro de la
composición de polímero mediante una variedad de técnicas de
mezclado. Para negros de carbono que tengan características
aceptables en relación con la protección UV, es deseable
generalmente usar aquellos negros de carbono que proporcionen una
viscosidad lo más baja posible, y que mejoren de este modo la
procesabilidad de la mezcla de negro de carbono y composición de
polímero. Otra característica deseable de los negros de carbono
usados en estas aplicaciones sería maximizar, hasta el mayor grado
posible, el contenido relativo de negro de carbono en la mezcla de
negro de carbono y composición de polímero. Para minimizar la
tendencia de una composición de plástico a absorber la humedad, es
deseable usar negros de carbono que tengan una absorción de la
humedad del compuesto (CMA) lo más baja posible. La CMA es
indicativa de la capacidad de absorción de la humedad del negro de
carbono después de que éste haya sido mezclado dentro de la
composición de polímero en cuestión.
Según esto, sería ventajoso producir nuevos
negros de carbono que impartan características mejoradas de
viscosidad o de procesabilidad a composiciones de polímero dentro de
las cuales se incorporan los negros de carbono.
También sería ventajoso producir nuevos negros de
carbono que impartan características de menor absorción de la
humedad del compuesto a composiciones de polímero dentro de las
cuales se incorporan los negros de carbono.
Además, sería ventajoso tener nuevas
composiciones de polímero que tengan características mejoradas de
viscosidad y de procesabilidad, y menor absorción de la humedad del
compuesto.
Estas y otras ventajas se consiguen gracias a los
negros de carbono y a las composiciones de polímero de la presente
invención.
Según un aspecto, la presente invención
proporciona nuevas clases de negros de carbono que se pueden
caracterizar por tener un número de adsorción del Yodo (número
I_{2}) de 50-112 miligramos/gramo (mg/g) y un
tamaño de las partículas principales medido de acuerdo con los
procedimientos del Procedimiento de Prueba ASTM
D3849-89 (denominado en lo sucesivo "tamaño de las
partículas principales") inferior o igual a 25 nanometros (nm) y
un CDBP (valor de absorción de dibutil del negro de carbono
comprimido) inferior o igual a 102 centímetros cúbicos DBP por 100
gramos de negro de carbono (cc/100 g), medido de acuerdo con el
Procedimiento de Prueba ASTM D3493-86.
Según otro aspecto, la presente invención
proporciona nuevos negros de carbono tienen un número I_{2} de
55-112 mg/g, preferiblemente 65-95
mg/g y un tamaño de las partículas principales inferior o igual a
20 nm. Preferiblemente, los negros de carbono tienen un número
I_{2} de 73-94 mg/g y/o un tamaño de partícula
principal inferior o igual a 19 nm. Más preferiblemente, los negros
de carbono tienen un I_{2} de 85-93 mg/g y/o un
tamaño de partícula principal inferior o igual a 19 nm.
La presente invención proporciona asimismo nuevos
negros de carbono con un número I_{2} de 100-112
mg/g y un tamaño de partícula principal inferior o igual a 20 nm.
Preferiblemente, los negros de carbono tienen un tamaño de
partícula principal inferior o igual a 19 nm.
La presente invención proporciona asimismo nuevos
negros de carbono con un número I_{2} de 65-112
mg/g; un tamaño de partícula principal inferior o igual a 20 nm; y
un CDBP inferior o igual a 102 cc/100 g. Preferiblemente, los negros
de carbono tienen un número I_{2} de 73-104 mg/g;
un tamaño de partícula principal inferior o igual a 19 nm; y/o un
CDBP de 70/100 cc/100g. Más preferiblemente, los negros de carbono
tienen un número I_{2} de 75-99 mg/g; un tamaño
de partícula principal inferior o igual a 19 nm; y/o un CDBP de
80-95 cc/100g.
Además, la presente invención proporciona nuevos
negros de carbono con un número I_{2} de 50-70
mg/g y un tamaño de partícula principal inferior o igual a 25 nm.
Preferiblemente, los negros de carbono tienen un número I_{2} de
55-65 mg/g y/o un tamaño de partícula principal de
más de 20 nm a 25 nm.
Además, la presente invención proporciona
composiciones de polímero que incorporan los negros de carbono de la
presente invención. Tal como se usa en la presente memoria
descriptiva, "polímero" hace referencia de forma general a
cualquier goma natural, goma sintética, elastómero, plastómero y/o
composiciones o mezclas de los mismos.
Los negros de carbono de la presente invención
pueden producirse mediante cualquier procedimiento conocido en la
técnica. Preferiblemente, los negros de carbono de la presente
invención se producen en un reactor de negro de carbono de horno
que tiene una primera zona (de combustión), una zona de transición y
una zona de reacción donde:
se inyecta una materia prima de producción de
negro de carbono dentro de una corriente de gas de combustión
caliente;
la mezcla resultante de los gases de combustión
calientes y de la materia prima pasa al interior de la zona de
reacción; y
la pirólisis de la materia prima de producción de
negro de carbono se detiene mediante reducción de la mezcla cuando
se han formado los negros de carbono de la presente invención y
donde se usa un nivel de combustión principal superior al 300%,
preferiblemente superior al 550%, más preferiblemente, entre 650% y
1200%. Preferiblemente el nivel de combustión global del
procedimiento para la producción de los negros de carbono de la
presente invención es al menos del 22%, preferiblemente entre 22% y
35%, más preferiblemente entre 25% y 28%. También es preferible que
el tiempo de residencia para el negro de carbono que produce
reacciones en el procedimiento de producción de los negros de
carbono de la presente invención esté comprendido entre 0,55
segundos y 9,9 segundos, más preferiblemente entre 1,06 segundos y
8,01 segundos. Se describirá con detalle a continuación el
procedimiento de preparación de los negros de carbono nuevos de la
presente invención.
Las composiciones de polímero de la presente
invención incluyen gomas naturales, gomas sintéticas, elastómeros,
plastómeros, y composiciones o mezclas de los mismos. La cantidad
de negro de carbono que se usa en las composiciones de polímero de
la presente invención incluye cualquier cantidad efectiva para
conseguir los resultados deseados para el uso previsto de la
composición de polímero, siendo estas cantidades convencionales y
bien conocidas por las personas con una experiencia normal en la
materia. Generalmente pueden usarse cantidades de producto de negro
de carbono que oscilan entre 0,5 y 300 partes en peso por cada 100
partes en peso de polímero. Sin embargo, es preferible usar
cantidades que oscilen entre 0,5 y 100 partes en peso de negro de
carbono por 100 partes en peso de polímero y se prefiere
especialmente el uso de entre 0,5 y 80 partes en peso de negro de
carbono por 100 partes en peso de
polímero.
polímero.
Entre los polímeros adecuados para su uso con la
presente invención están la goma natural, goma sintética, por
ejemplo poliisopreno y polibutadieno, y sus derivados tales como
goma clorada, copolímeros de entre 10% aproximadamente y 70%
aproximadamente en peso de estireno y entre 90% aproximadamente y
30% aproximadamente en peso de butadieno, tal como un copolímero de
19 partes de estireno y 81 partes de butadieno, un copolímero de 30
partes de estireno y 70 partes de butadieno, un copolímero de 43
partes de estireno y 57 partes de butadieno y un copolímero de 50
partes de estireno y 50 partes de butadieno, polímeros y
copolímeros de dienos conjugados tales como polibutadieno,
poliisopropeno, policloropropeno, y similares, y copolímeros de
estos dienos conjugados con un grupo etilénico que contiene un
monómero copolimerizable junto con un estireno, metil estireno,
cloroestireno, acrilonitrilo,
2-vinil-piridina,
5-metil-2-vinilpiridina,
5-etil-2-vinilpiridina,
2-metil-5-vinilpiridina,
acrilatos sustituidos con alquilo, acetona de vinilo, acetona de
metilo isopropenilo, éter de metilo vinilo, ácidos carboxílicos de
alfametileno y los esteres y amidas del mismo, tales como ácido
acrílico y amida de ácido dialquilacrílico; también son adecuados
para su uso en la presente invención copolímeros de etileno y otras
alfa olefinas altas tales como propileno, buteno-1
penteno-1, se prefieren particularmente los
copolímeros de etileno-propileno donde el contenido
de etileno oscila entre 20 por ciento y 90 por ciento en peso y
también los polímeros de etileno-propileno que
contienen adicionalmente un tercer monómero tal como
diciclopentadieno, 1,4- hexadieno y metileno norborneno.
Preferiblemente el etileno que contiene polímero consta de: un
copolímero de etileno-propileno o un terpolímero de
etileno-propileno. Más preferiblemente, el polímero
que contiene etileno consta de monómero de etileno propileno dieno
(EPDM). También es preferible un etileno que contiene polímero que
consta de entre un 0,5% y un 98%, en peso, de monómero de
etileno.
Composiciones adicionales poliméricas preferidas
son poliolefinas tales como polipropileno y polietileno.
Los polímeros adecuados también incluyen:
a) homopolímeros de propileno, homopolímeros de
etileno, y copolímeros de etileno y polímeros insertados donde se
seleccionan los co-monómeros entre los siguientes,
butano, hexeno, propeno, octeno, acetato de vinilo, ácido acrílico,
ácido metacrílico, esteres de alquilo C_{1} - C_{8} de ácido
acrílico, esteres de alquilo C_{1} - C_{8} de ácido
metacrílico, anhídrido maleico, semi-ester de
anhídrido maleico y monóxido de carbono;
b) elastómeros seleccionados entre los
siguientes, goma natural, polibutadieno, poliisopropeno, goma de
butadieno de estireno en bloque o aleatoria (SBR), policloropropeno,
butadieno de acrilonitrilo, copolímeros y terpolímeros de etileno
propileno, monómero de etileno propileno dieno (EPDM);
c) homopolímeros y copolímeros de estireno,
incluyendo polímero radial y lineal de estireno - butadieno -
estireno, estireno de acrilonitrilo butadieno (ABS) y acrilonitrilo
de estireno (SAN);
d) termoplásticos, incluyendo tereftalato de
polietileno (PET), tereftalato de polibutileno (PBT),
policarbonatos, poliamidas, cloruros de polivinilo (PVC), acetales;
y
e) termoconjuntos, incluyendo poliuretano,
epoxias y poliésteres.
Una ventaja de los negros de carbono de la
presente invención es que los negros de carbono imparten baja
viscosidad a las composiciones de polímero dentro de las cuales se
incorporan éstos.
Otra ventaja de los negros de carbono de la
presente invención es que los negros de carbono imparten baja CMA
(absorción de la humedad del compuesto) a las composiciones de
polímero dentro de las cuales se incorporan éstos.
Una ventaja adicional de los negros de carbono de
la presente invención es que los negros de carbono pueden
incorporarse con cargas elevadas de negro de carbono dentro de
composiciones de polímero.
Una ventaja de las composiciones de polímero de
la presente invención es que las composiciones de polímero tienen
baja viscosidad.
Otra ventaja de las composiciones de polímero de
la presente invención es que las composiciones de polímero tienen
baja CMA (absorción de la humedad del compuesto).
Una ventaja adicional de las composiciones de
polímero de la presente invención es que las composiciones de
polímero pueden incorporar niveles elevados de carga de negro de
carbono.
Otras ventajas de la presente invención serán
evidentes a partir de la descripción más detallada de la
invención.
La Figura 1 es una vista en sección transversal
de una parte de un tipo de reactor de negro de carbono de horno que
puede usarse para producir los negros de carbono de la presente
invención.
La Figura 2 es una vista en sección transversal
de una parte de otro tipo de reactor de negro de carbono de horno
que puede usarse para producir los negros de carbono de la presente
invención.
La Figura 3 es un histograma de muestra de la
fracción en peso de los agregados de una muestra de negro de carbono
frente al Diámetro Stokes en una muestra dada.
La Figura 4 es un gráfico que ilustra el efecto
de la carga de negro de carbono sobre el índice del flujo fundido de
composiciones de polímero que contienen negros de carbono de la
presente invención, junto con datos relevantes para composiciones
de polímero que contienen negros de carbono de control, tal como se
describe en los Ejemplos de la presente memoria descriptiva.
La Figura 5 es un gráfico que ilustra el efecto
de la carga de negro de carbono sobre la viscosidad aparente, con
una velocidad de corte de 100 s^{-1}, de composiciones de
polímero que contienen negros de carbono de la presente invención,
junto con datos relevantes para composiciones de polímero que
contienen negros de carbono de control, tal como se describe en los
Ejemplos de la presente memoria descriptiva.
La presente invención proporciona negros de
carbono y composiciones de polímero que incorporan los negros de
carbono.
Según un aspecto, la presente invención
proporciona un negro de carbono con: un número I_{2} de
65-95 mg/g, preferiblemente 73-94
mg/g, más preferiblemente 85-93 mg/g; y un tamaño
de las partículas principales inferior o igual a 20 nm,
preferiblemente inferior o igual a 19 nm. Con mayor detalle, estos
negros de carbono incluyen lo siguiente:
1a) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 60-95 mg/g y un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 20 nm;
2a) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 73-94 mg/g y un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 20 nm;
3a) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 85-93 mg/g y un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 20 nm;
4a) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 65-95 mg/g y un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 19 nm;
5a) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 73-94 mg/g y un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 19 nm;
6a) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 85-93 mg/g y un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 19 nm;
Según otro aspecto, la presente invención
proporciona un negro de carbono que tiene: un número I_{2} de
100-112 mg/g; y un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 20 nm, preferiblemente inferior o
igual a 19 nm. Con más detalle, estos negros de carbono incluyen lo
siguiente:
1b) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 100-112 mg/g y un tamaño de las
partículas principales inferior o igual a 20 nm;
2b) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 100-112 mg/g y un tamaño de las
partículas principales inferior o igual a 19 nm;
Según otro aspecto, la presente invención
proporciona un negro de carbono que tiene: un número I_{2} de
65-112 mg/g; preferiblemente 73-104
mg/g, más preferiblemente 75-99 mg/g; un tamaño de
las partículas principales inferior o igual a 20 nm,
preferiblemente inferior o igual a 19 nm; y un CDBP inferior o
igual a 102 cc/100g, preferiblemente 70-100 cc/100g,
más preferiblemente 80-95 cc/100g. Con más detalle,
estos negros de carbono incluyen lo siguiente:
1c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 65-112 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a 102
cc/100 g;
2c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 65-112 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a
70-100 cc/100 g;
3c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 65-112 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a
80-95 cc/100 g;
4c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 65-112 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a 102
cc/100 g;
5c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 65-112 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a
70-100 cc/100 g;
6c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 65-112 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a
80-95 cc/100 g;
7c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 73-104 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a 102
cc/100 g;
8c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 73-104 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a
70-100 cc/100 g;
9c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 73-104 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a
80-95 cc/100 g;
10c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 73-104 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a 102
cc/100 g;
11c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 73-104 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a
70-100 cc/100 g;
12c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 73-104 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a
80-95 cc/100 g;
13c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 75-99 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a
102cc/100 g;
14c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 75-99 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a
70-100 cc/100 g;
15c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 75-99 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a
80-95 cc/100 g;
16c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 75-99 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a 102
cc/100 g;
17c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 75-99 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a
70-100 cc/100 g; y
18c) un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 75-99 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a
80-95 cc/100 g;
Los negros de carbono de la presente invención
pueden producirse por medio de cualquier procedimiento pero se
producen preferiblemente de la forma descrita más adelante. Sin
embargo, debería entenderse que aunque el procedimiento para la
producción de los negros de carbono de la presente invención se
describe a continuación haciendo referencia a un tipo de reactor de
horno de negro de carbono, el procedimiento puede llevarse a la
práctica en otros tipos de reactor de negro de carbono.
En particular, los negros de carbono de la
presente invención pueden producirse de acuerdo con el
procedimiento de la presente invención en un reactor de negro de
carbono de horno modular, al que también se hace referencia como
"de etapas". Se muestra en la Figura 1 una sección de un
reactor de negro de carbono de horno modular típico que puede
usarse para producir los negros de carbono de la presente
invención. Otros detalles de un reactor de negro de carbono de horno
modular típico pueden encontrarse, por ejemplo, en la descripción
incluida en la Patente de Estados Unidos Nº 3.922.335, cuya
descripción se incorpora en la presente memoria descriptiva a modo
de referencia.
Haciendo referencia a la Figura 1, los negros de
carbono de la presente invención pueden producirse en un reactor 2
de negro de carbono de horno, que tiene una zona 10 de combustión,
con una zona de diámetro convergente, 11, una zona 12 de
transición, y una zona 18 de reacción. El final de la zona 18 de
reacción que está más cerca de la zona 12 de transición tiene una
zona, o zonas, 17A y 17B, con un diámetro restringido. El diámetro
de la zona 10 de combustión, hasta el punto donde comienza la zona
de diámetro convergente 11, se muestra como D-1; el
diámetro de la zona 12, como D-2; el diámetro de la
zona 17A como D-3A; el diámetro de la zona 17B,
como D-3B, y el diámetro de la zona 18, como
D-4. La longitud de la zona 10 de combustión, hasta
el punto donde comienza la zona de diámetro convergente 11, se
muestra como L-1; la longitud de la zona de
diámetro convergente, 11, se muestra como L-2; la
longitud de la zona de transición, 12, se muestra como
L-3; la longitud de la zona, 17A, de diámetro
restringido, se muestra como L-4A; y la longitud de
la zona, 17B, de diámetro restringido, se muestra como
L-4B.
Para producir los negros de carbono de la
presente invención, se generan gases de combustión en caliente en
la zona 10 de combustión, mediante la reacción de un combustible
líquido o gaseoso con un oxidante adecuado tal como aire, oxígeno,
mezclas de aire y oxígeno o similares. Entre los combustibles
adecuados para su uso en la reacción con la corriente de oxidante
en la zona 10 de combustión, para generar los gases de combustión
en caliente, se incluye cualquiera de las corrientes de gas, vapor
o líquido fácilmente combustibles, tales como el gas natural,
hidrogeno, monóxido de carbono, metano, acetileno, alcoholes o
queroseno. Sin embargo, generalmente es preferible usar combustibles
que tengan un alto contenido de componentes que contengan carbono y
en particular, de hidrocarbonos. La relación entre el aire y el gas
natural que se usa para producir los negros de carbono de la
presente invención es como mínimo de 30:1, preferiblemente entre
45:1 y 100:1. Para facilitar la generación de gases de combustión
en caliente, la corriente de oxidante puede precalentarse.
Para producir los negros de carbono de la
presente invención, el nivel de combustión principal del
procedimiento de producción de negro de carbono es superior al 300%
y preferiblemente superior al 550%. Más preferiblemente, para
producir los negros de carbono de la presente invención, el nivel de
combustión principal del procedimiento de producción del negro de
carbono se encuentra entre 650% y 1200%.
Tal como se hace referencia en la presente
memoria descriptiva, el nivel de combustión principal representa la
cantidad de oxidante tal como aire usado en la primera etapa de un
procedimiento multi-etapa respecto a la cantidad
teórica de oxidante que se requiere para la combustión completa del
hidrocarbono de la primera etapa en dióxido de carbono y agua. Por
motivos de conveniencia, el nivel de combustión principal se
expresa en términos de porcentaje.
Se hace referencia en la presente memoria
descriptiva a la cantidad teórica de oxidante que se requiere para
la combustión completa del hidrocarbono de la primera etapa en
dióxido de carbono y agua como la "relación entre
Aire-A-Quemar y Gas", y se
expresa como una relación de volúmenes del oxidante teórico y del
hidrocarbono de la primera etapa. Las cantidades de oxidante y de
hidrocarbono de la primera etapa se pueden describir en cualquier
conjunto conveniente y consistente de unidades.
El nivel de combustión principal puede
determinarse de acuerdo con la siguiente fórmula:
donde:
- \quad
- "Velocidad Medida del Aire" = la velocidad del flujo volumétrico de aire introducido dentro de la zona de combustión del reactor medida en condiciones estándar de temperatura y presión
- \quad
- "Velocidad Medida del Gas" = la velocidad del flujo volumétrico de gas introducido dentro de la zona de combustión del reactor medida en condiciones estándar de temperatura y presión
y la "Velocidad Medida del
Aire", la "Velocidad Medida del Gas" y la "Relación entre
Aire-a-quemar y Gas" están en un
conjunto de unidades consistentes entre sí. Tal como se usa en la
presente memoria descriptiva, "condiciones estándar de
temperatura y presión" hace referencia a una temperatura de 273
Kelvin (K) y a una presión de 101,3 kilo Pascales (kPa) cuando se
describe aire o gas y, "condiciones estándar de temperatura y
presión" hace referencia a una temperatura de 288,6 K y a una
presión de 101,3 kPa cuando se describe aceite o materia
prima.
La corriente de gas de combustión caliente fluye
en sentido descendente desde las zonas 10 y 11 hacia las zonas 12,
17A, 17B y posteriormente 18. La dirección del flujo de los gases
de combustión en caliente se muestra en la Figura 1 por medio de la
flecha. Se introduce materia prima 30 de producción de negro de
carbono en el punto 32 situado en la zona 12. La materia prima puede
introducirse a través de una sonda 15, que tiene un extremo 34, o
preferiblemente de forma radial hacia el interior a través de una
pluralidad de aberturas situadas en la pared de la zona 12 en el
punto 32, o una combinación de las dos. Son adecuados para su uso
en la presente memoria descriptiva como materias primas de
hidrocarbono de producción de negro de carbono, que son fácilmente
volatilizables bajo las condiciones de la reacción, hidrocarbonos
insaturados tales como acetileno; olefinas tales como etileno,
propileno, butileno; aromáticos tales como benceno, tolueno y
xileno; ciertos hidrocarbonos saturados; e hidrocarbonos
volatilizados tales como querosenos, naftalenos, terpenos, bandas
de etileno, materiales de ciclo aromático y
similares.
similares.
La distancia desde el punto 32 en sentido
descendente hasta el inicio de la zona 17A, de diámetro restringido,
en la zona de reacción se muestra como F-1. En
algunos de los ejemplos descritos en la presente memoria
descriptiva, se inyectó materia prima 30 de producción de negro de
carbono rápidamente hacia el interior a través de una pluralidad de
aberturas situadas en la pared de la zona 12 en el punto 32,
penetrando los chorros resultantes dentro de las zonas interiores de
la corriente de gas de combustión caliente de forma que la materia
prima se descomponga y se convierta rápidamente en los negros de
carbono nuevos de la presente invención.
En otro de los ejemplos descritos en la presente
memoria descriptiva, se inyectó materia prima de producción de
negro de carbono, 30, hacia el exterior en una dirección
sustancialmente axial en sentido descendente a través de una
pluralidad de aberturas en el extremo, 34, de la sonda 15,
penetrando los chorros resultantes dentro de las zonas exteriores
de la corriente de gas de combustión caliente de forma que la
materia prima se descomponga y se convierta rápidamente en los
negros de carbono. La distancia desde el extremo de la sonda 15
hasta el inicio de la zona 17A se muestra como
F-2.
Para producir los negros de carbono de la
presente invención, el nivel de combustión global del procedimiento
de producción de negro de carbono es preferiblemente como mínimo del
22%, más preferiblemente entre 22% y 35%, e incluso más
preferiblemente entre 25% y 28%.
Tal como se hace referencia en la presente
memoria descriptiva, y como saben los expertos en la materia, el
nivel de combustión global representa la cantidad total de oxidante
tal como aire que se usa en el procedimiento de formación de
carbono respecto a la cantidad de oxidante que se requiere para la
combustión completa de la cantidad total de hidrocarbono usado en
el procedimiento de formación de carbono para formar dióxido de
carbono y agua. El nivel de combustión global se expresa
normalmente como porcentaje.
Por motivos de conveniencia, se hace referencia a
la cantidad de oxidante que se requiere para la combustión completa
de la materia prima de producción de negro de carbono en dióxido de
carbono y agua como Relación entre
Aire-A-Quemar y Aceite, y se
expresa como una relación de volúmenes del oxidante teórico y de la
materia prima de producción de negro de carbono. Las cantidades de
oxidante y materia prima de producción de negro de carbono se
pueden describir en cualquier conjunto conveniente y consistente de
unidades.
El nivel de combustión global puede determinarse
de acuerdo con la siguiente fórmula:
donde:
- \quad
- "Velocidad Medida del Aire" = la velocidad del flujo volumétrico de aire introducido dentro de la zona de combustión del reactor medida en condiciones estándar de temperatura y presión
- \quad
- "Velocidad Medida del Gas" = la velocidad del flujo volumétrico de gas introducido dentro de la zona de combustión del reactor medida en condiciones estándar de temperatura y presión
- \quad
- "Velocidad Medida del Aceite" = la velocidad del flujo volumétrico de aceite introducido dentro de la zona de combustión del reactor medida en condiciones estándar de temperatura y presión
y la "Velocidad Medida del
Aire", la "Velocidad Medida del Gas", la "Velocidad
Medida del Aceite", la "Relación entre
Aire-a-quemar y Gas" y
"Relación entre Aire-a-quemar y
Aceite" están en un conjunto de unidades consistentes entre
sí.
La mezcla de materia prima de producción de negro
de carbono y de gases de combustión caliente fluye en sentido
descendente a través de las zonas 12, 17A, 17B y hacia el interior
de la zona 18. El reductor 40, situado en el punto 42, que inyecta
fluido 50 de reducción, que en los ejemplos descritos en la presente
memoria descriptiva era agua, se usa para detener la pirólisis de
la materia prima de producción de negro de carbono cuando se forman
los negros de carbono nuevos de la presente invención. El punto 42
puede determinarse de cualquier forma conocida en la técnica para
la selección de la posición de un reductor para detener la
pirólisis.
Un procedimiento para determinar la posición del
reductor que se usa para detener la pirólisis consiste en la
determinación del punto en el que se consigue un nivel aceptable de
extracción de tolueno para los negros de carbono nuevos. El nivel
de extracción de tolueno puede medirse usando el Procedimiento de
Prueba ASTM D1618-83, "Decoloración del Tolueno
extraíble del Negro de Carbono".
En una realización preferida del procedimiento de
producción de los negros de carbono de la presente invención, la
localización del reductor se determina de tal modo que se asegure
que el tiempo nominal resultante de residencia para el negro de
carbono que produce reacciones en el reactor esté comprendido entre
0,55 segundos y 9,9 segundos y preferiblemente entre 1,06 y 8,01
segundos. El tiempo de residencia nominal en el reactor se define
en la presente memoria descriptiva como el tiempo que se requiere
nominalmente para que el oxidante se desplace a través del reactor
para desplazarse desde el punto de inyección de la materia prima de
producción de negro de carbono hasta el punto de reducción, si el
oxidante no se viera alterado por ninguno de los procedimientos que
tienen lugar en cualquiera de las etapas del reactor por etapas, y
donde la velocidad del flujo volumétrico del oxidante se define en
condiciones estándar de temperatura y presión.
Después de que se reduce la mezcla de gases
calientes de combustión y de materia prima de producción de negro de
carbono, los gases enfriados pasan en sentido descendente hacia el
interior de cualquier medio convencional de refrigeración y de
separación de modo que se recuperen los negros de carbono. La
separación del negro de carbono de la corriente de gas se lleva a
cabo de forma sencilla mediante un medio convencional tal como un
precipitador, separador de ciclones o filtro de bolsa. Esta
separación puede continuar mediante formación de gránulos usando,
por ejemplo, un formador de gránulos húmedos.
La Figura 2 ilustra una sección de otra
configuración de un reactor de negro de carbono que puede usarse
para producir negros de carbono de la presente invención y se usó
para producir algunos de los negros de carbono descritos en los
Ejemplos expuestos en la presente memoria descriptiva. El reactor 2,
que se ilustra en la Figura 2, es sustancialmente idéntico al
reactor que se muestra en la Figura 1 y los números de referencia
usados en la Figura 2 se usan del mismo modo que en la Figura 1,
con las siguientes excepciones.
En el reactor que se ilustra en la Figura 2, la
zona de reacción consta además de las zonas 18A, 18B y 18C. La zona
18A está situada junto a la zona 17B. La zona 18B está situada
junto a la zona 18A y forma un ángulo \Omega tal como se muestra
en la Figura 2. La zona 18C está situada junto a la zona 18B. El
diámetro de la zona 18A se muestra como D-4A; el
diámetro de la zona 18B, como D-4B, y el diámetro
de la zona 18C, como D-4C. La longitud de la zona,
18A, se muestra como L-5A; La longitud de cada una
de las secciones de la zona 18B, en una dirección paralela a la
horizontal, es L-5B o L-5C tal como
se muestra en la Figura 2.
Las composiciones de polímero de la presente
invención constan de un polímero y de un negro de carbono de la
presente invención.
Por lo tanto, según un aspecto, la presente
invención proporciona composiciones de polímero que constan de un
polímero y de un negro de carbono que tiene un número I_{2} de
65-95 mg/g, preferiblemente 73-94
mg/g, más preferiblemente 85-93 mg/g; y un tamaño
de las partículas principales inferior o igual a 20 nm,
preferiblemente inferior o igual a 20 nm, preferiblemente inferior o
igual a 19 nm. Con más detalle, estas composiciones de polímero
incluyen lo siguiente:
1a) una composición de polímero que tiene
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
60-95 mg/g y un tamaño de las partículas principales
inferior o igual a 20 nm;
2a) una composición de polímero que tiene
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
73-94 mg/g y un tamaño de las partículas principales
inferior o igual a 20 nm;
3a) una composición de polímero que tiene
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
85-93 mg/g y un tamaño de las partículas principales
inferior o igual a 20 nm;
4a) una composición de polímero que tiene
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
65-95 mg/g y un tamaño de las partículas principales
inferior o igual a 19 nm;
5a) una composición de polímero que tiene
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
73-94 mg/g y un tamaño de las partículas principales
inferior o igual a 19 nm;
6a) una composición de polímero que tiene
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
85-93 mg/g y un tamaño de las partículas principales
inferior o igual a 19 nm;
Según otro aspecto, la presente invención
proporciona una composición de polímero que comprende un polímero y
un negro de carbono con un número I_{2} de
100-112 mg/g; y un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 20 nm, preferiblemente inferior o
igual a 19 nm. Con más detalle, estas composiciones de polímero
incluyen lo siguiente:
1b) una composición de polímero que tiene
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
100-112 mg/g y un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 20 nm;
2b) una composición de polímero que tiene
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
100-112 mg/g y un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 19 nm;
Según otro aspecto, la presente invención
proporciona una composición de polímero que comprende un polímero y
un negro de carbono que tiene un número I_{2} de
65-112 mg/g; preferiblemente 73-104
mg/g, más preferiblemente 75-99 mg/g; un tamaño de
las partículas principales inferior o igual a 20 nm,
preferiblemente inferior o igual a 19 nm; y un CDBP inferior o
igual a 102 cc/100g, preferiblemente 70-100
cc/100g, más preferiblemente 80-95 cc/100g. Con más
detalle, estas composiciones de polímero incluyen lo siguiente:
1c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
65-112 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a 102 cc/100 g;
2c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
65-112 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a
70-100 cc/100 g;
3c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
65-112 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a
80-95 cc/100 g;
4c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
65-112 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a 102 cc/100 g;
5c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
65-112 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a
70-100 cc/100 g;
6c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
65-112 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a
80-95 cc/100 g;
7c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
73-104 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a 102 cc/100 g;
8c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
73-104 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a
70-100 cc/100 g;
9c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
73-104 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a
80-95 cc/100 g;
10c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
73-104 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a 102 cc/100 g;
11c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
73-104 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a
70-100 cc/100 g;
12c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
73-104 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a
80-95 cc/100 g;
13c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
75-99 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a 102cc/100 g;
14c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
75-99 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a
70-100 cc/100 g;
15c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
75-99 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 20 nm; y un CDBP inferior o igual a 80-95
cc/100 g;
16c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
75-99 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a 102 cc/100 g;
17c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
75-99 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a
70-100 cc/100 g; y
18c) una composición de polímero que tiene un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
75-99 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior a 19 nm; y un CDBP inferior o igual a 80-95
cc/100 g.
Según otro aspecto más, la presente invención
proporciona nuevas composiciones de polímero que comprenden un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
50-70 mg/g, un tamaño de las partículas principales
inferior o igual a 25 nm, y un CDBP inferior o igual a 102cc/100g.
Preferiblemente, el negro de carbono tiene un número I_{2} de
55-65 mg/g y/o un tamaño de las partículas
principales de superior a 20 nm a 25 nm. Con más detalle, estas
composiciones de polímero incluyen lo siguiente:
1d) Una composición de polímero que incluye un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
50-70 mg/g y un tamaño de las partículas principales
inferior o igual a 25 nm.
2d) Una composición de polímero que incluye un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
50-70 mg/g y un tamaño de las partículas principales
de superior a 20 a 25 nm.
3d) Una composición de polímero que incluye un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
55-65 mg/g y un tamaño de las partículas principales
inferior o igual a 25 nm.
4d) Una composición de polímero que incluye un
polímero y un negro de carbono con un número I_{2} de
55-65 mg/g y un tamaño de las partículas principales
de superior a 20nm a 25 nm.
Aunque puede usarse en las composiciones de la
presente invención cualquier cantidad de negro de carbono efectivo
para conseguir un uso final previsto, generalmente, pueden usarse
cantidades del negro de carbono que oscilan entre aproximadamente
0,5 y aproximadamente 300 partes en peso por cada 100 partes en
peso de polímero. Sin embargo, es preferible usar cantidades que
oscilen entre aproximadamente 0,5 y aproximadamente 100 partes en
peso de negro de carbono por 100 partes en peso de polímero y se
prefiriere especialmente el uso de entre aproximadamente 0,5 y
aproximadamente 80 partes en peso de negro de carbono por 100
partes en peso de polímero.
Las composiciones de polímero pueden incluir
otros aditivos convencionales tales como agentes de curación,
aditivos de procesamiento, aceites de hidrocarbono, aceleradores,
coagentes, antioxidantes y similares.
Tal como se usa en la presente memoria
descriptiva "polímero" incluye gomas naturales, gomas
sintéticas, elastómeros, plastómeros, y/o combinaciones o mezclas
de los mismos. Ejemplos de polímeros adecuados para su uso en las
composiciones de polímero de la presente invención se incluyen en
las listas que se han mostrado anteriormente.
Las composiciones de polímero de la presente
invención pueden producirse de cualquier forma conocida en la
técnica para la combinación de polímeros y de componentes
particulados.
Se usaron los siguientes procedimientos de prueba
en la determinación y evaluación de las propiedades analíticas de
los negros de carbono de la presente invención y de las propiedades
de las composiciones de polímero que incorporan los negros de
carbono de la presente invención.
El CTAB (Área de adsorción del bromuro cetil
trimetil de amonio) de los negros de carbono se determinó de acuerdo
con el Procedimiento de Prueba ASTM D3765-85.
El número I_{2} se determinó de acuerdo con el
Procedimiento de Prueba ASTM D1510.
El valor Tinte ("Tinte") de los negros de
carbono se determinó de acuerdo con el procedimiento descrito en
ASTM D3265.
El DBP (valor de absorción del dibutil eftalato)
de los gránulos de negro de carbono se determinó de acuerdo con el
Procedimiento de Prueba ASTM D2414.
El CDBP (valor de absorción del dibutil eftalato
comprimido) de los gránulos de negro de carbono se determinó de
acuerdo con el procedimiento descrito en ASTM
D3493-86.
El nivel de extracción de tolueno de los negros
de carbono se determinó usando un Espectrofotómetro Spectronic 20
de Milton Roy, fabricado por Milton Roy, Rochester, Nueva York, de
acuerdo con el Procedimiento de Prueba ASTM D1618.
El tamaño de las partículas de los negros de
carbono se determinó de acuerdo con el procedimiento descrito en
ASTM D3849-89.
Los valores Dmode, Dst e \DeltaD50 para los
negros de carbono se determinó a partir de un histograma de los
diámetros Stokes de los agregados de negro de carbono de las
respectivas muestras de negro de carbono frente a la frecuencia
relativa de sus ocurrencias en esa muestra, tal como se muestra en
la Figura 3. Un histograma se elabora a partir del diámetro Stokes
de los agregados de la muestra de negro de carbono frente a la
frecuencia relativa de su ocurrencia en una muestra dada.
Para los Ejemplos 1 a 14 y para los Ejemplos 26 a
33, los datos usados para generar el histograma se determinaron
mediante el uso de una centrifugadora de disco tal como la
fabricada por Joyce Loebl Co. Ltd. de Tyne and Wear, Reino Unido.
El siguiente procedimiento es una modificación del procedimiento
descrito en el manual de instrucciones de la centrifugadora de
disco de Joyce Loebl con la referencia de archivo DCF 4.008
publicada el 1 de febrero de 1985, cuyas descripciones se
incorporan en la presente memoria descriptiva a modo de referencia,
y se usaron para la determinación de los datos.
El procedimiento es el siguiente. Se pesan en un
recipiente de pesado diez mg (miligramos) de una muestra de negro de
carbono, se añadieron posteriormente a 50 cc de una solución del
10% de etanol absoluto y del 90% de agua destilada que incluye
tensioactivo NONIDET P-40 al 0,05% (NONIDET
P-40 es una marca registrada de un tensioactivo
fabricado y comercializado por Shell Chemical Co.). La suspensión
resultante se dispersó por medio de energía ultrasónica durante 15
minutos usando un Modelo Sonifier Nº W 385, fabricado y
comercializado por Heat Systems Ultrasonic Inc., Farmingdale, Nueva
York.
Antes de poner en funcionamiento la
centrifugadora de disco se introducen los siguientes datos dentro
del ordenador que registra los datos procedentes de la
centrifugadora de disco:
1. La gravedad específica del negro de carbono,
considerada como 1,86 g/cc;
2. El volumen de la solución de negro de carbono
dispersado en una solución de agua y etanol, que en este caso es
0,5 cc;
3. El volumen de fluido giratorio, que en este
caso es de 10 cc de agua;
4. La viscosidad del fluido giratorio, que en
este caso se toma como 0,933 centipoise (9,33 x 10^{-4}
Pascal-segundos (Pa-s)) a 23 grados
centígrados;
5. La densidad del fluido giratorio, que en este
caso es de 0,9975 g/cc a 23 grados C;
6. La velocidad del disco, que en este caso es de
8000 rpm;
7. El intervalo de muestreo de datos, que en este
caso es de 1 segundo.
La centrifugadora de disco funciona a 8000 rpm
mientras que está funcionando el estroboscopio. Se inyectaron diez
cc de agua destilada dentro del disco de giro como fluido
giratorio. El nivel de turbidez se ajustó en 0; y se inyectó como
líquido de reserva 1 cc de una solución del 10% de etanol absoluto y
del 90% de agua destilada. Se accionaron entonces los botones de
corte y de amplificación de la centrifugadora de disco para
producir un gradiente de concentración uniforme entre el fluido
giratorio y el líquido de reserva y el gradiente se monitorizó
visualmente. Cuando el gradiente llega a ser uniforme de tal forma
que no exista un límite distinguible entre los dos fluidos, se
inyectan 0,5 cc del negro de carbono dispersado en solución de
etanol acuoso dentro del disco giratorio y se inicia de forma
inmediata la recogida de datos. Si aparecen corrientes se detiene
el ciclo. Se hace girar el disco durante 20 minutos después de la
inyección del negro de carbono dispersado en solución de etanol
acuoso. Después de los 20 minutos de giro, se detiene el disco, se
mide la temperatura del fluido giratorio, y el promedio de la
temperatura del fluido giratorio medida al inicio del ciclo y la
temperatura del fluido giratorio medida al final del ciclo se
introducen dentro del ordenador que registra los datos procedentes
de la centrifugadora de disco. Los datos se analizan de acuerdo con
la ecuación estándar Stokes y se presentan usando las
siguientes
definiciones:
definiciones:
Agregado de negro de carbono - una entidad
coloidal, rígida, discreta que es la unidad dispersable más pequeña;
está compuesto de partículas coalescidas ampliamente;
Diámetro Stokes - el diámetro de una esfera que
sedimenta en un medio viscoso en un campo centrífugo o gravitacional
de acuerdo con la ecuación Stokes. Un objeto no esférico, tal como
un agregado de negro de carbono, también puede representarse en
términos del diámetro Stokes si se considera que pertenece a una
esfera rígida, uniforme, de la misma densidad y velocidad de
sedimentación que el objeto no esférico. Las unidades
convencionales para expresar el diámetro Stokes son los
nanometros.
Modo (Dmode con fines informativos) - El diámetro
Stokes en el punto del máximo (Punto A de la Figura 3 de la presente
memoria descriptiva) de la curva de distribución para el diámetro
Stokes.
Diámetro Stokes medio - (Dst con fines
informativos) el punto en la curva de distribución del
diámetro
Stokes donde el 50% en peso de la mezcla es superior o inferior (Punto H de la Figura 3 de la presente memoria descriptiva). Este representa por lo tanto el valor medio de la determinación. Un objeto no esférico, tal como un agregado de negro de carbono, también puede representarse en términos del diámetro Stokes si se considera que pertenece a una esfera rígida, uniforme, de la misma densidad y velocidad de sedimentación que el objeto no
esférico.
Stokes donde el 50% en peso de la mezcla es superior o inferior (Punto H de la Figura 3 de la presente memoria descriptiva). Este representa por lo tanto el valor medio de la determinación. Un objeto no esférico, tal como un agregado de negro de carbono, también puede representarse en términos del diámetro Stokes si se considera que pertenece a una esfera rígida, uniforme, de la misma densidad y velocidad de sedimentación que el objeto no
esférico.
\DeltaD50 - El ancho del esquema de la
distribución masiva, medido en el punto semi-máximo
del modo, que es una medición del ancho de la distribución de tamaño
del agregado. Este se determinó del siguiente modo. Tal como se
muestra en la Figura 3, se traza una línea B desde el máximo A del
histograma en una dirección paralela al eje Y y que finaliza en el
eje X en el punto C del histograma. Se determina el punto medio F
de la línea B resultante y se traza una línea G a través del punto
medio F del mismo en paralelo al eje X. La línea G intersecta con
la curva de distribución del histograma en dos puntos D y E. El
valor absoluto de la diferencia de los diámetros Stokes de los
agregados de negro de carbono en los puntos D y E es el valor
\DeltaD50.
Para los Ejemplos 15 a 25, se usó una
centrifugadora de disco fabricada por Brookhaven Instruments, Modelo
BI-DCP (fabricado por Brookhaven Instruments Corp.,
750 Blue Point Road, Holtsville, NY 11742, EEUU) para generar los
histogramas descritos anteriormente. Se usó el siguiente
procedimiento.
Se pesaron en un recipiente de pesado diez mg
(miligramos) de una muestra de negro de carbono, se añadieron
posteriormente a 25 cc de una solución del 10% de etanol absoluto y
del 90% de agua destilada que incluye tensioactivo NONIDET
P-40 al 0,025% (NONIDET P-40 es una
marca registrada de un tensioactivo fabricado y comercializado por
Shell Chemical Co.). La suspensión resultante se dispersa por medio
de energía ultrasónica durante 10 minutos usando un Modelo Sonicator
Nº XL 2015, fabricado y comercializado por Heat Systems Ultrasonic
Inc., Farmingdale, Nueva York.
Antes de poner en funcionamiento la
centrifugadora de disco se introducen los siguientes datos dentro
del ordenador que registra los datos procedentes de la
centrifugadora de discos:
1. La gravedad específica del negro de carbono,
considerada como 1,86 g/cc;
2. El volumen de la solución de negro de carbono
dispersado en una solución de agua y etanol, que en este caso es
0,2 cc;
3. El volumen de fluido giratorio, que en este
caso es de 10 cc de agua;
4. La viscosidad del fluido giratorio, que en
este caso se toma como 0,933 centipoise (9,33 x
10-4 Pascal-segundos
(Pa-s)) a 23 grados centígrados;
5. La densidad del fluido giratorio, que en este
caso es de 0,998 g/cc a 23 grados C;
6. La velocidad del disco, que en este caso es de
4000 rpm;
7. El intervalo de muestreo de datos, que en este
caso es de 1 segundo.
La centrifugadora de disco funciona a 4000 rpm
mientras que está funcionando el estroboscopio. Se inyectaron diez
cc de una mezcla de agua destilada y de solución de sacarosa, en la
cual el agua destilada constituye 9 cc y la solución de sacarosa 1
cc, dentro del disco de giro como fluido giratorio. El nivel de
turbidez se ajusta en 0; y se inyectó como líquido de reserva 1 cc
de una solución del 10% de etanol absoluto y del 90% de agua
destilada. Se accionan entonces los botones de corte y de
amplificación de la centrifugadora de disco para producir un
gradiente de concentración uniforme entre el fluido giratorio y el
líquido de reserva y el gradiente se monitoriza visualmente. Cuando
el gradiente llega a ser uniforme de tal forma que no exista un
límite distinguible entre los dos fluidos, se inyectan 0,2 cc del
negro de carbono dispersado en solución de etanol acuoso dentro del
disco giratorio y se inicia de forma inmediata la recogida de
datos. Si aparecen corrientes se detiene el ciclo. Se hace girar el
disco durante el intervalo de tiempo que sea necesario para que la
respuesta del detector vuelva a la línea base después de la
inyección del negro de carbono dispersado en solución de etanol
acuoso. Después del periodo de tiempo de giro, se detiene el disco,
se mide la temperatura del fluido giratorio con la sonda de
temperatura incorporada, y el promedio de la temperatura del fluido
giratorio medida al inicio del ciclo y la temperatura del fluido
giratorio medida al final del ciclo se introducen dentro del
ordenador que registra los datos procedentes de la
centrifugadora de disco.
centrifugadora de disco.
Las mediciones de la viscosidad aparente y del
índice de flujo fundido se llevaron a cabo en composiciones de
polímero preparadas incorporando las muestras de negro de carbono
dentro de polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) con una carga
del 35% en masa de negro de carbono en la mezcla con el polímero,
excepto cuando se especifica a continuación una carga diferente de
negro de carbono. Se usó el siguiente procedimiento para preparar la
mezcla de negro de carbono y de polímero con una carga del 35% en
masa de negro de carbono en la mezcla. Este procedimiento también
continuó cuando se necesitaban cargas diferentes del 35% en masa de
negro de carbono, excepto cuando las proporciones relativas de
negro de carbono y de polímero se modificaron hasta los niveles
necesarios para producir la carga deseada de negro de carbono en la
mezcla.
Se cargaron 420,7 gramos de negro de carbono y
781,4 gramos de polietileno lineal de baja densidad (LLDPE)
identificado como DFDA7510 para negros de carbono de los Ejemplos 1
a 14 y GRSN7510 para negros de carbono de los Ejemplos 26 a 33
dentro de un mezclador Banbury del laboratorio Farrel que tiene una
cámara de mezcla con un volumen de 1100 centímetros cúbicos. El
polietileno DFDA7510 y el polietileno GRSN7510 son fabricados y
comercializados por Union Carbide. La temperatura inicial de la
etapa de mezcla era de aproximadamente 120ºF (322 K), y la mezcla
se llevó a cabo durante 3 minutos: los primeros 30 segundos a 77
rpm, los siguientes 45 segundos a 116 rpm, y el resto del tiempo de
mezclado a 155 rpm. Después del mezclado, el producto se laminó en
un molino de dos rodillos a 180ºF (355 K) en láminas de 3/8
pulgadas (0,0095 m) de espesor. Las láminas se cortaron
posteriormente en bandas y se hicieron pasar a través de un
dispositivo de formación de cubos para convertirlas en cubos de 3/8
pulgadas (0,0095 m) por lado. El producto se filtró para asegurar
que sólo se usaran piezas de tamaño uniforme para las pruebas
posteriores.
Se midió la viscosidad aparente de acuerdo con el
procedimiento expuesto en ASTM D3835-93A a una
temperatura de 190ºC. Para composiciones de polímero que contienen
negros de carbono de los Ejemplos 1 a 14, estas mediciones usaban un
Reómetro Gottfert Capillary Modelo 1501 con una capilaridad de 30
milímetros (mm) de longitud y de 1 mm de diámetro. Para
composiciones de polímero que contienen negros de carbono de los
ejemplos 26 a 33, estas mediciones usaban un Dispositivo de Prueba
de Procesabilidad Monsanto con una capilaridad de 20 milímetros
(mm) de longitud y de 1 mm de diámetro.
Para preparar especímenes de muestra para la
medición del coeficiente de absorción (COA), la anterior mezcla de
negro de carbono y de LLDPE, con un 35% en masa de negro de
carbono, se cargó dentro del mezclador Banbury con la cantidad de
LLPDE necesaria para producir una mezcla final con un 2,5% en masa
de negro de carbono. La mezcla producida en esta etapa se usó
posteriormente para la medición del COA. El COA se midió de acuerdo
con el procedimiento descrito en ASTM D3349-86.
El índice de flujo fundido se midió de acuerdo
con el Procedimiento de Prueba ASTM D1238-90, usando
una temperatura de 190º para composiciones de polímero que contienen
negros de carbono de los Ejemplos 1 a 14 y una temperatura de 230ºC
para composiciones de polímero que contienen negros de carbono de
los Ejemplos 26 a 33, y un peso de 21,5 kg y adaptadas para incluir
lo siguiente:
\vskip1.000000\baselineskip
La masa apropiada de composición de polímero que
contiene negro de carbono se pesó, se cargó dentro del cilindro
Modelo Keyness 2051 o plastómetro de extrusión equivalente, y se
compactó. El pistón se introdujo dentro del cilindro y con un peso
de 1100 gramos sobre el pistón, la carga se precalentó durante 6
minutos a la temperatura de prueba. Después de completarse el
periodo de tiempo de precalentamiento, el peso de precalentamiento
se retiró del pistón y se sustituyó por el peso de prueba, 21,5 kg
para los resultados expuestos en la Tabla 4. Simultáneamente a la
desaparición de la muesca sobre el pistón dentro del cilindro, el
material extruído en la parte inferior del orificio del troquel se
cortó con una espátula o cuchillo afilado y comenzó el intervalo de
tiempo de prueba. Cuando finalizó el intervalo de tiempo de prueba,
el material extruído en la parte inferior del orificio se cortó y
se pesó. Este peso se registró y se convirtió en el resultado del
Índice de Flujo Fundido medido multiplicando por el factor
apropiado de
la tabla previa.
la tabla previa.
La absorción de humedad compuesta (CMA) se midió
en una mezcla de negro de carbono y de polímero preparado en un
plastificador Brabender a 100º usando 35,75 gramos del polímero
LLDPE al que se ha hecho referencia previamente y 19,25 gramos de
negro de carbono. Los rotores se hicieron girar a 60 rpm después de
alcanzarse la temperatura deseada, y las cantidades pesadas de
polímero y de negro de carbono se cargaron a través de la tolva de
carga durante un periodo de 30 segundos. Se añadió un peso de 10000
kilogramos al pistón de la tolva, poniendo los ingredientes a
fundir. Las cargas y la tolva se retiraron después de la fundición.
La velocidad del rotor se ajustó a 60 rpm, el pistón Brabender se
hizo descender y el compuesto se mezcló durante cinco minutos.
Después de finalizar este periodo de tiempo, el compuesto se retiró
y se hizo pasar dos veces a un molino de dos rodillos. Las láminas
resultantes se dividieron en convirtieron en cubos más pequeñas
para llevar a cabo las
pruebas de CMA.
pruebas de CMA.
La prueba de CMA resultante se llevó a cabo en la
anterior mezcla que contenía negro de carbono y polímero de acuerdo
con el siguiente procedimiento. El compuesto a probar, después de
ser convertido en cubos tal como se ha mencionado en el párrafo
anterior, se filtró a través de filtros de entramado 4 y de
entramado 10, y se guardó para su uso la fracción de -4, +10. Se
puso en funcionamiento un Molino Wiley con un filtro de 4 mm Modelo
#3 o equivalente, y aproximadamente 25 gramos del compuesto
filtrado se dejaron caer dentro de éste. El compuesto granulado se
retiró y se almacenó en un recipiente sellado etiquetado. Se
pesaron una botella de pesado seca y limpia y su cubierta en un
Modelo 10 Ainsworth o una balanza analítica equivalente y este peso
se registró hasta la cuarta posición decimal. Se situaron en esta
botella de pesado 2,0 granos \pm 1 granos de compuesto granulado.
La botella de pesado, con su cubierta entreabierta, se situó en un
horno de vacío, la puerta del horno se precintó y el horno y el
vacío se activaron. La temperatura se ajustó a 140ºF (333 K) y el
vacío se ajustó en 10 pulgadas de mercurio (Hg) (33,9 kPa). La
muestra se dejó en el horno durante al menos 2 horas y un máximo de
16 horas.
Se ajustó un armario Blue M Moldeo
FR-251B-1 o un armario de humedad
equivalente a 80ºF (300 K) y con una humedad relativa del 83%.
Cuando se completó el secado de la muestra, se desactivó el horno
de vacío, se liberó el vacío, se abrió la puerta rápidamente, y la
cubierta se situó sobre la botella de muestra sin tocar la cubierta
directamente con las manos; con este fin se usaron guantes o
pinzas. La botella de muestra se situó dentro de un recipiente de
plástico que contenía un desecante. El recipiente se selló y se dejó
enfriar la botella durante treinta minutos aproximadamente a
temperatura ambiente. Después se pesó la botella en la balanza
analítica. Manipulando la botella sólo con guantes o pinzas, se
registró el peso hasta la cuarta posición decimal. La botella se
situó entonces dentro del armario de humedad. Cuando se probó más de
una botella al mismo tiempo, se dejaron al menos dos pulgadas de
espacio entre las paredes de la cámara y cada botella de muestra, y
cada botella de muestra estaba separada al menos por media pulgada
de cada una de las demás botellas de muestra. Se descubrió la
botella y la cubierta se dejó entreabierta sobre la botella. Se
cerró y se precintó la puerta interna de la cámara. Entonces se
cerró la puerta exterior. La botella se dejó en la cámara de humedad
durante siete días a la temperatura y humedad expuestas
anteriormente.
anteriormente.
Después del periodo de tiempo mencionado de
estancia en la cámara de humedad, se abrieron las puertas de la
cámara y se precintó la botella con su cubierta. La botella se
situó de nuevo en el recipiente de plástico que contenía desecante;
se usaron solo guantes o pinzas para manejar la botella. Se pesó
cada botella cubierta en la balanza analítica. Se calculó el CMA a
partir de la ganancia en peso de la muestra.
Las características y ventajas de los negros de
carbono y de las composiciones de polímero de la presente invención
se ilustran de forma adicional por medio de los siguientes
Ejemplos.
Ejemplos
1-33
Se prepararon treinta y tres negros de carbono en
un reactor que se describe de forma general en la presente memoria
descriptiva y tal como se muestra en cualquiera de las Figuras 1 ó
2 (tal como se especifica a continuación) usando las condiciones y
la geometría expuestas en la Tabla 2. Los negros de carbono
producidos en los Ejemplos
3-10 son negros de carbono de horno de la presente invención con los negros de carbono producidos en los Ejemplos 1 y 2 como los correspondientes controles. Los negros de carbono producidos en los ejemplos 12-24 son también negros de carbono de horno de la presente invención con el negro de carbono producido en el ejemplo 22 como el correspondiente control. Los negros de carbono producidos en los ejemplos 26-29 son negros de carbono de la presente invención con los negros de carbono producidos en los ejemplos 30-33 como los correspondientes
controles.
3-10 son negros de carbono de horno de la presente invención con los negros de carbono producidos en los Ejemplos 1 y 2 como los correspondientes controles. Los negros de carbono producidos en los ejemplos 12-24 son también negros de carbono de horno de la presente invención con el negro de carbono producido en el ejemplo 22 como el correspondiente control. Los negros de carbono producidos en los ejemplos 26-29 son negros de carbono de la presente invención con los negros de carbono producidos en los ejemplos 30-33 como los correspondientes
controles.
El combustible usado en la reacción de combustión
era gas natural. Las propiedades típicas del tipo de materia prima
líquida usada en los Ejemplos 1-14 se exponen en la
Tabla 1. Las propiedades de la materia prima líquida usada en los
ejemplos 15-33 se exponen en la Tabla 1A.
Ejemplos
1-14
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\newpage
Ejemplos
15-33
Las condiciones del reactor y la geometría que se
usaron en cada ejemplo eran las expuestas en la Tabla 2 posterior.
En los Ejemplos 16 a 18, cada orificio usado para inyectar materia
primera se equipó con inserciones de distribución. En los ejemplos
19 y 20, se inyectó la materia prima dentro del procedimiento en
una dirección descenderte sustancialmente axial a través un extremo
de atomización de aceite a presión de 0,09 pulgadas (0,00229 metros
(m)) de diámetro que descarga desde el extremo, 34, de la sonda 15,
que se retrajo aproximadamente 0,8 pulgadas (0,02 m) desde el punto
medio axial de la segunda etapa del presente procedimiento. El
extremo de aceite era un extremo de pulverización Monarch número
F-94-120-45
fabricado por Monarch Manufacturing (Filadelfia, PA, EEUU).
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
Las propiedades analíticas de los negros de
carbono producidos en los Ejemplos 1-33 se
analizaron por medio de los procedimientos descritos en la presente
memoria descriptiva. Los resultados se exponen en la Tabla 3.
Ejemplos
34-55
La efectividad y las ventajas de los negros de
carbono y de las composiciones de polímero de la presente invención
se ilustran por medio de este conjunto de Ejemplos.
Las composiciones de polímero A, B, C, D, E, F,
G, H, I, J, K, L, M y N se prepararon para evaluar las propiedades
de viscosidad aparente, índice de flujo fundido y coeficiente de
absorción de las composiciones de polímero que incorporan los
negros de carbono de los Ejemplos 1-14, que incluyen
los negros de carbono de la presente invención y los negros de
carbono de control. Se prepararon composiciones de polímero O, P,
Q, R, S, T, U y V para evaluar la viscosidad aparente y el índice
de flujo fundido de las composiciones de polímero que incorporan
los negros de carbono de los Ejemplos 26-33 que
incluyen negros de carbono de la presente invención y negros de
carbono de control.
Cada uno de los negros de carbono producidos en
los Ejemplos 1-14 y 26-33 se
incorporó dentro de composiciones de polímero con una carga del 35%
en masa de negro de carbono dentro de la composición de polímero.
Se produjeron composiciones de polímero A-N usando
los negros de carbono producidos en los Ejemplos
1-14. Las composiciones de polímero C, D, E, F, G,
H, I y J eran composiciones de polímero de la presente invención
que contenían negros de carbono de horno de la presente invención,
con composiciones de polímero A y B como los correspondientes
controles. Las composiciones de polímero L, M y N eran también
composiciones de polímero de la presente invención que contenían
negros de carbono de horno de la presente invención, con la
composición de polímero K como el correspondiente control. Se
produjeron composiciones de polímero O-V usando los
negros de carbono producidos en los Ejemplos 26-33.
Las composiciones de polímero P, Q y R eran composiciones de
polímero de la presente invención que contenían negros de carbono
de horno de la presente invención, con composiciones de polímero S,
T, V y U que son, respectivamente, los controles
correspondientes.
Las composiciones de polímero A-V
se prepararon del modo siguiente.
Se cargaron 420,7 gramos de negro de carbono y
781,4 gramos de polietileno lineal de baja densidad (LLDPE)
identificado como DFDA7510 para negros de carbono de los Ejemplos 1
a 14 (composiciones de polímero A-N) y GRSN7510 para
negros de carbono de los Ejemplos 26 a 33 (composiciones de
polímero O-V) dentro de un mezclador Banbury del
laboratorio Farrel que tiene una cámara de mezcla con un volumen de
1100 centímetros cúbicos. El polietileno DFDA7510 y el polietileno
GRSN7510 son fabricados y comercializados por Union Carbide. La
temperatura inicial de la etapa de mezcla era de aproximadamente
120ºF (322 K), y la mezcla se llevó a cabo durante 3 minutos: los
primeros 30 segundos a 77 rpm, los siguientes 45 segundos a 116
rpm, y el resto del tiempo de mezclado a 155 rpm. Después del
mezclado, el producto se laminó en un molino de dos rodillos a
180ºF (355 K) en láminas de 3/8 pulgadas (0,0095 m) de espesor. Las
láminas se cortaron posteriormente en bandas y se hicieron pasar a
través de un formador de cubos para convertirlas en cubos de 3/8
pulgadas (0,0095 m) por lado. El producto se filtró para asegurar
que sólo se usaran piezas de tamaño uniforme para las pruebas
posteriores.
Las propiedades de las composiciones de polímero
se evaluaron del modo descrito anteriormente y los resultados se
muestran en la Tabla 4. Tal como se ha descrito anteriormente, la
evaluación de ciertas propiedades de las composiciones de polímero
se llevó a cabo con niveles de carga de negro de carbono por debajo
del 35% que se consiguieron usando LLDPE adicional.
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\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
El procedimiento de fabricación de composiciones
de polímero que contienen negro de carbono incluye una o más etapas
de tratamiento de una mezcla de negro de carbono y de polímero
fundido. La viscosidad de esta mezcla de negro de carbono y de
polímero fundido es una propiedad importante para determinar la
facilidad de su procesabilidad. Una viscosidad baja mejora la
procesabilidad de la citada mezcla de negro de carbono y de
polímero fundido, y por lo tanto es una propiedad particularmente
importante y útil de estas composiciones. Los datos que se
presentan en la Tabla 4 muestran claramente que las composiciones de
polímero C, D, E, F, G y H de la presente invención, que contienen
negros de carbono de la presente invención, presentan una
viscosidad aparente baja a las velocidades de corte especificadas,
en comparación con las composiciones de polímero de control
correspondientes A y B. Los datos presentados en la Tabla 4 también
muestran que las composiciones de polímero L, M y N de la presente
invención, que contienen negros de carbono de la presente invención,
presentan una viscosidad aparente inferior a las velocidades de
corte especificadas, en comparación con la composición de polímero
de control correspondiente K. Las composiciones de polímero I y J
de la presente invención presentan viscosidades a las velocidades
de corte especificadas que son comparables a las viscosidades de
las composiciones de polímero de control correspondientes A y B. Se
cree que las viscosidades presentadas por las composiciones de
polímero I y J son atribuibles al hecho de que los negros de
carbono 9 y 10, usados en las composiciones de polímero I y j
respectivamente, tienen niveles de estructura superiores (tal como
se indica por medio de sus valores DBP) que los negros de carbono
de control 1 y 2 usados en las composiciones de polímero A y B
respectivamente.
Un índice de flujo fundido elevado es otra
indicación de las características mejoradas de procesabilidad de una
composición que contiene una mezcla de negro de carbono y de
polímero fundido, y por lo tanto es una propiedad particularmente
deseable cuando se busca una procesabilidad mejorada. Los datos
presentados en la Tabla 4 muestran claramente que las composiciones
de polímero C, D, E, F, G y H de la presente invención, que
contienen negros de carbono de la presente invención, presentan
índices superiores de flujo fundido en comparación con las
composiciones de polímero de control correspondientes A y B. Los
datos presentados en la Tabla 4 también muestran que las
composiciones de polímero L, M y N de la presente invención, que
contienen negros de carbono de la presente invención presentan
índices superiores de flujo fundido en comparación con la
composición de polímero de control correspondiente K.
La Tabla 4 también proporciona datos de
viscosidad aparente y del índice de flujo fundido en las
composiciones de polímero que contienen negros de carbono de los
Ejemplos 26 a 33. Tal como se muestra en la Tabla 4, las
composiciones de polímero P, Q y R que constan de los negros de
carbono de la presente invención de los Ejemplos 27, 28 y 29 tienen
una viscosidad inferior e índices de fusión superiores en
comparación con sus composiciones de control respectivas T, V y U
que incorporan los negros de carbono de los Ejemplos 31, 33 y 32.
Los datos de la Tabla 4 indican que la composición de polímero que
contiene negro de carbono del Ejemplo 26 presenta una viscosidad
superior y aproximadamente un índice equivalente del flujo fundido
respecto a la composición de polímero que contiene negro de carbono
del Ejemplo 30. Se cree que este resultado se debe al nivel de
estructura significativamente superior para el negro de carbono del
Ejemplo 26 cuya producción usaba una velocidad de adición
significativamente diferente del reactivo que afecta a la
estructura en comparación con el negro de carbono del Ejemplo
30.
El coeficiente de absorción de una composición de
polímero que contiene negro de carbono se considera indicativo del
grado hasta el cual una composición de este tipo tolerará la
exposición UV con una degradación mínima de las propiedades
físicas. Los datos representados en la Tabla 4 indican que las
composiciones de polímero C, D, E, F, G, H, I y J de la presente
invención, que contienen negros de carbono de la presente invención
tienen coeficientes de absorción comparables a los coeficientes de
absorción de las composiciones de polímero de control A y B. Los
datos presentados en la Tabla 4 también indican que las
composiciones de polímero L, M y N de la presente invención, que
contienen negros de carbono de la presente invención tienen
coeficientes de absorción comparables al coeficiente de absorción
de la composición de polímero de control K.
Ejemplos
56-77
La efectividad y las ventajas de los negros de
carbono y de las composiciones de polímero de la presente invención
también se ilustran por medio de este conjunto de Ejemplos.
Se prepararon las composiciones de polímero AA,
BB, CC, DD, EE, FF, GG, HH, II, JJ, KK, LL, MM, NN, OO, PP, QQ, RR,
SS, TT, UU y VV para evaluar las propiedades de absorción de la
humedad del compuesto (CMA) de composiciones de polímero que
incorporan los negros de carbono de la presente invención en
comparación con composiciones de polímero que incorporan negros de
carbono de control. Cada uno de los negros de carbono producidos en
los Ejemplos 1-14 y 26-33 se
incorporó dentro de composiciones de polímero. Las composiciones de
polímero CC, DD, EE, FF, GG, HH, II y JJ eran composiciones de la
presente invención que constan de negros de carbono de horno de la
presente invención de los Ejemplos 3-10, con
composiciones de polímero AA y BB como los correspondientes
controles que contienen negros de carbono de horno de los Ejemplos
1 y 2. Las composiciones de polímero LL, MM y NN eran asimismo
composiciones de polímero de la presente invención que constaban de
negros de carbono de horno de la presente invención de los Ejemplos
12, 13 y 14, con la composición de polímero KK siendo el control
correspondiente que contiene negro de carbono de horno del Ejemplo
10. Las composiciones de polímero OO, PP, QQ y RR eran
composiciones de polímero de la presente invención que constaban de
negros de carbono de horno de la presente invención de los Ejemplos
26-29, con composiciones de polímero SS, TT, VV y
UU, respectivamente, siendo los correspondientes controles que
contienen negros de carbono de horno de los Ejemplos
30-33.
Las composiciones de polímero
AA-VV se prepararon del siguiente modo.
Las composiciones de polímero se prepararon en un
plastificador Brabender a 100ºC usando 35,75 gramos de LLDPE,
designado como DFDA7510 para negros de carbono de los Ejemplos 1 a
14 y GRSN7510 para negros de carbono de los Ejemplos 26 a 33 y
19,25 gramos de negro de carbono. El polietileno DFDA7510 y el
polietileno GRSN7510 son fabricados y comercializados por Union
Carbide. Los rotores se pusieron en funcionamiento a 60 rpm después
de alcanzarse la temperatura deseada y las cantidades pesadas de
polímero y de negro de carbono se cargaron por medio de la tolva de
carga durante un periodo de 30 segundos. Se añadió un peso de 10000
kilogramos a al pistón de la tolva, poniendo los ingredientes a
fundirse. Las cargas y la tolva se retiraron después de la fusión.
La velocidad del rotor se ajustó a 60 rpm., el pistón Brabender se
hizo descender y el compuesto se mezcló durante cinco minutos.
Después de finalizar este periodo de tiempo, el compuesto se retiró
y se hizo pasar dos veces a través de un molino de dos rodillos.
Las láminas resultantes se separaron formando cubos en piezas más
pequeñas para llevar a cabo las pruebas de CMA.
Se evaluó el CMA de las composiciones de polímero
usando los procedimientos descritos en la presente memoria
descriptiva. Los resultados se muestran en la Tabla 5.
Tal como se ha indicado anteriormente, la
absorción de la humedad del compuesto (CMA) de una composición de
polímero que contiene negro de carbono es una propiedad
particularmente importante de estas composiciones. Los datos que se
presentan en la Tabla 5 muestran claramente que las composiciones de
polímero CC, DD, EE, FF, GG, HH, II, JJ, LL, MM y NN de la presente
invención, que contienen negros de carbono de la presente
invención, presentan valores de CMA inferiores, cuando se comparan
con las composiciones de polímero de control correspondientes AA,
BB y KK.
La Tabla 5 también muestra valores de CMA para
composiciones de polímero que contienen negros de carbono de los
Ejemplos 26 a 33. Para este grupo de ejemplos cuando se comparan
las composiciones de polímero OO, PP, QQ y RR, que constan de
negros de carbono de la presente invención, con sus respectivos
controles (composiciones de polímero SS, TT, UU y VV) se observará
que las composiciones de polímero de la presente invención
presentan valores de CMA que son inferiores o comparables a los
valores de CMA de sus controles correspondientes.
Ejemplos 78 y
79
La efectividad y las ventajas de los negros de
carbono y de las composiciones de polímero de la presente invención
se ilustran de forma adicional por medio de las composiciones de
polímero que se exponen en los Ejemplos 78 y 79.
Se produjeron composiciones de polímero W y X de
la presente invención incorporado el negro de carbono producido en
el ciclo 7 del ejemplo en cargas masivas de negro de carbono dentro
de la composición de polímero que eran superiores al 35%. El
polímero usado era LLDPE identificado como DFDA 7510 y fabricado y
comercializado por Union Carbide. La Tabla 6 muestra las cargas
reales masivas usadas y las propiedades de las composiciones de
polímero que se determinaron usando los procedimientos descritos en
la presente memoria descriptiva.
Para dos composiciones de polímero cualquiera que
difieren sólo en la carga masiva de negro de carbono, otro
mecanismo para comparar las características de procesabilidad de
las composiciones de polímero consiste en comparar los índices de
flujo fundido de cada composición de polímero o, alternativamente,
las viscosidades de cada composición de polímero cuando se someten
a las mismas velocidades de corte. Generalmente sería más fácil de
procesar la composición de polímero que presente una viscosidad
menor o un índice superior de flujo fundido.
Extendiendo este argumento a dos series
cualquiera de composiciones de polímero, cada una fabricada a partir
de un negro de carbono diferente, y de tal forma que las
composiciones pertenecientes a una serie en particular contengan
negro de carbono con diferentes cargas masivas pero que sean
comparables de otro modo, la serie que permita una carga masiva
superior de negro de carbono para una viscosidad o un índice de
flujo de fundido dado con una velocidad de corte constante, se
considerará que presenta una procesabilidad mejorada.
Los resultados que se presentan en la Figura 4 y
en la Figura 5 muestran que los negros de carbono de la presente
invención presentan una procesabilidad mejorada después de su
incorporación dentro de las composiciones de polímero descritas en
la presente memoria descriptiva por las siguientes razones:
La Figura 4 muestra los índices de flujo fundido
de las composiciones de polímero G, W y X que incorporan el negro
de carbono de la presente invención producido en el Ejemplo 7 con
cargas masivas en aumento. La Figura 4 también muestra los índices
de flujo fundido de las composiciones de polímero de control A y B.
Tal como se ha expuesto anteriormente, un índice de flujo fundido de
una magnitud superior representa una composición de polímero de
procesabilidad más sencilla. Por lo tanto, la Figura 4 muestra
claramente que las composiciones de polímero W y X de la presente
invención incorporan negros de carbono con cargas masivas
superiores a las que se obtienen para la incorporación de cualquiera
de las composiciones correspondientes de control A y B, mientras
que sigue presentando el mismo índice de flujo fundido o
superior.
De forma similar, la Figura 5 muestra las
viscosidades aparentes, con una velocidad de corte de 100 s^{-1},
de las composiciones de polímero W y X de la presente invención que
incorporan el negro de carbono de la presente invención producido
en el ciclo 7 del ejemplo con cargas masivas en aumento. La Figura 5
también muestra las viscosidades aparentes, con una velocidad de
corte de 100 s^{-1}, de las composiciones de polímero de control
A y B. Por lo tanto, la Figura 5 muestra claramente que las
composiciones de polímero G, W y X de la presente invención
incorporan negro de carbono con cargas masivas superiores a las que
se obtienen para la incorporación de cualquiera de las composiciones
de control correspondientes A y B, mientras que siguen presentando
una viscosidad aparente equivalente o inferior.
Será evidente para un experto en la materia que
los negros de carbono de la presente invención pueden usarse con
cargas superiores a las que se usan normalmente. Sin embargo, el
uso de los negros de carbono de la presente invención con estas
cargas superiores no originará capacidades sustancialmente más
pobres de absorción de la humedad del compuesto debido al grado
hasta el que se mejoran las capacidades sustancialmente peores de
absorción de la humedad del compuesto gracias a los negros de
carbono de la presente invención.
Debería entenderse claramente que las formas de
la invención que se describen en la presente memoria descriptiva son
sólo ilustrativas y no pretenden limitar el alcance de la
invención. La presente invención incluye todas las modificaciones
que se encuentran dentro del alcance de las siguientes
reivindicaciones.
Claims (20)
1. Un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 50-112 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 25 nm; y un CDBP inferior o igual a
102 cc/100 g.
2. Un negro de carbono que tiene un número
I_{2} de 50-112 mg/g; un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 20 nm.
3. Un negro de carbono según la reivindicación 1
o la reivindicación 2 que tiene: un número I_{2} de
65-95 mg/g; un tamaño de las partículas principales
inferior o igual a 20 nm.
4. El negro de carbono de la reivindicación 3 en
el que el número I_{2} es de 73-94 mg/g.
5. El negro de carbono de la reivindicación 4 en
el que el número I_{2} es de 85-93 mg/g.
6. Un negro de carbono según la reivindicación 1
o la reivindicación 2 con un número I_{2} de
100-112 mg/g y un tamaño de las partículas
principales inferior o igual a 20 nm.
7. Un negro de carbono según la reivindicación 1
que tiene un número I_{2} de 65-112 mg/g; un
tamaño de las partículas principales inferior o igual a 20 nm; y un
CDBP inferior o igual a 102 cc/100 g.
8. El negro de carbono de la reivindicación 7 en
el que el CDBP es 70-100 cc/100 g.
9. El negro de carbono de la reivindicación 8 en
el que el CDBP es 80-95 cc/100 g.
10. El negro de carbono de una cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 9 en el que el número I_{2} es de
73-104 mg/g.
11. El negro de carbono de la reivindicación 10
en el que el número I_{2} es de 75-99 mg/g.
12. El negro de carbono de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el tamaño de las partículas
principales es inferior o igual a 19 nm.
13. Un negro de carbono según la reivindicación
1, que tiene un número I_{2} de 50-70 mg/g y
tamaño de las partículas principales inferior o igual a 25 nm.
14. El negro de carbono de la reivindicación 13,
en el que el tamaño de las partículas principales es superior a 20
nm a 25 nm.
15. El negro de carbono de cualquiera de las
reivindicaciones 13 y 14 en el que número I_{2} es de
55-65 mg/g.
16. Una composición de polímero que comprende un
polímero y un negro de carbono según se define en cualquiera de las
reivindicaciones precedentes.
17. La composición de polímero de la
reivindicación 16 en la que la composición de polímero comprende
0,5 a 300 partes en peso de negro de carbono por 100 partes en peso
de polímero.
18. La composición de polímero de la
reivindicación 17 en la que la composición de polímero comprende
0,5 a 100 partes en peso de negro de carbono por 100 partes en peso
de polímero.
19. La composición de polímero de la
reivindicación 18 en la que la composición de polímero comprende
0,5 a 80 partes en peso de negro de carbono por 100 partes en peso
de polímero.
20. La composición de polímero de una cualquiera
de las reivindicaciones 16 a 19 en la que el polímero es un
polietileno.
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