ES3036853A2

ES3036853A2 - Negros de humo con aditivos de estroncio y/o bario y métodos para fabricar los mismos

Info

Publication number: ES3036853A2
Application number: ES202590043A
Authority: ES
Inventors: Bruce E Mackay; William C Holler; James Winter
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 2023-01-25
Filing date: 2024-01-22
Publication date: 2025-09-24
Also published as: CN120603904A; NL2036875A; JP2026503603A; WO2024158657A1; KR20250136394A; DE112024000620T5; GB2641967A; FR3145165A1

Abstract

La presente invención, en parte, se refiere a un método para fabricar negros de humo usando al menos un aditivo de materia prima que es o incluye estroncio, bario o una combinación de los mismos. Además del estroncio y/o el bario, pueden usarse adicionalmente otros aditivos. La presente invención se refiere además a un negro de humo producido por uno o más métodos de la presente invención. La presente invención también se refiere a un negro de humo que tiene una superficie BET de nitrógeno (N2SA) de 800 m2/g a 2.500 m2/g y una concentración (ppm) de elementos del Grupo IIA en el negro de humo que es menor o igual a 4,3*N2SA-2150, en donde el aditivo es o incluye estroncio, bario o una combinación de los mismos. También se divulgan formulaciones, artículos y dispositivos que contienen el negro de humo.

Description

DESCRIPCIÓN

Negros de humo con aditivos de estroncio y/o bario y métodos para fabricar los mismos

Breve descripción de la invención

La presente invención se refiere a los negros de humo y a los métodos para fabricar los mismos. Más específicamente, la presente invención se refiere a negros de humo que tienen o incluyen aditivos de estroncio y/o bario. Además, la presente invención se refiere a negros de humo, tales como negros de humo grabados, que contienen estroncio y/o bario junto con, opcionalmente, uno o más aditivos.

La presente innovación se basa en parte en la necesidad actualmente reconocida de desarrollar una clase de negros de humo que puedan fabricarse usando una combustión global (OAC, por sus siglas en inglés) más baja. La combustión global se define como el porcentaje de oxígeno añadido a todo el reactor en comparación con la cantidad total de oxígeno necesaria para reaccionar estequiométricamente con todas las corrientes de combustible añadidas a todo el reactor. Al reducir la OAC y, sin embargo, producir el mismo o esencialmente el mismo negro de humo (basado en parámetros tales como el área superficial de nitrógeno y/o COAN, por sus siglas en inglés), puede lograrse una operación más segura del proceso de fabricación de negro de humo y/o puede lograrse una operación de fabricación de negro de humo más respetuosa con el medio ambiente y/o puede lograrse una operación de fabricación de negro de humo más respetuosa con el reactor.

La presente invención se basa además en parte en un sustituto mejorado del calcio como aditivo de las materias primas para fines tales como el grabado del negro de humo durante su formación. US8895142 divulga el uso del calcio como aditivo, especialmente cuando se desea grabar en la fabricación de negro de humo. Uno de los problemas del calcio es que se necesitan cantidades altas de ppm, alta OAC o de ambos para conseguir el efecto deseado.

Así, la presente invención proporciona una manera de obtener y/o aborda los problemas anteriormente definidos y logra los objetivos y ventajas descritos en la presente.

Más específicamente, un atributo de la presente invención es proporcionar un negro de humo que tenga una superficie particular usando una OAC alta pero usando menos aditivo de materia prima.

Otro atributo de la presente invención es proporcionar un negro de humo con una mayor superficie que se produce a una OAC dada y con menos aditivo de materia prima.

Otro atributo más de la presente invención es proporcionar un negro de humo que tenga una superficie particular pero que se produzca usando una OAC menor para una cantidad dada de adición de materia prima, con menos aditivo de materia prima para una OAC dada, o tanto con una OAC menor como con menos aditivo de materia prima.

Otro atributo de la presente invención es proporcionar un aditivo para materias primas que pueda sustituir, al menos parcial o totalmente, al calcio como aditivo para materias primas.

Un atributo adicional de la presente invención es proporcionar un aditivo de materia prima que no solamente pueda sustituir al calcio, sino que proporcione una o más propiedades beneficiosas, que incluye, pero no se limita a, usar menos para lograr el mismo efecto en el negro de humo, y/o requerir una OAC menor para lograr los mismos o similares efectos en el negro de humo producido, y/o producir menores contenidos de cenizas.

Otro atributo de la presente invención es proporcionar métodos para producir negros de humo usando cierto(s) aditivo(s) de materia prima y ciertas OAC y configuraciones de reactor basadas en el área superficial y OAC deseadas para lograr negros de humo útiles en uno o más usos finales, tales como las áreas de refuerzo y/o en formulaciones conductoras de polímeros.

Otros atributos y ventajas de la presente invención se expondrán en parte en la descripción a continuación, y en parte se desprenderán de la descripción, o podrán conocerse por la práctica de la presente invención. Los objetivos y demás ventajas de la presente invención se realizarán y alcanzarán por medio de los elementos y combinaciones particularmente señalados en la descripción y reivindicaciones anexas.

Para lograr estas y otras ventajas, y de acuerdo con los propósitos de la presente invención, como se establece y describe ampliamente en la presente, la presente invención se refiere a un método para producir negro de humo. El método incluye la introducción de una corriente de gas calentado en un reactor de negro de humo. El método incluye además la combinación de al menos un aditivo de materia prima con al menos una materia prima de negro de humo para formar una mezcla de materia prima. En este método, los aditivos de la materia prima son o incluyen estroncio o bario o una combinación de los mismos. Además, pueden usarse uno o más aditivos opcionales para la materia prima. El método también incluye suministrar la mezcla de materia prima a al menos un punto de introducción de materia prima del reactor de negro de humo y combinar al menos la mezcla de materia prima a través del al menos un punto de introducción al reactor de negro de humo con la corriente de gas calentado para formar una corriente de reacción en la que se forma el negro de humo. El negro de humo formado tiene una superficie BET (por sus siglas en inglés) de nitrógeno de 800 m2/g a 2.500 m2/g. El método consiste posteriormente en recuperar el negro de humo en la corriente de reacción. En el método, el método incluye operar el reactor de negro de humo a una combustión global (OAC) de 28 % a 50 %. Además, en el método, el reactor de negro de humo está configurado de modo tal que la OAC es < [(1350 N2SA-244*ln(ppm de aditivo 1))/0,003]A(1/3,5). La N2SA (por sus siglas en inglés) es la superficie BET del nitrógeno medida como se describe a continuación. El “ppm de aditivo” es la cantidad total en ppm (ppm en peso) de elementos metálicos añadidos a la materia prima, excluyendo las impurezas residuales en el aditivo de la materia prima.

La presente invención se refiere además a un método para producir negro de humo que incluye introducir una corriente de gas calentado en un reactor de negro de humo y suministrar al menos una materia prima de negro de humo a al menos un punto de introducción de materia prima en el reactor de negro de humo. El método incluye además el suministro de al menos un aditivo de materia prima a al menos un punto de introducción al reactor de negro de humo. También en este caso, los aditivos de la materia prima son o incluyen estroncio o bario o una combinación de los mismos. Además, pueden usarse uno o más aditivos opcionales para la materia prima. El método también incluye la combinación de al menos una materia prima de negro de humo y al menos un aditivo de materia prima, con la corriente de gas calentado para formar una corriente de reacción en la que se forma negro de humo con una superficie BET de nitrógeno de 800 m2/g a 2.500 m2/g, en el reactor de negro de humo. El método incluye posteriormente la recuperación del negro de humo en la corriente de reacción. En este método, al igual que en el otro, el método consiste en operar el reactor de negro de humo a una combustión global (OAC) de 28 % a 50 %. Además, el reactor de negro de humo está configurado de modo tal que la OAC es < [(1350 N2SA-244*ln(ppm de aditivo 1))/0,003]A(1/3,5). La N2SA es la superficie BET del nitrógeno medida como se describe a continuación. El “ppm de aditivo” es la cantidad total en ppm (ppm en peso) de elementos metálicos añadidos a la materia prima, excluyendo las impurezas residuales en el aditivo de la materia prima.

Además, la presente invención se refiere a un negro de humo que tiene una superficie BET de nitrógeno (N2SA) de 800 m2/g a 2.500 m2/g y una concentración del Grupo IIA (ppm) que es < 4,3*N2SA-2150. La concentración del Grupo IIA incluye al menos estroncio, o bario, o una combinación de los mismos. El negro de carbón tiene además opcionalmente una cenizas (%) que es < 0,0012*N2SA-0,24. La N2SA es la superficie BET del nitrógeno medida como se describe a continuación. La concentración del Grupo IIA se expresa en ppm y es la cantidad total en ppm (peso en ppm) de todos los elementos del Grupo IIA presentes en el negro de humo, e incluye al menos el bario y/o el estroncio. El porcentaje de cenizas se mide de acuerdo con ASTM D1506.

A menos que se indique lo contrario, las cantidades de ppm descritas en la presente son ppm en peso.

Debe entenderse que tanto la descripción general anterior como la descripción detallada a continuación son solamente ejemplares y explicativas y están contempladas para proporcionar una explicación adicional de la presente invención, como se reivindica.

Los dibujos adjuntos, que se incorporan y forman parte de esta solicitud, ilustran algunas de las realizaciones de la presente invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la presente invención.

Breve descripción de los dibujos

La FIGURA 1A y 1B son gráficas que muestran el área de superficie BET del nitrógeno en relación con la OAC para ejemplos de los presentes negros de humo (usando Sr (símbolos abiertos), Ba (símbolos cerrados), o mezclas Sr-Ca (triángulos punteados) como aditivos de materia prima) y negros de humo de comparación (usando solamente Ca como aditivo de materia prima, círculos punteados y rombos) a diversas concentraciones en la materia prima (cuadrados- 250 ppm, triángulos- 700 ppm, círculos- 1000 ppm, rombos- 1500 ppm). Las FIGURAS 1A y 1B muestran además una serie de líneas de ecuación (símbolos rayados: cuadrados- 250 ppm, triángulos- 700 ppm, círculos- 1000 ppm, rombos- 1500 ppm) que delimitan las actuales condiciones de operación del horno y la superficie de nitrógeno resultante de las de los negros de humo de comparación.

La FIGURA 2 es una vista esquemática de una parte de un tipo de reactor de negro de humo, que puede usarse para producir los presentes negros de humo.

La FIGURA 3 es una gráfica que muestra la concentración de elementos del Grupo IIA en relación con la superficie BET de nitrógeno para ejemplos de los presentes negros de humo (producidos con un aditivo Sr o Ba como materia prima, símbolos sólidos) y negros de humo de comparación (producidos solamente con un aditivo Ca como materia prima, símbolos huecos). La FIGURA 3 muestra además una línea de ecuación que delimita las propiedades del negro de humo actual de los negros de humo de comparación.

La FIGURA 4 es una gráfica que muestra la ceniza (% en peso) en relación con la superficie BET de nitrógeno para ejemplos de los presentes negros de humo (producidos con un aditivo de materia prima Sr o Ba, símbolos sólidos) y negros de humo de comparación (producidos solamente con un aditivo de materia prima Ca, símbolos huecos). La FIGURA 4 muestra además una línea de ecuación que delimita las propiedades del negro de humo actual de los negros de humo de comparación.

Descripción detallada de la invención

Se proporcionan métodos novedosos y únicos para producir negros de humo usando uno o más aditivos de ciertas materias primas. Se proporcionan además negros de humo fabricados con uno o más de estos métodos. Los negros de humo producidos incluyen una o varias propiedades o relaciones únicas.

El área superficial BET de nitrógeno se mide de acuerdo con la norma ASTM D6556 con muestras desgasificadas a 300 °C por una hora bajo flujo de nitrógeno y mediciones realizadas en el rango de presión parcial de nitrógeno 0,05-0,1 P/P<o>.

En cuanto a los métodos de la presente invención, los métodos involucran usar un aditivo de materia prima que sea o incluya estroncio, o que sea o incluya bario, o que sea o incluya una combinación de estroncio y bario (que puede introducirse como una mezcla premezclada o puede introducirse por separado). Adicionalmente, pero de forma opcional, pueden usarse otros aditivos para la materia prima, tales como el calcio.

En más detalle, en un método de la presente invención, el método para producir el negro de humo comprende, consiste en, o incluye introducir una corriente de gas calentado en un reactor de negro de humo.

El método comprende, consiste o incluye la combinación de al menos un aditivo de materia prima con al menos una materia prima de negro de humo para formar una mezcla de materia prima. El al menos un aditivo de la materia prima es o incluye o comprende estroncio o bario o una combinación de los mismos.

El método comprende, consiste o incluye el suministro de la mezcla de materias primas a al menos un punto de introducción de materias primas del reactor de negro de humo.

El método comprende, consiste en, o incluye combinar al menos la mezcla de materia prima a través del al menos un punto de introducción al reactor de negro de humo con la corriente de gas calentado para formar una corriente de reacción en la que se forma el negro de humo que tiene una superficie de nitrógeno de 800 m2/g a 2.500 m2/g, en el reactor de negro de humo.

El método comprende, consiste o incluye la recuperación del negro de humo en la corriente de reacción.

El método comprende, consiste en, o incluye operar el reactor de negro de humo a una combustión global (OAC) de 28 % a 50 %, por ejemplo, de 33,5 % a 46,5 %, y el reactor de negro de humo está configurado de modo tal que OAC es < [(1350 N2SA-244*ln(ppm de aditivo 1))/0.003]A(1/3,5), en donde el aditivo comprende estroncio, bario o ambos, por ejemplo, de 50 a 1500 ppm de estroncio, bario o ambos como fracción con respecto a la cantidad total de materia prima. La N2SA es la superficie BET de nitrógeno medida como se ha descrito anteriormente. El “ppm de aditivo” es la cantidad total en ppm (ppm en peso) de elementos metálicos añadidos a la materia prima, excluyendo las impurezas residuales en el aditivo de la materia prima.

En otro método, el método para producir el negro de humo comprende, consiste o incluye la introducción de una corriente de gas calentado en un reactor de negro de humo.

El método comprende, consiste en, o incluye el suministro de al menos una materia prima de negro de humo a al menos un punto de introducción de materia prima al reactor de negro de humo.

El método comprende, consiste en o incluye el suministro (por ejemplo, por separado de la materia prima de negro de humo) de al menos un aditivo de materia prima a al menos un punto de introducción en el reactor de negro de humo. Como antes, el al menos un aditivo de la materia prima es o incluye o comprende estroncio o bario o una combinación de los mismos.

El al menos un punto de introducción de la materia prima y el al menos un punto de introducción pueden ser iguales o diferentes, pueden estar situados en el mismo, casi el mismo, o en diferentes lugares, o pueden solaparse en uno o más puntos si se desea.

El método comprende, consiste en, o incluye la combinación de la al menos una materia prima de negro de humo y el al menos un aditivo de materia prima, con la corriente de gas calentado para formar una corriente de reacción en la que se forma negro de humo con una superficie de nitrógeno de 800 m2/g a 2.500 m2/g, en el reactor de negro de humo. La superficie de nitrógeno se mide como se ha descrito anteriormente.

El método comprende, consiste en, o incluye operar el reactor de negro de humo a una combustión global (OAC) de 28 % a 50 %, y el reactor de negro de humo está configurado de modo tal que OAC es < [(1350 N2SA-244*ln(ppm de aditivo 1))/0,003]A(1/3,5), en donde el aditivo incluye estroncio, bario, o ambos. La OAC es como se ha definido anteriormente. La N2SA es la superficie BET de nitrógeno del negro de humo resultante formado en el reactor de negro de humo. Las “ppm de aditivo” es la cantidad total en ppm (ppm en peso) de elementos metálicos añadidos a la materia prima excluyendo las impurezas residuales en el aditivo de la materia prima con respecto a la cantidad total de materia prima.

A menos que se indique lo contrario, cualquier detalle u opción descrito en la presente puede usarse en cualquiera de los métodos de la presente invención.

En cuanto a la superficie de nitrógeno (es decir, superficie BET de nitrógeno o N2SA) que puede conseguirse con los métodos de la presente invención, la N2SA puede ser de 800 m2/g a 2.500 m2/g, tal como de 900 m2/g a 2.400 m2/g, o de 850 m2/g a 2.400 m2/g, o de 825 m2/g a 2.500 m2/g, o de 850 m2/g a 2.500 m2/g, o de 875 m2/g a 2.500 m2/g, o de 900 m2/g a 2.500 m2/g, o de 925 m2/g a 2.500 m2/g, o de 950 m2/g a 2.500 m2/g, o de 1.000 m2/g a 2.500 m2/g, o de 1.100 m2/g a 2.500 m2/g, o de 1.200 m2/g a 2.500 m2/g, o de 1.250 m2/g a 2.500 m2/g, o de 1.300 m2/g a 2.500 m2/g, o de 800 m2/g a 2.450 m2/g, o de 800 m2/g a 2.400 m2/g, o de 800 m2/g a 2.350 m2/g, o de 800 m2/g a 2.300 m2/g, o de 800 m2/g a 2.250 m2/g, o de 800 m2/g a 2.200 m2/g, o de 800 m2/g a 2.150 m2/g, o de 800 m2/g a 2.100 m2/g, o de 800 m2/g a 2.050 m2/g, o de 800 m2/g a 2.000 m2/g, o de 800 m2/g a 1.950 m2/g, o de 800 m2/g a 1.900 m2/g, o de 800 m2/g a 1.800 m2/g, o de 800 m2/g a 1.700 m2/g, o cualquier N2SA que esté por debajo o por encima de cualquiera de estos rangos o cualquier combinación de un punto final de un rango con otro punto final de un segundo rango.

En los métodos de la presente invención, el reactor de negro de humo está configurado para o se opera a una combustión global (OAC) de 28 % a 50 %. La OAC puede ser de 28,5 % a 50 %, o de 29 % a 50 %, o de 29,5 % a 50 %, o de 30 % a 50 %, o de 30,5 % a 50 %, o de 31 % a 50 %, o de 31,5 % a 50 %, o de 32 % a 50 %, o de 32,5 % a 50 %, o de 33 % a 50 %, o de 33,5 % a 50 %, o de 34 % a 50 %, o de 34,5 % a 50 %, o de 35 % a 50 %, o de 35,5 % a 50 %, o de 36 % a 50 %, o de 36,5 a 50 %, o de 37 % a 50 %, o de 37,5 % a 50 %, o de 38 % a 50 %, o de 38,5 % a 50 %, o de 39 % a 50 %, o de 39,5 % a 50 %, o de 40 % a 50 %, o de 41 % a 50 %, o de 42 % a 50 %, o de 45 % a 50 %, o de 28 % a 49,5 %, o de 28 % a 49 %, o de 28 % a 48,5 %, o de 28 % a 48 %, o de 28 % a 47,5 %, o de 28 % a 47 %, o de 28 % a 46,5 %, o de 33,5 % a 47 %, o de 33,5 % a 46,5 %, o de 33,5 % a 46 %, o de 33 % a 47 %, o de 28 % a 46 %, o de 28 % a 45,5 %, o de 28 % a 45 %, o de 28 % a 44 %, o de 28 % a 43 %, o de 28 % a 43 %, o de 28 % a 42 %, o de 28 % a 41 %, o de 28 % a 40 %, o de 28 % a 38 %, o de 28 % a 36 %, o de 28 % a 34 %, o de 28 % a 32 %, u otros OAC por encima o por debajo de cualquiera de estos rangos o cualquier combinación de un punto final de un rango con otro punto final de un segundo rango.

Como se ha indicado, el reactor de negro de humo está configurado de modo tal que OAC es < [(1350 N2SA-244*ln(ppm de aditivo 1))/0,003]A(1/3,5) [Ecuación 1]. El reactor de negro de humo puede configurarse de modo tal que OAC es < [(1350 N2SA-244*ln(ppm de aditivo 1))/0,003]A(1/3,5).

En referencia a la Ecuación 1, la OAC puede ser al menos 1 % menor que el número resultante de la Ecuación 1 o puede ser al menos 2 % menos, 3 % menos, 5 % menos, 7 % menos, 10 % menos, 15 % menos, 20 % menos o 25 % menos, tal como de 1 % a 25 % menor que el número resultante de la Ecuación 1. Y, estas cantidades de OAC pueden estar en combinación con la N2SA de 800 m2/g a 2.500 m2/g, o de 900 m2/g a 2.400 m2/g, o de 1000 m2/g a 2.300 m2/g, o de 1.100 m2/g a 2.300 m2/g o cualquiera de los otros números o rangos de N2SA proporcionados en la presente.

Como ejemplos adicionales, en los métodos, la OAC puede ser de 33 % a 47 % y la N2SA puede ser de 900 m2/g a 2.400 m2/g.

Como otro ejemplo, la OAC puede ser de 33,5 % a 46,5 % y la N2SA puede ser de 850 m2/g a 2.400 m2/g.

Como otro ejemplo, la OAC puede ser de 33,5 % a 46,5 % y la N2SA puede ser de 1000 m2/g a 2.400 m2/g.

La OAC puede controlarse de varias maneras. Por ejemplo, la OAC puede controlarse, al menos en parte, controlando la cantidad de materia prima introducida en el reactor de negro de humo. Otras formas de controlar la OAC incluyen, pero no se limitan a, controlar la cantidad y composición del gas calentado introducido en el reactor de negro de humo y/o cambiar la composición de la materia prima (tal como la relación de masa de hidrógeno a carbono).

En los métodos de la presente invención, el método puede incluir la inyección de oxígeno cadena abajo del punto de introducción de la materia prima y cadena arriba de un enfriamiento. La relación molar de oxígeno cadena abajo a la cantidad de corriente oxidante que se añade a una zona de combustión de un reactor de negro de humo puede ser de 0 a aproximadamente 1:4, o de aproximadamente 0,1:4 a aproximadamente 1:4, o de aproximadamente 0,2:4 a 0,9:4, o de aproximadamente 0,3:4 a aproximadamente 0,8:4 y similares. En referencia a la FIGURA 2, por ejemplo, la relación molar entre el oxígeno de la cadena abajo y la cantidad de corriente de oxidante 14 que se añade a la zona de combustión 1 puede ser la descrita anteriormente.

En cuanto al al menos un punto de introducción de materia prima, puede tratarse de uno o dos o más puntos de introducción de materia prima. Cuando hay dos o más, al menos un punto de introducción de materia prima puede estar cadena abajo de al menos otro punto de introducción de materia prima.

En general, el reactor de negro de humo incluye o comprende una zona de combustión, una zona de transición y una zona de reacción. Por ejemplo, el reactor de negro de humo puede incluir o comprender una zona de combustión, una zona de transición, una sección de entrada cónica, una sección de entrada escalonada, una zona de reacción y una zona de enfriamiento. Los ejemplos de reactores adecuados incluyen, pero no se limitan a, los descritos en US3922335, US4383973, US5190739, US5877250, US5904762, US6153684, US6156837, US6403695, US6485693, US7829057, US8871173, US10829642, US6926877, US6156837, US5190739 y US5877251, cuyo contenido íntegro se incorpora en la presente por referencia. Cualquiera de estos reactores puede usarse para implementar e incluir los parámetros de operación y los componentes descritos en la presente para fabricar los negros de humo de la presente invención.

En los métodos para formar el negro de humo, se usa al menos un aditivo de materia prima como se indica, que es o incluye estroncio o bario o una combinación de los mismos.

En general, el aditivo de la materia prima puede ser una sustancia sólida, una solución, una dispersión, un gas o cualquier combinación de los mismos. A efectos de la presente invención, las sustancias pueden ser el propio metal (o ion metálico), un compuesto que contenga uno o varios de estos elementos, incluida una sal que contenga uno o varios de estos elementos, y similares. Las sales metálicas ejemplares de Sr y/o Ba incluyen sales orgánicas e inorgánicas, por ejemplo, sales, con cualquiera de cloruro, acetato o formiato, o combinaciones de dos o más de tales sales. La forma del aditivo de la materia prima es capaz, por ejemplo, de introducir un metal o ion metálico Sr y/o Ba en la reacción en curso para formar el producto negro de humo.

El aditivo de la materia prima puede presentarse preferiblemente en forma de líquido acuoso que contenga al menos una sal de estroncio y/o una sal de bario disueltas en el mismo. No obstante, la cantidad de aditivo añadida a la materia prima se describe en la presente como una cantidad de metal elemental con respecto a la cantidad de materia prima a la que se añade el aditivo y excluye las impurezas residuales, incluidos los metales elementales, que típicamente están presentes en una formulación de aditivo para la materia prima. Así, la cantidad de aditivo no tiene en cuenta el líquido acuoso, el contraión de la sal metálica ni ninguna impureza metálica en el aditivo de la materia prima.

La cantidad de aditivo de materia prima suministrada al uno o más puntos de introducción de materia prima o puntos de introducción (por ejemplo, punto de introducción de aditivo de materia prima) puede ser una cantidad de 50 ppm a 1500 ppm o más (basada en metal elemental, en forma iónica o neutra, excluidas las impurezas residuales) y esta cantidad se basa en niveles de ppm (ppm en peso) de metal elemental, excluidas las impurezas residuales, añadido a la materia prima antes de que se produzca cualquier reacción o pirólisis en el reactor de negro de humo. La cantidad puede ser de 60 ppm a 1500 ppm, de 75 ppm a 1500 ppm, de 100 ppm a 1500 ppm, de 125 ppm a 1500 ppm, de 150 ppm a 1500 ppm, de 175 ppm a 1500 ppm, de 200 ppm a 1500 ppm, de 250 ppm a 1450 ppm, de 250 ppm a 1400 ppm, de 250 ppm a 1350 ppm, de 250 ppm a 1300 ppm, de 250 ppm a 1200 ppm, de 250 ppm a 1100 ppm, de 250 ppm a 1000 ppm, de 250 ppm a 900 ppm, de 250 ppm a 800 ppm, de 250 ppm a 700 ppm, de 250 ppm a 600 ppm, de 250 ppm a 500 ppm, de 250 ppm a 400 ppm, de 300 ppm a 1500 ppm, de 350 ppm a 1500 ppm, de 400 ppm a 1500 ppm, de 450 ppm a 1500 ppm, de 500 ppm a 1500 ppm, de 550 ppm a 1500 ppm, de 600 ppm a 1500 ppm, de 650 ppm a 1500 ppm, de 700 ppm a 1500 ppm, de 750 ppm a 1500 ppm, de 800 ppm a 1500 ppm, y cualquier cantidad por encima o por debajo de cualquiera de los rangos o cualquier combinación de un punto final de un rango con otro punto final de un segundo rango. Estas cantidades pueden aplicarse al aditivo general de la materia prima o pueden aplicarse al estroncio, al bario o a ambos en la materia prima.

En cuanto a las cantidades de aditivos para la materia prima, como se describen particularmente más arriba, las cantidades por encima de 1500 ppm, que pueden usarse, no tienden a proporcionar ningún beneficio adicional en comparación con las cantidades de 1500 ppm o menores. Además, cantidades por encima de 1500 ppm pueden proporcionar generalmente contenidos de cenizas indeseablemente más altos al negro de humo resultante formado. Así, con los métodos de la presente invención, se descubrió que la cantidad de aditivos de materia prima usados son preferiblemente de 50 ppm a 1500 ppm y más preferiblemente de 250 ppm a 1500 ppm.

Opcional y preferiblemente, el estroncio y/o el bario están presentes en el al menos un aditivo de la materia prima en el mayor porcentaje en peso en comparación con cualquier elemento metálico que pueda estar opcionalmente presente en el aditivo de la materia prima (basado en el peso total de los aditivos de la materia prima).

Opcionalmente, el aditivo de la materia prima puede ser estroncio y al menos otro elemento metálico (distinto del bario, por ejemplo, calcio) para formar una cantidad total de elementos metálicos. En tal realización, el estroncio puede estar presente, por ejemplo, de 30 % en peso a 99 % en peso de la cantidad total de los elementos metálicos presentes (o basado en el peso total de los aditivos de la materia prima), excluyendo las impurezas residuales (por ejemplo, de 33 % en peso a 99 % en peso, de 35 % en peso a 99 % en peso, de 40 % en peso a 99 % en peso, de 45 % en peso a 99 % en peso, de 50 % en peso a 99 % en peso, de 55 % en peso a 99 % en peso, de 60 % en peso a 99 % en peso, de 70 % en peso a 99 % en peso, de 80 % en peso a 99 % en peso, de 85 % en peso a 99 % en peso, de 90 % en peso a 99 % en peso, de 95 % en peso a 99 % en peso).

Opcionalmente, el aditivo de la materia prima puede ser bario y al menos otro elemento metálico (distinto del estroncio, por ejemplo, calcio) para formar una cantidad total de elementos metálicos. En tal realización, el bario puede estar presente, por ejemplo, de 30 % en peso a 99 % en peso de la cantidad total de los elementos metálicos presentes (o basado en el peso total de los aditivos de la materia prima), excluyendo las impurezas residuales (por ejemplo, de 33 % en peso a 99 % en peso, de 35 % en peso a 99 % en peso, de 40 % en peso a 99 % en peso, de 45 % en peso a 99 % en peso, de 50 % en peso a 99 % en peso, de 55 % en peso a 99 % en peso, de 60 % en peso a 99 % en peso, de 70 % en peso a 99 % en peso, de 80 % en peso a 99 % en peso, de 85 % en peso a 99 % en peso, de 90 % en peso a 99 % en peso, de 95 % en peso a 99 % en peso).

La cantidad de aditivo de materia prima usada en los métodos de la presente invención puede caracterizarse alternativamente como el uso de una cantidad suficiente tal que el negro de humo resultante formado tenga de aproximadamente 100 ppm a aproximadamente 7.000 ppm o más de estroncio elemental o bario o ambos. El estroncio y/o el bario (y opcionalmente otros aditivos) pueden dispersarse uniformemente por todo el negro de humo. Esta cantidad puede ser de 100 ppm a 7.000 ppm, de 100 ppm a 6.500 ppm, de 100 ppm a 6.000 ppm, de 100 ppm a 5.500 ppm, de 100 ppm a 5.000 ppm, de 100 ppm a 4.500 ppm, de 100 ppm a 4.000 ppm, de 100 ppm a 3.500 ppm, de 100 ppm a 3.000 ppm, de 100 ppm a 2.500 ppm, de 100 ppm a 2.000 ppm, de 100 ppm a 1.500 ppm, de 100 ppm a 1.000 ppm, de 100 ppm a 500 ppm, de 150 ppm a 7.000 ppm, de 200 ppm a 7.000 ppm, de 250 ppm a 7.000 ppm, de 300 ppm a 7.000 ppm, de 350 ppm a 7.000 ppm, de 400 ppm a 7.000 ppm, de 450 ppm a 7,000 ppm, de 500 ppm a 7.000 ppm, de 550 ppm a 7.000 ppm, de 600 ppm a 7.000 ppm, de 650 ppm a 7.000 ppm, de 700 ppm a 7.000 ppm, de 750 ppm a 7.000 ppm, de 800 ppm a 7,000 ppm, de 850 ppm a 7.000 ppm, de 900 ppm a 7.000 ppm, de 950 ppm a 7.000 ppm, de 1.000 ppm a 7.000 ppm, de 1.000 ppm a 6.500 ppm, de 1.000 ppm a 6.000 ppm, de 1.000 ppm a 5.500 ppm, de 1.000 ppm a 5.000 ppm, de 1.000 ppm a 4.500 ppm, de 1.000 ppm a 4.000 ppm, de 1.000 ppm a 3.500 ppm, de 1.000 ppm a 3.000 ppm, de 1.000 ppm a 2.500 ppm, de 1.000 ppm a 2.000 ppm, de 1.000 ppm a 1.500 ppm, de 1.500 ppm a 7.000 ppm, de 2.000 ppm a 7.000 ppm, de 2.500 ppm a 7.000 ppm, de 3.000 ppm a 7.000 ppm, de 3.500 ppm a 7,000 ppm, de 4.000 ppm a 7.000 ppm, de 4.500 ppm a 7.000 ppm, de 5.000 ppm a 7.000 ppm, de 5.500 ppm a 7.000 ppm, de 6.000 ppm a 7.000 ppm, de 6.500 ppm a 7.000 ppm.

En cuanto a la cantidad de aditivo de materia prima usado en los métodos de la presente invención para formar un negro de humo resultante que tenga de aproximadamente 100 ppm a aproximadamente 7.000 ppm de estroncio y/o bario presente como se describe particularmente inmediatamente arriba, pueden lograrse cantidades de aditivo mayores a 7.000 ppm en el negro de humo formado, pero tienden a no proporcionar ningún beneficio adicional en comparación con cantidades de 7.000 ppm o menores en el negro de humo. Además, las cantidades por encima de 7000 ppm en el negro de humo pueden ir acompañadas generalmente de contenidos de cenizas indeseablemente más elevados en el negro de humo.

Otros elementos metálicos en el aditivo de la materia prima pueden ser o incluir calcio.

Otros elementos metálicos en el aditivo de la materia prima pueden ser o incluir un elemento del Grupo IA y/o calcio, que pueden introducirse, en cualquier momento. Cualquier aditivo opcional de la materia prima, tal como el calcio, puede introducirse en el mismo o diferente momento y/o en el mismo o diferente lugar y/o combinarse con el aditivo Sr y/o Ba antes de su introducción en el reactor.

La cantidad del elemento del Grupo IA y/o calcio puede ser una cantidad menor a 500 ppm basado en la cantidad total de materia prima. Esta cantidad se basa en los niveles de ppm de los elementos metálicos añadidos a la materia prima, excluyendo las impurezas residuales, y sin tener en cuenta los contraiones o disolventes que forman parte del aditivo de la materia prima, antes de que se produzca cualquier reacción o pirólisis en el reactor de negro de humo. Esta cantidad puede ser menor a 450 ppm, menor a 400 ppm, menor a 350 ppm, menor a 300 ppm, menor a 250 ppm, menor a 200 ppm, menor a 150 ppm, menor a 100 ppm, menor a 50 ppm, menor a 25 ppm, menos de 15 ppm, menos de 10 ppm, menos de 1 ppm, de 1 ppm a 499 ppm, de 10 ppm a 450 ppm, de 25 ppm a 425 ppm, de 50 ppm a 475 ppm, de 75 ppm a 450 ppm, de 100 ppm a 400 ppm. Estas cantidades pueden aplicarse a una cantidad total combinada de un elemento del Grupo IA (si se usa) y calcio (si se usa) o estas cantidades pueden aplicarse individualmente al calcio y aplicarse individualmente a uno o más elementos del Grupo IA.

Por ejemplo, un elemento del Grupo IA puede introducirse, en cualquier punto, en una cantidad menor a 10 ppm basado en la cantidad total de materia prima y el calcio también puede introducirse, en cualquier punto, en una cantidad menor a 10 ppm basado en la cantidad total de materia prima.

Como otro ejemplo, no se introduce ningún elemento del Grupo IA, en ningún punto, y se introducen menos de 500 ppm de calcio, en ningún punto.

Como se ha indicado, usar un elemento del Grupo IA y/o calcio es opcional, y así una opción, no se introduce ni está presente ningún elemento del Grupo IA. Como opción, no se introduce ni se presenta calcio. Como opción, está presente menos de 50 ppm de calcio.

Opcionalmente, no se introduce ningún aditivo de potasio y no hay potasio presente en el negro de humo formado.

Opcionalmente, se introducen 100 ppm o menos de aditivo de potasio en los métodos de la presente invención. Y, el negro de humo formado puede contener 100 ppm o menos de potasio elemental en el negro de humo formado. La cantidad de aditivo de potasio presente o introducido en los métodos de la presente invención puede ser de 90 ppm o menos, 80 ppm o menos, 70 ppm o menos, 60 ppm o menos, 50 ppm o menos, 40 ppm o menos, 30 ppm o menos, 20 ppm o menos, 15 ppm o menos, 5 ppm o menos, 4 ppm o menos, 3 ppm o menos, 2 ppm o menos, o 1 ppm o menos. La cantidad de aditivo de potasio puede ser de 0,1 ppm a 100 ppm o de 0,5 ppm a 100 ppm, o de 1 ppm a 100 ppm.

La cantidad de potasio presente en el negro de humo formado puede ser de 100 ppm o menos, 90 ppm o menos, 80 ppm o menos, 70 ppm o menos, 60 ppm o menos, 50 ppm o menos, 40 ppm o menos, 30 ppm o menos, 20 ppm o menos, 15 ppm o menos, 5 ppm o menos, 4 ppm o menos, 3 ppm o menos, 2 ppm o menos, o 1 ppm o menos, o de 1 ppm a 100 ppm o de 5 ppm a 20 ppm, o de 1 ppm a 50 ppm (basado en el peso total del negro de humo).

Opcionalmente, no se introduce ningún aditivo de sodio y no hay sodio presente en el negro de humo formado. Opcionalmente, la cantidad de aditivo de sodio introducido en los métodos o presente en el negro de humo puede ser de 100 ppm o menos, 50 ppm o menos, 20 ppm o menos, 10 ppm o menos, 5 ppm o menos, o 1 ppm o menos, o 0,1 ppm o menos. La cantidad de sodio presente en el negro de humo formado puede ser de 100 ppm o menos, 90 ppm o menos, 80 ppm o menos, 70 ppm o menos, 60 ppm o menos, 50 ppm o menos, 40 ppm o menos, 30 ppm o menos, 20 ppm o menos, 10 ppm o menos, 5 ppm o menos, 4 ppm o menos, 3 ppm o menos, 2 ppm o menos, o 1 ppm o menos, o de 1 ppm a 100 ppm o de 5 ppm a 100 ppm, o de 1 ppm a 50 ppm (basado en el peso total del negro de humo).

Los ejemplos de elementos del Grupo IA incluyen litio, sodio, potasio, rubidio, cesio o francio, o cualquier combinación de dos o más de los mismos. Estos elementos pueden incluirse en aditivos de materias primas puede que sean un sólido, solución, dispersión, gas, o cualquier combinación de los mismos. A efectos de la presente invención, las sustancias pueden ser el propio metal (o ion metálico), un compuesto que contenga uno o varios de estos elementos, incluida una sal que contenga uno o varios de estos elementos, y similares. Las sales metálicas ejemplares del Grupo IA incluyen sales orgánicas e inorgánicas, por ejemplo, sales, por ejemplo, de sodio y/o potasio, con cualquiera de cloruro, acetato o formiato, o combinaciones de dos o más de tales sales.

En cuanto a los aditivos de la materia prima, tanto si se usan estroncio y/o bario solos como si se usan con otros elementos metálicos tales como el calcio, las sustancias pueden añadirse juntas, por separado, secuencialmente o en diferentes lugares de reacción. Por ejemplo, las sustancias pueden añadirse en cualquier punto antes del enfriamiento completo, incluyendo, por ejemplo, antes de la introducción de la materia prima productora de negro de humo en la zona 1 o 2 (de la FIGURA 2); durante la introducción de la materia prima que produce negro de humo en la zona 3; después de la introducción de la materia prima que produce negro de humo en las zonas 4-10; o en cualquier paso anterior al enfriamiento completo. Se puede usar más de un punto de introducción del aditivo en la materia prima.

El aditivo o aditivos de la materia prima pueden añadirse de cualquier manera, incluyendo cualquier medio convencional. En otras palabras, el aditivo o aditivos de la materia prima pueden añadirse de la misma manera que se introduce una materia prima que produce negro de humo. La sustancia puede añadirse en forma de gas, líquido o sólido, o cualquier combinación de los mismos. El aditivo o aditivos de la materia prima pueden añadirse en un punto o en varios, como se ilustra en el punto 12 de la FIGURA 2, y puede añadirse como un único flujo o como una pluralidad de flujos. Los aditivos de la materia prima también o alternativamente pueden mezclarse con la materia prima, el combustible y/o el oxidante antes y/o durante su introducción, tal como, por ejemplo, una o más de las corrientes de alimentación 7, 13 y 14 mostradas en la FIGURA 2, o en otras ubicaciones del reactor. El aditivo o aditivos de la materia prima pueden introducirse en diferentes puntos y/o a través de inyectores y/o lanzas separados en el reactor (no mostrados).

Con los métodos de la presente invención, como se ha indicado anteriormente, existen ventajas al usar estroncio y/o bario en lugar del calcio por sí mismo como aditivo de la materia prima. Por ejemplo, en los métodos de la presente invención, los métodos pueden formar negro de carbón que tiene un área superficial y una estructura y en donde el reactor de negro de carbón se opera a una OAC (%) deseada debida, al menos en parte, a la corriente de gas calentado y a una temperatura de la corriente de reacción, y esta OAC (%) es al menos 4 % menor para formar el negro de carbón (que tiene el área superficial y la estructura) en comparación con un método que usa solamente calcio (y no estroncio o bario) en la misma cantidad para el aditivo de materia prima pero que por lo demás es el mismo método. El “al menos 4 % menos” en la OAC (%) puede ser al menos 5 %, al menos 6 %, al menos 7 %, tal como de 4 % a 10 % menos, o de 5 % a 8 % menos, o de 4 % a 6 % menos en la OAC (%), lo que significa que el valor de la OAC, como porcentaje, es un cierto porcentaje menor en el método inventivo (es decir, se resta la diferencia en los valores de OAC, se divide por el valor de OAC para el método que usa solamente calcio, y se multiplica por 100).

Aunque se hace referencia a métodos para formar negros de humo, el proceso puede considerarse un proceso de negro de humo de horno que forma negros de humo de horno o negros de horno.

La FIGURA 2 muestra una porción ilustrativa de un tipo de reactor de negro de humo que puede usarse para producir negros de humo de la presente invención teniendo en cuenta las condiciones del proceso y los componentes y aditivos descritos en la presente. Las condiciones del proceso y las disposiciones del reactor para la producción de los negros de humo de la presente invención pueden incluir los siguientes atributos.

En general, para fabricar los negros de humo de la presente invención, pueden usarse una o más o todas las condiciones de proceso y disposiciones de equipo siguientes 1) y opcionalmente con 2)-4). Siempre se usa al menos 1) y preferiblemente con 2), o 3), o 4) o 2)-3), o 3)-4), o 2)-4). Las condiciones del proceso y la disposición de los equipos son las siguientes:

1) introducción (por ejemplo, inyección) de las cantidades indicadas de elementos de estroncio y/o bario o iones de los mismos (por ejemplo, Sr/Sr2+, Ba/Ba2+).

2) inyección opcional de agua y oxígeno a continuación del punto o puntos de introducción de la materia prima que produce el negro de humo, pero antes del enfriamiento para aumentar la temperatura y crear un entorno húmedo.

3) introducción opcional o adición de calcio en el reactor para grabar el negro de humo en el mismo.

4) introducción facultativa (por ejemplo, inyección) de cantidades de potasio o de otros elementos del Grupo IA o de sus iones de la Tabla Periódica (por ejemplo, Na/Na+, K/K+, Cs/Cs+).

En un aspecto, los presentes negros de humo se producen, por ejemplo, en un reactor de negro de humo de horno, tal como el representado en la FIGURA 2, que tiene una zona de combustión 1, que tiene una zona de diámetro convergente 2, una zona de transición 3, una sección de entrada cónica 4, una sección de entrada escalonada 5 y una zona de reacción 6. El diámetro de la zona de combustión 1, hasta el punto donde comienza la zona de diámetro convergente 2, se muestra como D-1; el diámetro de la zona 3, como D-2; los diámetros de entrada y salida de la zona cónica 4 como D-3 y D-4, respectivamente; los diámetros de la zona de entrada escalonada 5 como D-5, D-6, D-7; y los diámetros de la zona de reacción 6 como D-8 y D-9. La longitud de la zona de combustión 1, hasta el punto donde comienza la zona de diámetro convergente 2, se muestra como L-1; la longitud de la zona de diámetro convergente se muestra como L-2; la longitud de la zona de transición se muestra como L-3; la longitud de la sección cónica, zona 4, como L-4; y las longitudes de los pasos en la sección de entrada al reactor, zona 5, como L-5, L-6 y L-7. Las longitudes de la zona de reacción 6 son L-8 y L-9.

Para producir negros de humo, se generan gases de combustión calientes (también denominados corriente de gas calentado) en la zona de combustión 1, poniendo en contacto un combustible líquido o gaseoso 13 con una corriente oxidante adecuada 14 tal como aire, oxígeno, mezclas de aire y oxígeno o similares. Cuando se añade oxígeno a la corriente de oxidante (en la presente denominado “oxígeno de enriquecimiento”), se añade para enriquecer el contenido de oxígeno del aire hasta niveles entre aproximadamente 21 % y aproximadamente 35 %. Entre los combustibles adecuados para usar en contacto con la corriente oxidante en la zona de combustión 1 para generar los gases de combustión calientes se encuentran cualquiera de las corrientes de gas, vapor o líquido fácilmente combustibles, tales como gas natural, hidrógeno, monóxido de carbono, metano, acetileno, alcohol o queroseno. Generalmente, los combustibles tienen un alto contenido en componentes que contienen carbono, particularmente hidrocarburos. A modo de ejemplo, la relación volumétrica entre aire y gas natural usada para producir los negros de humo de la presente invención puede ser de aproximadamente 5:1 a aproximadamente 100:1. Para facilitar la generación de gases de combustión calientes, la corriente oxidante puede precalentarse.

La corriente de gas de combustión caliente (o corriente de gas calentado) fluye cadena abajo desde las zonas 1 y 2 hacia las zonas 3, 4, 5 y 6. La dirección del flujo de gases de combustión calientes se muestra en la FIGURA 2 por la flecha “F”. En el punto 7 (situado en la zona 3) puede introducirse materia prima que produzca negro de humo (también denominada materia prima de negro de humo). Son adecuados para usar en la presente como materias primas de hidrocarburos que producen negro de humo, fácilmente volatilizables en las condiciones de la reacción, hidrocarburos insaturados como el acetileno; olefinas como el etileno, el propileno, el butileno; aromáticos como el benceno, el tolueno y el xileno; ciertos hidrocarburos saturados; y otros hidrocarburos como querosenos, naftalenos, terpenos, alquitranes de etileno, reservas de ciclos aromáticos y similares. El aditivo o aditivos de la materia prima pueden introducirse en el punto 7 o en otros puntos de la zona 3 o de otras zonas. El aditivo de la materia prima puede combinarse previamente con la materia prima que produce negro de humo o añadirse por separado al reactor.

Opcionalmente, se pueden usar materias primas con menor contenido en azufre. Los niveles de azufre pueden ser, por ejemplo, de 0 a aproximadamente 5 % en peso, o de 0 a aproximadamente 1 % en peso, o de 0 a aproximadamente 0,5 % en peso, o de 0 a aproximadamente 0,1 % en peso, basados en la materia prima total que produce negro de humo usada en todo el proceso. Estos rangos y cantidades de niveles de azufre también pueden aplicarse a cualquier flujo individual de materia prima que produzca negro de humo.

Generalmente, la materia prima que produce negro de humo (sola o combinada con el aditivo de materia prima) se inyecta en el punto 7 en forma de una pluralidad de corrientes (no mostradas) que penetran en las regiones interiores de la corriente de gas de combustión caliente para asegurar una alta tasa de mezclado y esfuerzo de corte de la materia prima que produce negro de humo por los gases de combustión calientes para descomponer y convertir rápida y completamente la materia prima en negro de humo.

La mezcla (también denominada corriente de reacción) de materia prima que produce negro de humo (con el aditivo de materia prima) y gases de combustión calientes fluye cadena abajo a través de la zona 3 hacia las zonas 4, 5 y 6. Se puede inyectar agua en la zona 6 en el punto 8 del reactor. Sin limitarse a ninguna teoría en particular, esta agua puede vaporizarse y convertirse en vapor, lo que aumenta la concentración de especies gaseosas que pueden oxidar el carbono, resultando en un aumento de la tasa de ataque oxidativo de la superficie del negro de humo. Esto puede resultar en un negro de humo grabado o poroso. La relación en peso entre la cantidad de agua inyectada y la materia prima que produce negro de humo es típicamente de 0 a aproximadamente 1:1, o de aproximadamente 0,1:1 a aproximadamente 1:1, o de aproximadamente 0,2:1 a aproximadamente 0,5:1, o de aproximadamente 0,3:1 a aproximadamente 0,7:1, o de aproximadamente 0,4:1 a aproximadamente 0,8:1 y similares. Esta agua (en la presente denominada “agua intermedia”) se diferencia del agua de enfriamiento, situada en el punto 10, cuya finalidad es detener la reacción. En la FIGURA 2, “A” es la distancia desde el inicio de la zona 4 hasta el punto de agua intermedio 8, y variará en función de la posición de la inyección de agua intermedia. El gas oxígeno (en la presente denominado “oxígeno intermedio”) puede añadirse a la zona 6 en el punto 9. Sin limitarse a ninguna teoría en particular, el oxígeno puede reaccionar con especies combustibles como el monóxido de carbono y el hidrógeno en el gas para aumentar la temperatura del sistema, incrementando por lo mismo la velocidad de ataque oxidativo de la superficie del negro de humo, resultando en un negro de humo grabado o poroso con mayor área superficial que el negro de humo no tratado con gas oxígeno. La relación molar entre el oxígeno intermedio y la cantidad de aire que se añade a la Zona 1 puede ser de 0 a aproximadamente 1:4, o de aproximadamente 0,1:4 a aproximadamente 1:4, o de aproximadamente 0,2:4 a 0,9:4, o de aproximadamente 0,3:4 a aproximadamente 0,8:4 y similares. En la FIGURA 2, “B” es la distancia desde el comienzo de la zona 4 hasta el punto intermedio de oxígeno 9, y puede variar de acuerdo con la posición de la inyección intermedia de oxígeno. Por ejemplo, el agua y el oxígeno pueden inyectarse cadena abajo del punto de introducción de la materia prima que produce negro de humo y cadena arriba del enfriamiento, efectivamente para aumentar la temperatura al menos aproximadamente 5 %, o al menos aproximadamente 10 %, o al menos aproximadamente 15 %, o al menos aproximadamente 20 %, y/o aumentar el contenido de humedad al menos aproximadamente 5 %, o al menos aproximadamente 10 %, o al menos aproximadamente 15 %, o al menos aproximadamente 20 %, en el reactor en relación con la temperatura y el contenido de humedad en el reactor sin inyectar el agua y el oxígeno y con todas las demás condiciones iguales.

Como se ha indicado, el aditivo de materia prima por sí mismo y/o precombinado puede introducirse en el reactor en uno o más puntos diversos del reactor (en referencia a la FIGURA 2, estos puntos pueden ser o incluir los puntos 3, 4, 5, 8, 6 y/o 9.

El enfriamiento 11 del reactor, situado en el punto 10, inyecta un fluido de enfriamiento, que puede ser agua, y se usa para detener la formación de negros de humo. El punto 10 puede determinarse de cualquier manera conocida en la técnica para seleccionar la posición de un enfriamiento para detener la pirólisis. En la FIGURA 2, “Q” es la distancia desde el inicio de la zona 4 hasta el punto de enfriamiento 10, y variará en función de la posición del enfriamiento. Para estos negros de humo, por ejemplo, Q puede maximizarse para maximizar el tiempo disponible para el grabado con el fin de crear una superficie elevada.

Una vez enfriada la mezcla de gases de combustión calientes y materia prima que produce negros de humo, los gases enfriados pasan cadena abajo a cualquier aparato convencional de enfriamiento y separación por el que se recuperan los negros de humo. La separación del negro de humo de la corriente de gas se realiza fácilmente por un aparato convencional tal como un precipitador, un separador ciclónico o un filtro de mangas. Esta separación puede ir seguida de un granulado usando, por ejemplo, un granulador húmedo.

Como se ha indicado, la presente invención se refiere además a nuevos negros de humo (por ejemplo, negros de humo de horno). En particular, la presente invención se refiere a un negro de humo que tiene una superficie BET de nitrógeno (N2SA) de 800 m2/g a 2.500 m2/g y una concentración de elementos del Grupo IIA en el negro de humo que puede ser menor o igual a 4,3*N2SA-2150 [Ecuación 2]. La concentración (ppm) de elementos del Grupo IIA en el negro de humo puede ser una cantidad menor a 4,3*N2SA-2150. La cantidad puede caracterizarse como un % menor que 4,3*N2SA-2150, tal como al menos 1 % menos, al menos 5 % menos, al menos 10 % menos, al menos 15 % menos, o al menos 20 % menos, tal como de 1 % a 50 % menos, preferiblemente hasta 75 % menos que 4,3*N2SA-2150. Preferiblemente, los elementos del Grupo IIA comprenden al menos estroncio, bario, o una combinación de los mismos. Los elementos metálicos en el negro de humo, como se ha indicado anteriormente, pueden incluir adicionalmente, además de estroncio, bario o ambos, un elemento del Grupo IA y/o un elemento adicional del Grupo IIA. El contenido de cenizas (% en peso) en el negro de humo puede ser igual o menor a 0,0012*N2SA-0,24 [Ecuación 3]. El contenido de cenizas (% en peso) en el negro de humo puede ser menor a 0,0012*N2SA-0,24.

En referencia a la Ecuación 3, el contenido de cenizas (% en peso) puede ser al menos 1 % menor que el número resultante de la Ecuación 3 o puede ser al menos 2 % menor, 3 % menor, 5 % menor, 7 % menor, 10 % menor, 15 % menor, 20 % menor, o 25 % menor, tal como de 1 % a 25 % menor que el número resultante de la Ecuación 3.

Los elementos de los grupos IIA y IA presentes en el negro de humo son el resultado del “aditivo de materia prima”, que incluye elementos metálicos como el estroncio y/o el bario, o que consisten esencialmente en ellos, y la descripción y los parámetros mencionados anteriormente para este aditivo de materia prima pueden aplicarse igualmente en este caso a los elementos de los grupos IIA y IA contenidos en el producto de negro de humo.

El negro de humo de la presente invención puede tener un N2SA de 800 m2/g a 2.500 m2/g, tal como de 900 m2/g a 2.400 m2/g, o de 850 m2/g a 2.400 m2/g, o de 825 m2/g a 2.500 m2/g, o de 850 m2/g a 2.500 m2/g, o de 875 m2/g a 2.500 m2/g, o de 900 m2/g a 2.500 m2/g, o de 925 m2/g a 2.500 m2/g, o de 950 m2/g a 2.500 m2/g, o de 1.000 m2/g a 2.500 m2/g, o de 1.100 m2/g a 2.500 m2/g, o de 1.200 m2/g a 2.500 m2/g, o de 1.250 m2/g a 2.500 m2/g, o de 1.300 m2/g a 2.500 m2/g, o de 800 m2/g a 2.450 m2/g, o de 800 m2/g a 2,400 m2/g, o de 800 m2/g a 2.350 m2/g, o de 800 m2/g a 2.300 m2/g, o de 800 m2/g a 2.250 m2/g, o de 800 m2/g a 2.200 m2/g, o de 800 m2/g a 2.150 m2/g, o de 800 m2/g a 2.100 m2/g, o de 800 m2/g a 2.050 m2/g, o de 800 m2/g a 2.000 m2/g, o de 800 m2/g a 1,950 m2/g, o de 800 m2/g a 1.900 m2/g, o de 800 m2/g a 1.800 m2/g, o de 800 m2/g a 1.700 m2/g, o cualquier N2SA que esté por debajo o por encima de cualquiera de estos rangos o cualquier rango definido por cualquier combinación de un punto final de un rango con otro punto final de un segundo rango. La N2SA es la superficie BET de nitrógeno medida como se ha descrito anteriormente.

Opcionalmente, la concentración (ppm) de elementos del Grupo IIA en el negro de humo puede ser de 100 a 7000 ppm (en peso, basado en la masa total del negro de humo). Por ejemplo, la concentración de elementos del Grupo IIA puede ser de 200 ppm a 6500 ppm, de 300 ppm a 6000 ppm, de 400 ppm a 5000 ppm, de 500 ppm a 4000 ppm, de 600 ppm a 7000 ppm, o de 800 ppm a 6500 ppm, o cualquier rango definido por cualquier combinación de un punto final de un rango con otro punto final de un segundo rango.

Opcionalmente, la concentración (ppm) de estroncio y/o bario en el negro de humo puede ser de 100 a 7000 ppm (en peso, basado en la masa total del negro de humo). Por ejemplo, la concentración de elementos del Grupo IIA puede ser de 200 ppm a 6500 ppm, de 300 ppm a 6000 ppm, de 400 ppm a 5000 ppm, de 500 ppm a 4000 ppm, de 600 ppm a 7000 ppm, o de 800 ppm a 6500 ppm, o cualquier rango definido por cualquier combinación de un punto final de un rango con otro punto final de un segundo rango.

Como resultado de los aditivos de la materia prima descritos anteriormente, el negro de humo puede incluir solamente estroncio o bario, o una combinación de los mismos.

Como resultado del uso de los aditivos de materia prima descritos anteriormente, el negro de humo puede incluir únicamente elementos del Grupo IIA que incluyan al menos estroncio y/o bario.

El peso total de los elementos del Grupo IIA presentes puede ser de al menos 30 % en peso de estroncio basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA, o de al menos 35 % en peso de estroncio, o de al menos 40 % en peso de estroncio, o de al menos 50 % en peso de estroncio, o de al menos 60 % en peso de estroncio, o de al menos 70 % en peso de estroncio, o de al menos 80 % en peso de estroncio basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA, o de al menos 99 % en peso de estroncio basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

El peso total de los elementos del Grupo IIA presentes puede ser de al menos 30 % en peso de bario basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA, o de al menos 35 % en peso de bario, o de al menos 40 % en peso de bario, o de al menos 50 % en peso de bario, o de al menos 60 % en peso de bario, o de al menos 70 % en peso de bario, o de al menos 80 % en peso de bario basado en el peso total de dicho aditivo, o de al menos un 99 % en peso de bario basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

Si están presentes juntos (estroncio y bario), el peso total de los elementos del Grupo IIA presentes puede ser de al menos 30 % en peso de estroncio/bario basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA, o de al menos 35 % en peso de estroncio/bario, o de al menos 40 % en peso de estroncio/bario, o al menos 50 % en peso de estroncio/bario, o al menos 60 % en peso de estroncio/bario, o al menos 70 % en peso de estroncio/bario, o al menos 80 % en peso de estroncio/bario basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA, o al menos 99 % en peso de estroncio/bario basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

El peso total de los elementos del Grupo IIA presentes puede ser de al menos 30 % en peso de estroncio o bario o una combinación de los mismos, y 70 % o menos en peso puede ser de uno o más aditivos, tales como, pero no se limitan a, calcio. La relación en peso de los elementos del Grupo IIA que son estroncio, bario o una combinación de los mismos (A) con respecto a otros aditivos (por ejemplo, Ca) (B) puede ser una relación en peso A:B de 99:1 a 30:70, tal como 98:2 a 50:50, 95:5 a 50:50, 90:10 a 50:50, 80:20 a 50:50, 70:30 a 50:50, 60:40 a 50:50, 99:1 a 51:49, 99:1 a 55:45, 991 a 60:40, 99:1 a 65:35, 95:1 a 55:45, 95:1 a 60:40, 95:1 a 65:35, 30:70 a 99:1,35:65 a 99:1,40:60 a 99:1,45:55 a 99:1, y otras cantidades dentro o fuera de estos rangos especificados.

Opcionalmente, el negro de humo tiene menos de 0,1 ppm o menos de 500 ppm o menos de 250 ppm o menos de 100 ppm o menos de 50 ppm o menos de 25 ppm o menos de 5 ppm o menos de 1 ppm o 0 ppm de calcio.

Opcionalmente, el negro de humo tiene menos de 0,1 ppm o menos de 500 ppm o menos de 250 ppm o menos de 100 ppm o menos de 50 ppm o menos de 25 ppm o menos de 5 ppm o menos de 1 ppm o 0 ppm de potasio y/o sodio.

Como opción, el negro de humo tiene menos de 0,1 % en peso o menos de 500 ppm o menos de 250 ppm o menos de 100 ppm o menos de 50 ppm o menos de 25 ppm o menos de 20 ppm o menos de 15 ppm o 0 ppm de elemento del Grupo IA.

Una descripción simplificada de una partícula de negro de humo es un agregado de varias partículas, que se denominan partículas primarias (“primarios”). El tamaño de las primarias en una partícula de negro de humo puede variar, pero la producción de negro de humo con primarias de tamaño (diámetro) de al menos aproximadamente 8 nm es factible, tal como ocurre, por ejemplo, con los procesos ilustrados en la presente. El número de primarios en el agregado también puede variar, por ejemplo, de aproximadamente uno a aproximadamente unas pocas decenas o posiblemente cientos, resultando así el tamaño de las partículas de negro de humo de hasta aproximadamente 500 nm. El número de primarios y su disposición en la partícula de negro de humo no solamente determinan su tamaño, sino también su estructura.

El tamaño promedio de las partículas primarias se determina mediante la norma ASTM D3849-04, cuya totalidad se incorpora en la presente por referencia, y puede ser, por ejemplo, menor a aproximadamente 100 nm, o menor a aproximadamente 75 nm, o menor a aproximadamente 50 nm, o menor a aproximadamente 30 nm, o menor a aproximadamente 20 nm, o menor a aproximadamente 10 nm. Los agregados de negro de humo pueden ser, por ejemplo, conjuntos de partículas primarias de negro de humo que se funden en los puntos de contacto y no pueden separarse fácilmente por el esfuerzo de corte. El tamaño promedio de los agregados del negro de humo puede extraerse del análisis de imágenes TEM usando la técnica de imagenología descrita en ASTM D3849-04, cuya totalidad se incorpora en la presente por referencia. El negro de humo puede tener un tamaño promedio de agregado que sea, por ejemplo, menor a aproximadamente 500 nm, o menor a aproximadamente 400 nm, o menor a aproximadamente 300 nm, o menor a aproximadamente 200 nm, o menor a aproximadamente 100 nm.

El tamaño promedio de las partículas primarias y/o un tamaño promedio de las partículas agregadas que puede tener el presente negro de humo, pero no se limitan a, el negro de humo puede tener una o más de las siguientes propiedades:

a) un tamaño promedio de partícula primaria de aproximadamente 8 nm a aproximadamente 100 nm, o de aproximadamente 8 nm a aproximadamente 50 nm, o de aproximadamente 9 nm a aproximadamente 40 nm, o de aproximadamente 9 nm a aproximadamente 30 nm, o de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 20 nm, o de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 15 nm;

b) un tamaño promedio de partícula agregada de aproximadamente 8 nm a aproximadamente 500 nm, o de aproximadamente 20 nm a aproximadamente 400 nm, o de aproximadamente 30 nm a aproximadamente 300 nm, o de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 250 nm, o de aproximadamente 75 nm a aproximadamente 200 nm, o de aproximadamente 100 nm a aproximadamente 175 nm, o de aproximadamente 125 nm a aproximadamente 150 nm, o de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 70 nm, o de aproximadamente 55 nm a aproximadamente 65 nm, o de aproximadamente 58 nm a aproximadamente 62 nm. Por ejemplo, el presente negro de humo puede tener un tamaño promedio de primarios de entre aproximadamente 8 nm y aproximadamente 100 nm, y un tamaño promedio de partículas de negro de humo de entre aproximadamente 8 nm y aproximadamente 500 nm.

Los negros de humo de la presente invención pueden prepararse, por ejemplo, ajustando simultáneamente la tasa de gas natural del quemador, la tasa de oxígeno de enriquecimiento, la tasa de materia prima, el tipo de materia prima, la concentración de elemento aditivo en la materia prima, la concentración de elemento opcional del Grupo IA en la materia prima, la tasa y ubicación del agua intermedia y la tasa y ubicación del oxígeno intermedio para conseguir las propiedades deseadas. La selección de la geometría particular del reactor descrita en la presente también puede ser importante para conseguir las propiedades deseadas. La superficie del negro de humo puede aumentarse, por ejemplo, aumentando la tasa de gas natural del quemador, aumentando la tasa de oxígeno de enriquecimiento, disminuyendo la tasa de materia prima, aumentando la concentración de elementos del aditivo de materia prima, aumentando la concentración de Sr y/o Ba en el aditivo de materia prima (por ejemplo, pasando de 30/70 Sr/Ca a 90/10 Sr/Ca), y/o aumentando la tasa de agua intermedia mientras se aumenta simultáneamente la tasa de oxígeno intermedia. Los niveles exactos de cada variable necesarios para crear negro de humo con las propiedades deseadas pueden depender de la geometría del reactor y del método de inyección de cada especie en el reactor.

El presente producto de negro de humo puede presentarse en forma de polvo o finamente dividido. El presente negro de humo también puede, por ejemplo, granularse, aglomerarse o mezclarse con cualquier otra sustancia, tal como partículas, líquidos, sólidos, polímeros u otros materiales.

Un aditivo típico usado en la producción de negro de humo es el calcio, el potasio, el sodio o sus combinaciones. El uso de estroncio y/o bario como aditivo de la materia prima no se consideró una opción que aportara ningún beneficio particular a la fabricación de negro de humo, además de compararlo con el calcio. Así, fue bastante inesperado cuando se descubrió que el uso de estroncio solo, el uso de bario solo y/o el uso de una combinación de estroncio y bario o el uso de estroncio y/o bario con una cantidad de calcio no producían resultados comparables, sino que en realidad producían resultados significativa e inesperadamente superiores en varias áreas.

Como se ha descrito anteriormente y/o se muestra en los Ejemplos, la presente invención puede proporcionar las siguientes propiedades y/o ventajas únicas e inesperadas, especialmente en comparación con usar el aditivo de calcio estándar solo como aditivo de materia prima durante la fabricación de negro de humo: 1) se puede formar el mismo o casi el mismo negro de humo N2SA usando menos ppm de Sr (en comparación con Ca) (en donde “aproximadamente el mismo” significa dentro de 10 % o dentro de 5 %). El % de ppm de Sr (en comparación con el Ca) puede ser al menos 25 % menor, al menos 50 % menor, al menos 60 % menor, al menos 75 % menor, al menos 80 % menor (en comparación con el Ca); 2) se puede formar un negro de humo N2SA superior usando menos ppm de Sr (en comparación con el Ca). El % más alto de N2SA puede ser al menos 10 % más alto, al menos 20 % más alto, al menos 30 % más alto, al menos 40 % más alto o al menos 50 % más alto (en comparación con el Ca pero con una cantidad de ppm menor) y el % de ppm de Sr (en comparación con el Ca) puede ser al menos 25 % más bajo, al menos 50 % más bajo, al menos 60 % más bajo, al menos 75 % más bajo, al menos 80 % más bajo (en comparación con el Ca); 3) puede formarse el mismo negro de humo de N2SA o aproximadamente el mismo con una OAC menor (en comparación con el Ca). El % de OAC menor (como diferencia en la OAC para las diferentes condiciones de operación) puede ser de al menos 1 %, al menos 2 %, al menos 3 %, al menos 4 %, al menos 5 % y apreciando que cada % de OAC es significativo en la industria del negro de humo. Así, una disminución de la OAC de 2 % o más es bastante significativa; 4) se puede formar un negro de humo N2SA más alto a una OAC más bajo (en comparación con el Ca). El % menor de OAC puede ser al menos 1 %, al menos 2 %, al menos 3 %, al menos 4 %, al menos 5 % y apreciando que cada % de OAC es significativo y el % mayor de N2SA puede ser al menos 10 % mayor, al menos 20 % mayor, al menos 30 % mayor, al menos 40 % mayor, o al menos 50 % mayor (en comparación con Ca en una cantidad menor de ppm). A-1 :Las propiedades y/o ventajas únicas e inesperadas 1), 2), 3) y 4) anteriores son especialmente más pronunciadas cuando la OAC usado para fabricar los negros de humo es del 32 % y mayor, 32,5 % y mayor, 33 % y mayor, 33,5 % y mayor, 34 % y mayor, tal como de 32 % o 32,5 % o 33 % o 33,5 % al 44 %, 45 %, 46 %, 46,5 %, 47 % o 48 %. A-2:Las propiedades y/o ventajas únicas e inesperadas anteriores 1), 2), 3) y 4) son especialmente más pronunciadas cuando la N2SA es de 800 m2/g o mayor, o de 900 m2/g o mayor, o de 1000 m2/g o mayor, tal como de 800 m2/g a 2500 m2/g o de 900 m2/g a 2500 m2/g, o de 1000 m2/g a 2500 m2/g. A-3:Las anteriores propiedades y/o ventajas únicas e inesperadas 1), 2), 3) y 4) son especialmente más pronunciadas cuando las cantidades ppm de Sr son de al menos 250 ppm, al menos 300 ppm, al menos 350 ppm, al menos 400 ppm, al menos 500 ppm, al menos 600 ppm, o menores a 1000 ppm, o menores a 900 ppm, o menores a 800 ppm, o menores a 700 ppm, tales como de 200 ppm a 1000 ppm. La referencia a las cantidades en ppm es con respecto a las ppm del aditivo en la materia prima (en masa).

Las anteriores propiedades y/o ventajas únicas e inesperadas 1), 2), 3) y 4) y A-1 a A-3 se aplican igualmente cuando el aditivo es Ba (en comparación con Ca).

Las propiedades y/o ventajas únicas e inesperadas se muestran en las FIGURAS 1,3 y 4.

C-1 :También se observan propiedades y/o ventajas únicas e inesperadas cuando se usa Sr en combinación con Ca (por ejemplo, ambos se usan como aditivos durante el método del negro de humo). Más específicamente, usando una mezcla o combinación de Sr y Ca, donde el Sr está presente en una cantidad en peso de 30:70 (Sr:Ca) a 99:1 (Sr:Ca), se puede producir un negro de humo N2SA más alto con la misma carga de aditivo (comparado con el 100 % de Ca con la misma carga de ppm). La cantidad de Sr:Ca puede ser de 35:65, de 40:60, de 45:55, de 50:50, de 55:45, de 60:40, de 65:35, de 70:30, de 75:25, de 80:20, de 85:15, o de 90:10 a 99:1 (Sr:Ca). Estas propiedades y/o ventajas únicas e inesperadas para la mezcla/combinación Sr:Ca son especialmente más pronunciadas cuando la N2SA es de 800 m2/g o mayor, o de 825 m2/g o mayor, o de 850 m2/g o mayor, o de 1000 m2/g o mayor, tal como de 800 m2/g a 2500 m2/g o de 850 m2/g a 2500 m2/g, o de 1000 m2/g a 2500 m2/g. Las propiedades y/o ventajas únicas e inesperadas de la mezcla Sr:Ca son especialmente pronunciadas cuando las cantidades totales de aditivos (Sr y Ca totales) son de al menos 250 ppm, al menos 300 ppm, al menos 350 ppm, al menos 400 ppm, al menos 500 ppm, al menos 600 ppm, al menos 700 ppm, al menos 800 ppm, al menos 900 ppm, al menos 1000, al menos 1100 ppm, al menos 1200 ppm, al menos 1300 ppm, al menos 1500 ppm, tal como de 250 ppm a 1500 ppm. La referencia a las cantidades en ppm en la materia prima es con respecto a las ppm (en masa) del elemento metálico con respecto a la cantidad de materia prima a la que se añade, excluyendo cualquier impureza residual en el vehículo de suministro (típicamente una solución salina acuosa) y sin tener en cuenta el contraión de la sal metálica o el portador acuoso añadido a la materia prima.

Las anteriores propiedades únicas e inesperadas y/o ventajas C-1 se aplican igualmente a cuando el aditivo es Ba en lugar de Sr en combinación con Ca.

Las anteriores propiedades y/o ventajas únicas e inesperadas C-1 se muestran además, en parte, en las FIGURAS 1A-B, 3 y 4. Como se explica en la sección de ejemplos más adelante, y como puede verse en los datos, fue posible producir una OAC menor para producir negro de humo con un N2SA especificado cuando se usó Sr o Ba como aditivo de la materia prima.

Además, como se muestra en la FIGURA 3, los datos por debajo de la línea son todos ejemplos en los que se usó Sr o Ba como aditivo de la materia prima, y los datos por encima de la línea son todos ejemplos en los que se usó Ca como aditivo de la materia prima, y como puede verse, se consiguió una concentración de elementos del Grupo IIA (ppm) mucho menor por negro de humo indicada por N2SA cuando se usó Sr o Ba, lo que permitió una menor formación de cenizas en el negro de humo.

Además, como se muestra en la FIGURA 4, los datos por debajo de la línea son todos ejemplos en los que se usó Sr o Ba como aditivo de la materia prima, y los datos por encima de la línea son todos ejemplos en los que se usó Ca como único aditivo de la materia prima, y como puede verse, se consiguió un contenido de cenizas (% en peso) mucho menor por negro de humo indicado por N2SA cuando se usó Sr o Ba.

Los presentes negros de humo pueden ser procesados posteriormente después de salir del reactor como se muestra en la FIGURA 2, por ejemplo, mediante lavado con agua o ácido, tratamiento térmico y/o tratamiento químico molecular. El postratamiento puede consistir en un simple procedimiento de lavado con agua (caliente o fría) o con ácido, o en un tratamiento térmico. Las temperaturas del tratamiento térmico pueden ser tales que pueden resultar en cierta grafitización del negro de humo. Alternativamente, las temperaturas pueden ser tales que no resulten en ninguna grafitización adicional, como, por ejemplo, por debajo de aproximadamente 1100 °C, como se relata en D.H. Everett,et al., J. Chem. Soc.,FaradayTrans.I, 82, 2915-2928 (1986). El tratamiento térmico puede realizarse, por ejemplo, en una atmósfera inerte, tal como argón o nitrógeno. Alternativamente o adicionalmente, el negro de humo puede tratarse térmicamente como se describe en US11352536 y/o US20130295462, cuyo contenido íntegro se incorpora en la presente por referencia, para modificar características superficiales tales como el tamaño de cristalito Raman, la cristalinidad o la presión de propagación del agua.

Los presentes negros de humo pueden tener uno o más grupos químicos, tales como grupos orgánicos unidos a su superficie (por ejemplo, unidos químicamente, adsorbidos, recubiertos o presentes de otro modo). Por ejemplo, el negro de humo puede tener unido al menos un grupo orgánico que comprenda un grupo aromático y/o un grupo alquilo. El grupo aromático o alquilo puede estar unido directamente al negro de humo (por ejemplo, un átomo de carbono del grupo aromático o alquilo está unido (por ejemplo, enlazado) al negro de humo). Los grupos químicos ejemplares, así como los métodos para unir estos grupos al negro de humo convencional, se describen en las siguientes patentes y publicaciones de EE.UU., que se incorporan en su totalidad por referencia en la presente: 5,851,280; 5,837,045; 5,803,959; 5,672,198; 5,571,311; 5,630,868; 5,707,432; 5,554,739; 5,689,016; 5,713,988; WO 96/18688; WO 97/47697; y WO 97/47699. Los grupos orgánicos, que pueden unirse al negro de humo, pueden ser grupos donadores y/o aceptores de electrones. Alternativamente, los grupos orgánicos que pueden unirse al negro de humo pueden incluir grupos donadores y/o aceptores de electrones. Otra posibilidad es que los grupos donadores y/o aceptores de electrones puedan asociarse a la superficie del negro de humo como iones contrarios. Los grupos orgánicos que se adhieren al negro de humo pueden ser simples moléculas pequeñas, oligómeros o polímeros. Los ejemplos de tales grupos donantes y aceptores de electrones incluyen, pero no se limitan a, quinonas sustituidas o no sustituidas; grupos organometálicos, tales como metalocenos sustituidos o no sustituidos (por ejemplo, ferrocenos); tiofenos/furanos/pirroles/carbazoles sustituidos o no sustituidos; tetratiavaleno sustituido o no sustituido; y/o aminas aromáticas sustituidas o no sustituidas, por ejemplo, trifenilaminas. Los ejemplos de grupos poliméricos donantes y aceptores de electrones incluyen, pero no se limitan a, politiofenos, poliacetilenos, polifenilenovinilenos, polianilinas y polivinilcarbazoles.

Los grupos orgánicos que pueden unirse al negro de humo pueden ser al menos uno o más grupos iónicos o ionizables, o ambos. Los grupos funcionales iónicos o ionizables que forman aniones o grupos aniónicos incluyen, por ejemplo, grupos ácidos o sales de grupos ácidos. Los ejemplos de grupos orgánicos de naturaleza aniónica incluyen, pero no se limitan a, -C<6>H<4>-COO<->X<+>; -C<6>H<4>-SO<3->X<+>; -C<6>H<4>-(PO<3>)<2->2X<+>; -C<6>H<2>-(COO<->X<+>)<3>; -C<6>H<3>-(COO<->X<+>)<2>; -(C H ^-(COO<->X<+>); -C<6>H<4>-(CH<2>)<2>-(COO<->X<+>), en donde X<+>es cualquier catión tal como Na<+>, H<+>, K<+>, NH<4+>, Li<+>, Ca<2+>, Mg<2+>y similares. Como reconocen los expertos en la técnica, X<+>puede formarsein situcomo parte del proceso de fabricación o puede asociarse al grupo aromático o alquilo mediante un proceso típico de intercambio de sales o de intercambio iónico. La amina representa ejemplos de grupos funcionales ionizables que forman cationes o grupos catiónicos. Los grupos de amonio cuaternario, los grupos de fosfonio cuaternario y los grupos de sulfonio también representan ejemplos de grupo catiónico. Los ejemplos de grupos orgánicos que son catiónicos por naturaleza incluyen, pero no se limitan a, -C<6>H<4>N(CH<3>)<3+>Y<->, -C<6>H<4>COCH<2>N(CH<3>)<3+>Y-, -C<6>H<4>(NC<5>H<5>E Y-, -(C<5>H<4>N)C<2>H<5+>Y<->, -(C<3>H<5>N<2>E Y<->(imidazoles), -(C<7>H<7>N A Y<->(indazoles), -C<6>^C O C H<2>(NC<5>H<5>)<+>Y-, -(C<5>^N )C H<3+>Y-, y -C<6>^ C H<2>N(CH<3>)<3+>Y<>en donde Y<->es cualquier haluro o un anión tal como RSO<3->, SO<42->, PO<43->, NO<3->, OH<3->, CH<3>COO-y similares; o combinaciones de los mismos, en donde R es un grupo alquilo o aromático. Como reconocen los expertos en la técnica, Y- puede formarsein situcomo parte del proceso de fabricación o puede asociarse al grupo aromático o alquilo mediante un proceso típico de intercambio de sales o de intercambio iónico.

En general, se permite cualquier nivel de tratamiento físicamente admisible de grupos químicos (por ejemplo, grupos orgánicos) con el negro de humo. El nivel de tratamiento de grupos químicos con el negro de humo, que puede expresarse en términos de pmol/m<2>de carbono, del grupo químico (por ejemplo, grupo orgánico) en el negro de humo puede ser, por ejemplo, de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 10 pmol/m<2>o más.

Los negros de carbono de la presente invención pueden tener un tipo de grupo químico (por ejemplo, grupo orgánico) unido o más de un tipo de grupo químico unido a su superficie. En otras palabras, se puede usar negro de humo modificado de doble o múltiple tratamiento. También se puede usar una mezcla de negros de humo modificados con diferentes grupos químicos.

Los negros de carbono de la presente invención pueden usarse, por ejemplo, en un condensador, por ejemplo, un condensador electroquímico, una batería u otro dispositivo de almacenamiento de energía. El negro de humo puede ser, por ejemplo, parte de un electrodo. El electrodo puede estar en contacto directo con un colector de corriente, que generalmente es un metal (por ejemplo, tira, varilla, etc.), tal como aluminio, aluminio con un fino recubrimiento conductor de carbono, aluminio grabado y aluminio con un fino recubrimiento de AlN (por sus siglas en inglés), aunque también se contemplan otras configuraciones.

Por ejemplo, los negros de humo de la presente invención pueden usarse como parte de una pasta de batería. Para las baterías de plomo-ácido, una pasta de batería puede incluir partículas de óxido de plomo y negro de humo, junto con uno o más de los otros componentes de las formulaciones expansoras normalmente empleadas en las placas negativas de las baterías de plomo-ácido, por ejemplo, sulfato de bario y/o un lignosulfonato u otro material orgánico. Adicionalmente, la pasta contendrá ácido sulfúrico en cantidad suficiente para producir la consistencia deseada en la pasta. Para fabricar una placa de batería, los componentes de la pasta se añaden a una mezcladora de pasta comercial, se mezclan hasta obtener la consistencia deseada y posteriormente se aplican a una estructura de aleación de plomo conductora de electricidad conocida como rejilla. Típicamente, esta rejilla pegada se cura posteriormente en una cámara calentada que contiene aire con una humedad relativa elevada. Este proceso de curado produce la estructura química y física necesaria para su subsecuente manipulación y rendimiento en la batería. T ras el curado, la placa se seca usando cualquier medio adecuado. La placa resultante, que comprende material activo negativo, es posteriormente adecuada para usar en una batería de plomo-ácido.

Para usar en un condensador electroquímico, los negros de humo de la presente invención pueden formularse en electrodos combinándolos con materiales tales como carbón activado (u otras partículas porosas grandes), y un polímero (tal como un aglutinante polimérico, tal como un polímero fluorado, tal como el copolímero de poli(fluoruro de vinilideno-coclorotrifluoroetileno) o polímeros similares).

En la presente invención, el negro de humo es, por ejemplo, un negro de humo conductor de la electricidad. Por lo tanto, puede usarse para potenciar la conductividad de las pastas de electrodos para baterías de iones de litio. El electrodo positivo de una batería de iones de litio incluye típicamente un sustrato conductor que soporta una mezcla (por ejemplo, aplicada como una pasta) que tiene al menos un material electroactivo, un aglutinante y un aditivo conductor, que puede incluir el negro de humo de la invención, opcionalmente junto con grafito y/u otros aditivos conductores típicamente usados en baterías de iones de litio. El material electroactivo, tal como un óxido de metal de transición de litio, es capaz de recibir y liberar iones de litio. El aglutinante, tal como el fluoruro de polivinilideno, se usa para proporcionar integridad mecánica y estabilidad al electrodo. Típicamente, dado que el material electroactivo y el aglutinante son eléctricamente poco conductores o aislantes, el aditivo conductor (por ejemplo, grafito y negro de humo) se añade para potenciar la conductividad eléctrica del electrodo. El electrodo se forma depositando la pasta sobre un sustrato conductor de la electricidad (por ejemplo, un colector de corriente de aluminio) y, a continuación, eliminando el disolvente. El electrodo formado puede incorporarse a una batería de iones de litio según métodos conocidos en la técnica, por ejemplo, como se describe en “Lithium Ion Batteries Fundamentáis and Applications”, de Yuping Wu,CRC Press,(2015).

Se puede formar un electrodo que contenga el negro de humo y, opcionalmente, otros componentes, por ejemplo, recubriendo el colector de corriente con una dispersión líquida que contenga estos componentes como formulación de dispersión. Los líquidos ejemplares incluyen, pero no se limitan a, disolventes de base orgánica, tales como disolventes a base de cetona como metiletilcetona o metilisobutilcetona, y disolventes acuosos. Otros ejemplos son el agua y la N-metilpirrolidona (NMP).

Generalmente, cualquier formulación de dispersión, que contenga un negro de humo presente, y la preparación y el proceso de dispersión, pueden usarse como parte de la fabricación del electrodo. La formulación de dispersión puede incluir varios componentes: negro de humo, aglutinantes, agentes dispersantes, modificadores reológicos, disolventes, etc. Esta formulación de dispersión puede presentarse, por ejemplo, en forma de lechada. La temperatura puede controlarse durante la mezcla de dispersión entre 15 y 45 °C u otros rangos. El mezclado puede realizarse mediante un proceso de alto esfuerzo de corte, etc., donde el dispositivo de mezclado puede ser un estator rotor, un molino horizontal, una bocina sónica, un baño sónico, una pala tipo cowls, y similares. Se puede conseguir cualquier viscosidad de la dispersión eligiendo el contenido de masa apropiado de partícula en la dispersión, y esta viscosidad se elige basada en el método de aplicación de la dispersión. Los ejemplos del método de recubrimiento incluyen, por ejemplo, el método de extrusiónlaminación, el método de rasqueta, el método de huecograbado, el método de recubrimiento inverso, el método de recubrimiento con aplicador y el método de serigrafía.

Los presentes negros de humo también pueden usarse en otros dispositivos de almacenamiento de energía, incluyendo, por ejemplo, el uso como aditivo conductor de electrodos en baterías, como soporte de catalizadores en pilas de combustible, y el uso en dispositivos híbridos de almacenamiento de energía, que son dispositivos (también conocidos como supercondensadores asimétricos o batería/supercondensadores híbridos) que combinan electrodos de batería y electrodos EDLC (por sus siglas en inglés) en una celda. Por ejemplo, los dispositivos híbridos de almacenamiento de energía de plomo-carbono emplean electrodos positivos de batería de plomo-ácido y electrodos negativos de supercondensador, como se describe, por ejemplo, en las patentes de EE.UU. Nos.

6,466,429; 6,628,504; 6,706,079; 7,006,346; y 7,110,242.

Alternativa o adicionalmente, los negros de humo de la presente invención, con o sin alguna de las modificaciones descritas anteriormente, también pueden componerse con termoplásticos para formar un lote maestro o compuesto. Tal compuesto puede prepararse de cualquier manera conocida por los expertos en la técnica para preparar composiciones de resina. Típicamente, los componentes se mezclan con la resina deseada, a una temperatura igual o superior al punto de reblandecimiento de la resina, en un aparato mezclador convencional, como mezcladores de dos rotores, co-amasadoras, amasadoras de doble tornillo, mezcladoras continuas Farrell (FCM), mezcladoras continuas largas con descarga axial (LCM-AX) y similares; (por sus siglas en inglés, respectivamente). Un lote maestro u otra composición termoplástica puede incluir cualquier cantidad de negro de humo, por ejemplo, hasta 25 % de negro de humo y también puede incluir 0-2 % en peso de un antioxidante, por ejemplo, en una cantidad de 0-2 % en peso y/o un coadyuvante de proceso, por ejemplo, en una cantidad de 0-50 % en peso, tal como estearatos metálicos, estearatos orgánicos y fluoroelastómeros. Otros aditivos, tales como estabilizadores ultravioleta, estabilizadores de deslizamiento, lubricantes, abrillantadores ópticos, agentes antivaho y antiestáticos, cargas, pigmentos, aditivos conductores térmicos y/o aditivos conductores eléctricos, pueden incorporarse además a un lote maestro o compuesto. Un lote maestro puede combinarse con termoplásticos adicionales y aditivos opcionales y formarse en cualquier producto mediante cualquier método, incluyendo pero no limitándose al moldeo por inyección, moldeo por compresión, moldeo por extrusión a partir de una lámina, formación de película y moldeo por soplado. Los polímeros ejemplares que pueden combinarse con el negro de humo incluyen, pero no se limitan a, poliolefinas termoplásticas (TPO), polietileno (PE), polietileno lineal de baja densidad (LLDPE), polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno de densidad media (MDPE), polietileno de alta densidad (HDPE), polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE), polietileno de muy baja densidad (VLDPE), polietileno de densidad media metaloceno (mLLDPE), polipropileno, copolímeros de polipropileno, caucho de etileno propileno (EPR), terpolímeros de etileno propileno dieno (EPDM), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), acrilonitrilo EPDM estireno (AES), estireno-butadieno-estireno (SBS), polioximetileno (POM), poliamidas (PA) policloruro de vinilo (PVC), polímeros de tetraetileno hexapropileno vinilidenofluoruro (THV), polímeros de perfluoroalcoxilo (PFA), polihexafluoropropileno (HFP), policetonas (PK), alcohol vinílico de etileno (EVOH), copoliésteres, poliuretanos (PU), poliuretanos termoplásticos, poliestireno (PS), policarbonato (PC), tereftalato de polibutileno (PBT), tereftalato de polietileno (PET), óxido de polifenileno (PPO) y éter de polifenileno (PPE), y mezclas de cualquiera de los mismos; (por sus siglas en inglés, respectivamente).

La presente invención incluye los siguientes aspectos/realizaciones/atributos en cualquier orden y/o en cualquier combinación:

1. Un método para producir negro de humo, que comprende:

introducción de una corriente de gas calentado en un reactor de negro de humo;

combinación de al menos un aditivo de materia prima con al menos una materia prima de negro de humo para formar una mezcla de materia prima, en donde dicho aditivo de materia prima comprende estroncio o bario o una combinación de los mismos;

suministro de dicha mezcla de materia prima a al menos un punto de introducción de materia prima del reactor de negro de humo,

combinación de al menos dicha mezcla de materia prima a través del al menos un punto de introducción a dicho reactor de negro de humo con la corriente de gas calentado para formar una corriente de reacción en la que se forme negro de humo con una superficie de nitrógeno (N2SA) de 800 m2/g a 2.500 m2/g, en dicho reactor de negro de humo; y

recuperación del negro de humo en la corriente de reacción, en donde el método comprende además operar el reactor de negro de humo a una combustión global (OAC) de 28 % a 50 %, y el reactor de negro de humo está configurado de modo tal que dicha OAC es < [(1350 N2SA-244*ln(ppm de aditivo 1))/0.003]A(1/3,5), y en donde la N2SA es la superficie BET de nitrógeno, y las “ppm de aditivo” es la cantidad total en ppm (ppm en peso) de elementos metálicos añadidos a la materia prima excluyendo las impurezas residuales en el aditivo de la materia prima.

2. Un método para producir negro de humo, que comprende:

introducción de una corriente de gas calentado en un reactor de negro de humo;

suministro de al menos una materia prima de negro de humo a al menos un punto de introducción de materia prima en el reactor de negro de humo;

suministro del al menos un aditivo de materia prima a al menos un punto de introducción en el reactor de negro de humo, en donde dicho aditivo de materia prima comprende estroncio o bario o una combinación de los mismos;

combinación de dicha al menos una materia prima de negro de humo y dicho al menos un aditivo de materia prima, con la corriente de gas calentado para formar una corriente de reacción en la que se forme negro de humo con una superficie de nitrógeno (N2SA) de 800 m2/g a 2.500 m2/g, en dicho reactor de negro de humo; y

3. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde la N2SA es de 900 m2/g a 2.400 m2/g.

4. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dicha OAC es < [(1350 N2SA-244*ln(ppm de aditivo 1))/0,003]<a>(1/3,5).

5. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde la N2SA es de 850 m2/g a 2.400 m2/g.

6. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde la OAC es de 33,5 % a 46,5 %.

7. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde la OAC es de 33,5 % a 46,5 % y la N2SA es de 900 m2/g a 2.400 m2/g.

8. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde la OAC es de 33,5 % a 46,5 % y la N2SA es de 850 m2/g a 2.400 m2/g.

9. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde la OAC es de 33,5 % a 46,5 % y la N2SA es de 1000 m2/g a 2.400 m2/g.

10. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dicho método comprende además la inyección de oxígeno cadena abajo del punto de introducción de la materia prima y cadena arriba de un enfriamiento.

11. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde el al menos un punto de introducción de materia prima son dos o más puntos de introducción de materia prima con al menos un punto de introducción de materia prima a continuación de al menos otro punto de introducción de materia prima.

12. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dicho reactor de negro de humo comprende una zona de combustión, una zona de transición y una zona de reacción.

13. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o siguiente, en donde dicho reactor de negro de humo comprende una zona de combustión, una zona de transición, una sección de entrada cónica, una sección de entrada escalonada, una zona de reacción y una zona de enfriamiento.

14. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde el método se opera controlando al menos la cantidad de materia prima introducida de modo que una combustión global (OAC) sea de 33,5 % a 46,5 %.

15. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde un elemento del Grupo IA y/o calcio se introduce, en cualquier punto, en una cantidad menor a 500 ppm como fracción con respecto a la cantidad total de materia prima.

16. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde un elemento del Grupo IA y/o calcio se introduce, en cualquier punto, en una cantidad menor a 100 ppm como fracción con respecto a la cantidad total de materia prima.

17. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde un elemento del Grupo IA y/o calcio se introduce, en cualquier punto, en una cantidad menor a 10 ppm como fracción con respecto a la cantidad total de materia prima.

18. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde un elemento del Grupo IA se introduce, en cualquier punto, en una cantidad menor a 10 ppm basado en la cantidad total de materia prima y el calcio se introduce, en cualquier punto, en una cantidad menor a 10 ppm como fracción con respecto a la cantidad total de materia prima.

19. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde no se introduce ningún elemento del Grupo IA, en ningún punto, y no se introduce calcio, en ningún punto.

20. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde al menos un aditivo de materia prima es un líquido acuoso que contiene una sal de estroncio y/o una sal de bario disuelta en el mismo.

21. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde el estroncio y/o el bario están presentes en el al menos un aditivo de materia prima en el mayor porcentaje en peso en comparación con cualquier elemento metálico presente en el aditivo de materia prima.

22. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde el aditivo de materia prima comprende dicho estroncio y al menos otro elemento metálico para formar una cantidad total de elementos metálicos, en donde dicho estroncio comprende de 30 % en peso a 99 % en peso de la cantidad total de los elementos metálicos presentes.

23. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde el aditivo de la materia prima comprende dicho estroncio y al menos otro elemento metálico para formar una cantidad total de elementos metálicos, en donde dicho estroncio comprende de 80 % en peso a 99 % en peso de la cantidad total de los elementos metálicos presentes.

24. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde el al menos otro elemento metálico es calcio.

25. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde el aditivo de materia prima comprende estroncio y bario, y al menos otro elemento metálico es calcio.

26. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde una cantidad de dicho aditivo de materia prima es de 50 ppm a 1500 ppm de metal elemental como fracción con respecto a la cantidad total de materia prima.

27. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde una cantidad de dicho aditivo de materia prima es una cantidad que resulta en que el negro de humo tenga de 100 ppm a 7.000 ppm de estroncio elemental, bario, o ambos presentes en el negro de humo.

28. El método de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o siguiente, en donde el método forma dicho negro de humo que tiene una superficie y una estructura y en donde el reactor de negro de humo se opera a dicha OAC debida, al menos en parte, a la corriente de gas calentado y a una temperatura de la corriente de reacción, y dicha OAC es al menos 4 % menor para formar dicho negro de humo en comparación con un método que usa solamente calcio en la misma cantidad para dicho aditivo de materia prima pero que por lo demás es el mismo método.

29. Un negro de humo que tiene una superficie BET de nitrógeno (N2SA) de 800 m2/g a 2.500 m2/g y una concentración (ppm) de elementos del Grupo IIA en el negro de humo menor o igual a 4,3*N2SA-2150, en donde dichos elementos del Grupo IIA comprenden al menos estroncio, bario o una combinación de los mismos.

30. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde el negro de humo tiene una ceniza (%) que es < 0,0012*N2SA-0,24.

31. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde la N2SA es de 900 m2/g a 2.400 m2/g.

32. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde la N2SA es de 850 m2/g a 2.400 m2/g.

33. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dicha concentración (ppm) de elementos del Grupo IIA en el negro de humo es menor a 4,3*N2SA-2150.

34. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 95 % estroncio, bario o una combinación de los mismos.

35. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 30 % en peso de estroncio basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

36. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 50 % en peso de estroncio basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

37. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 99 % en peso de estroncio basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

38. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 30 % en peso de bario basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

39. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 50 % en peso de bario basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

40. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 99 % en peso de bario basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

41. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dicho negro de humo tiene una concentración de elementos del Grupo IA en el negro de humo de menos de 100 ppm.

42. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dicho negro de humo tiene una concentración de elementos del Grupo IA en el negro de humo de menos de 50 ppm.

43. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dicho negro de humo tiene una concentración de elementos del Grupo IA en el negro de humo de menos de 20 ppm.

44. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dicho negro de humo tiene una concentración de elementos del Grupo IA en el negro de humo de menos de 15 ppm.

45. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dicho negro de humo tiene una concentración de estroncio y/o bario de 100 a 7000 ppm.

46. El negro de humo de cualquier realización/atributo/aspecto anterior o posterior, en donde dicho negro de humo tiene una concentración de estroncio y/o bario de al menos 200 ppm.

La presente invención puede incluir cualquier combinación de estos diversos atributos o realizaciones anteriores y/o posteriores, como se establece en frases y/o párrafos. Cualquier combinación de los atributos divulgados en la presente se considera parte de la presente invención y no se contempla ninguna limitación con respecto a los atributos combinables.

La presente invención se aclarará aún más mediante los siguientes ejemplos, que se contemplan únicamente a modo de ejemplo de la presente invención. A menos que se indique lo contrario, todas las cantidades, porcentajes, relaciones y similares que se usan en la presente se expresan en peso.

Ejemplos

Ejemplo 1:

Preparación del negro de humo

Los negros de humo se prepararon en un reactor como el descrito anteriormente y mostrado en la FIGURA 2, usando una materia prima líquida con las propiedades indicadas en la Tabla 1 y las condiciones y geometría del reactor indicadas en la Tabla 2. Se empleó gas natural como combustible para la reacción de combustión. Se usó una solución acuosa de estroncio o bario o calcio (comparativo) o estroncio con calcio como aditivo de la materia prima, y se mezcló con una materia prima líquida antes de inyectarla en el reactor de la zona 3 (en referencia a la FIGURA 2). El estroncio, el bario y el calcio se usaron como soluciones acuosas del acetato metálico. La reacción se apagó con agua purificada por ósmosis inversa.

Tabla 1: Propiedades de la materia prima

Tabla 2: Geometría del reactor y condiciones fijas de operación

* nm3 se refiere a metros cúbicos normales, en donde “normal” se refiere al volumen de gas corregido a 25 °C y 1 atm [101,33 kPa] de presión.

** La combustión primaria se define como el porcentaje de oxígeno añadido a la zona de combustión 1 en comparación con la cantidad total de oxígeno necesaria para reaccionar estequiométricamente con el gas natural añadido a la zona de combustión 1.

T a b la 3: C o n d ic io n e s d e o p e ra c ió n p a ra los e je m p lo s d e ad ic ió n d e ca lc io

*** La combustión global se define como el porcentaje de oxígeno añadido a todo el reactor en comparación con la cantidad total de oxígeno necesaria para reaccionar estequiométricamente con todas las corrientes de combustible añadidas a todo el reactor.

Tabla 4: Condiciones de operación para los ejemplos de adición de calcio/estroncio

T a b la 5: C o n d ic io n e s d e o p e ra c ió n p a ra los e je m p lo s d e ad ic ió n d e e s tro n c io

Tabla 6 : Condiciones de operación para los ejemplos de adición de bario

Las Tablas 3, 4, 5 y 6 indican la superficie (superficie BET medida como se ha descrito anteriormente) y el contenido de calcio, estroncio y bario de los negros de humo. La cantidad de estos elementos del Grupo IIA presentes se midió por plasma acoplado inductivamente de la siguiente manera. Se calcinó una muestra de 5-10 mg usando un horno de mufla como se describe en ASTM D1506. La ceniza resultante se combinó con 2 mL de HCl concentrado, 0,5 mL de HNO3 concentrado y una pequeña cantidad de agua de calidad reactiva. La muestra se llevó posteriormente a 50 mL con itrio como patrón interno y agua de grado reactivo y se analizó usando un espectrómetro ICP-OES Agilent Modelo 5110.

Los resultados de las Tablas 3, 4, 5 y 6 se muestran en las FIGURAS 1A-B, 3 y 4. Las FIGURAS 1A y 1B son gráficas que representan la OAC (%) frente a la superficie de nitrógeno. Dado que tanto la OAC como la concentración de aditivos en la materia prima influyen en la superficie, cada concentración de aditivo usada en la materia prima se representa con su propio símbolo (cuadrados- 250 ppm (FIGURA 1A), triángulos- 700 ppm (FIGURA 1B), círculos- 1000 ppm (FIGURA 1A), rombos- 1500 ppm (FIGURA 1B)). Los símbolos rayados indican curvas de la ecuación OAC = [(1350 N2SA-244*ln(ppm de aditivo 1))/0,003]A(1/3,5) para cada concentración de aditivo. En la gráfica puede observarse que los negros de humo producidos con Sr (símbolos abiertos), Ba (símbolos cerrados) y mezclas de Sr y Ca (triángulos punteados) satisfacen sistemáticamente la ecuación OAC es < [(1350 N2SA-244*ln(ppm de aditivo 1))/0,003]<a>(1/3,5) y se sitúan en sus curvas correspondientes o por debajo de ellas (dependiendo de la concentración de aditivo). Por el contrario, los negros de humo producidos únicamente con Ca (círculos punteados y rombos) no satisfacen esta ecuación y se sitúan por encima de sus curvas correspondientes (dependiendo de la concentración de aditivo).

La FIGURA 3 es una gráfica que muestra la concentración total de elementos del Grupo IIA en el negro de humo con respecto a la superficie. Puede observarse en la gráfica que los negros de humo producidos con Sr o Ba (incluidas las mezclas Sr-Ca) presentan sistemáticamente una concentración del Grupo IIA (ppm) en CB menor a 4,3*N2SA-2150, mientras que los negros de humo producidos únicamente con Ca tienen cantidades más elevadas de elementos del Grupo IIA. Esta cantidad reducida de elementos del Grupo IIA se correlaciona con niveles más bajos de cenizas que pueden potenciar la conductividad del negro de humo y mejorar la apariencia y procesabilidad de los termoplásticos que contienen tales negros de humo. La FIGURA 4 es una gráfica que confirma la reducción de la concentración de cenizas. Puede observarse en la gráfica que los negros de humo producidos con Sr o Ba (incluidas las mezclas Sr-Ca) presentan sistemáticamente una concentración de cenizas (%) en CB menor a 0,0012*N2SA-0,24, mientras que los negros de humo producidos únicamente con Ca tienen niveles de cenizas más elevados.

Ejemplo 2

Los negros de humo se preparan en un reactor como el descrito anteriormente y mostrado en la FIGURA 2, usando una materia prima líquida con las propiedades indicadas en la Tabla 1 y las condiciones y geometría del reactor indicadas en la Tabla 2. El gas natural se emplea como combustible para la reacción de combustión. Se usa una solución acuosa de estroncio o calcio (comparativa) con potasio (como acetato de potasio) como aditivo de la materia prima, y se mezcla con una materia prima líquida antes de inyectarla en el reactor de la zona 3 (en referencia a la FIGURA 2). La reacción se apaga con agua purificada por ósmosis inversa.

Tabla 7: Condiciones de operación para los ejemplos de adición de potasio

Se espera que la variación de la cantidad de potasio en la materia prima tenga un efecto insignificante en la superficie del negro de humo, especialmente en comparación con el efecto de la adición de estroncio.

Ejemplo 3

Los negros de humo se preparan en un reactor como el descrito anteriormente y mostrado en la FIGURA 2, usando una materia prima líquida con las propiedades indicadas en la Tabla 1 y las condiciones y geometría del reactor indicadas en la Tabla 2. El gas natural se emplea como combustible para la reacción de combustión. Se usa una solución acuosa de acetato de estroncio y acetato de bario como aditivo de la materia prima, y se mezcla con una materia prima líquida antes de inyectarla en el reactor de la zona 3 (en referencia a la FIGURA 2). La reacción se apaga con agua purificada por ósmosis inversa.

Tabla 8 : Condiciones de operación para los ejemplos de adición de la mezcla de estroncio y bario

__________________________

Se espera que el uso de estroncio y bario en combinación a una tasa de combustión global de 36 % resulte en un negro de humo con un área superficial que satisfaga la ecuación OAC es < [(1350 N2SA-244*ln(ppm de aditivo 1))/0,003]A(1/3,5).

Los solicitantes incorporan específicamente a esta divulgación el contenido íntegro de todas las referencias citadas. Además, cuando una cantidad, concentración u otro valor o parámetro se da como un rango, rango preferente o una lista de valores preferentes superiores y valores preferentes inferiores, debe entenderse que se divulgan específicamente todos los rangos formados a partir de cualquier par de cualquier valor preferente o límite de rango superior y cualquier valor preferente o límite de rango inferior, independientemente de si los rangos se divulgan por separado. Cuando en la presente se menciona un rango de valores numéricos, a menos que se indique lo contrario, el rango está contemplado para incluir los extremos del mismo y todos los números enteros y fracciones dentro del rango. No se contempla que el alcance de la invención se limite a los valores específicos recitados al definir un rango. Se entiende además que para cualquier rango proporcionado en la presente, los rangos numéricos pueden ser “aproximadamente” estos rangos, y viceversa, cuando se proporciona un rango usando rangos “aproximadamente”, estos rangos pueden ser precisamente los rangos numéricos proporcionados. Cualquier combinación de realizaciones, y/o ingredientes y/o componentes y/o propiedades recitadas en la presente puede realizarse en la presente y se considera parte de la invención

Otras realizaciones de la presente invención serán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la consideración de la presente memoria descriptiva y la práctica de la presente invención divulgada en la presente. Se pretende que la presente memoria descriptiva y los ejemplos se consideren únicamente ejemplares, siendo el verdadero alcance y espíritu de la invención el indicado por las siguientes reivindicaciones y equivalentes de las mismas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para producir negro de humo, que comprende:

introducción de una corriente de gas calentado en un reactor de negro de humo;

combinación del al menos un aditivo de materia prima con al menos una materia prima de negro de humo para formar una mezcla de materia prima, en donde dicho aditivo de materia prima comprende estroncio o bario o una combinación de los mismos;

combinación del al menos dicha mezcla de materia prima a través del al menos un punto de introducción a dicho reactor de negro de humo con la corriente de gas calentado para formar una corriente de reacción en la que se forme negro de humo con una superficie de nitrógeno (N2SA) de 800 m2/g a 2.500 m2/g, en dicho reactor de negro de humo; y

2. Un método para producir negro de humo, que comprende:

introducción de una corriente de gas calentado en un reactor de negro de humo;

suministro del al menos una materia prima de negro de humo a al menos un punto de introducción de materia prima en el reactor de negro de humo;

3. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde la N2SA es de 900 m2/g a 2.400 m2/g.

4. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde dicha OAC es < [(1350 N2SA-244*ln(ppm de aditivo 1))/0,003]<a>(1/3,5).

5. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde la N2SA es de 850 m2/g a 2.400 m2/g.

6. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde la OAC es de 33,5 % a 46,5 %.

7. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde la OAC es de 33,5 % a 46,5 % y la N2SA es de 900 m2/g a 2.400 m2/g.

8. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde la OAC es de 33,5 % a 46,5 % y la N2SA es de 850 m2/g a 2.400 m2/g.

9. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde la OAC es de 33,5 % a 46,5 % y la N2SA es de 1000 m2/g a 2.400 m2/g.

10. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde dicho método comprende además la inyección de oxígeno cadena abajo del punto de introducción de la materia prima y cadena arriba de un enfriamiento.

11. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde el al menos un punto de introducción de materia prima son dos o más puntos de introducción de materia prima con al menos un punto de introducción de materia prima corriente abajo de al menos otro punto de introducción de materia prima.

12. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde dicho reactor de negro de humo comprende una zona de combustión, una zona de transición y una zona de reacción.

13. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde dicho reactor de negro de humo comprende una zona de combustión, una zona de transición, una sección de entrada cónica, una sección de entrada escalonada, una zona de reacción y una zona de enfriamiento.

14. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde el método se opera controlando al menos la cantidad de materia prima introducida de manera que una combustión global (OAC) sea de 33,5 % a 46,5 %.

15. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde un elemento del Grupo IA y/o calcio se introduce, en cualquier punto, en una cantidad menor a 500 ppm como fracción con respecto a la cantidad total de materia prima.

16. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde un elemento del Grupo IA y/o calcio se introduce, en cualquier punto, en una cantidad menor a 100 ppm como fracción con respecto a la cantidad total de materia prima.

17. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde un elemento del Grupo IA y/o calcio se introduce, en cualquier punto, en una cantidad menor a 10 ppm como fracción con respecto a la cantidad total de materia prima.

18. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde un elemento del Grupo IA se introduce, en cualquier punto, en una cantidad menor a 10 ppm basado en la cantidad total de materia prima y el calcio se introduce, en cualquier punto, en una cantidad menor a 10 ppm como fracción con respecto a la cantidad total de materia prima.

19. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde no se introduce ningún elemento del Grupo IA, en ningún punto, y no se introduce calcio, en ningún punto.

20. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde el al menos un aditivo de materia prima es un líquido acuoso que contiene una sal de estroncio y/o una sal de bario disuelta en el mismo.

21. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde el estroncio y/o el bario están presentes en el al menos un aditivo de la materia prima en el mayor porcentaje en peso en comparación con cualquier elemento metálico presente en el aditivo de la materia prima.

22. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde el aditivo de la materia prima comprende dicho estroncio y al menos otro elemento metálico para formar una cantidad total de elementos metálicos, en donde dicho estroncio comprende de 30 % en peso a 99 % en peso de la cantidad total de los elementos metálicos presentes.

23. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde el aditivo de la materia prima comprende dicho estroncio y al menos otro elemento metálico para formar una cantidad total de elementos metálicos, en donde dicho estroncio comprende de 80 % en peso a 99 % en peso de la cantidad total de los elementos metálicos presentes.

24. El método de la reivindicación 20 o 21, en donde el al menos otro elemento metálico es calcio.

25. El método de la reivindicación 20 o 21, en donde el aditivo de la materia prima comprende estroncio y bario, y el al menos otro elemento metálico es calcio.

26. El método de cualquier reivindicación anterior, en donde una cantidad de dicho aditivo de materia prima es de 50 ppm a 1500 ppm de metal elemental como fracción con respecto a la cantidad total de materia prima.

27. El método de cualquier reivindicación anterior, en donde una cantidad de dicho aditivo de materia prima es una cantidad que resulta en que el negro de humo tenga de 100 ppm a 7,000 ppm de estroncio elemental, bario, o ambos presentes en el negro de humo.

28. El método de cualquier reivindicación anterior, en donde el método forma dicho negro de carbón que tiene un área superficial y una estructura y en donde el reactor de negro de carbón se opera a dicha OAC debida, al menos en parte, a la corriente de gas calentado y a una temperatura de la corriente de reacción, y dicha OAC es al menos 4 % menor para formar dicho negro de carbón comparado con un método que usa solamente calcio en la misma cantidad para dicho aditivo de materia prima pero que por lo demás es el mismo método.

30. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde el negro de humo tiene una ceniza (%) que es < 0,0012*N2SA-0,24.

31. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde la N2SA es de 900 m2/g a 2.400 m2/g.

32. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde la N2SA es de 850 m2/g a 2.400 m2/g.

33. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dicha concentración (ppm) de elementos del Grupo IIA en el negro de humo es menor a 4,3*N2SA-2150.

34. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 95 % estroncio, bario o una combinación de los mismos.

35. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 30 % en peso de estroncio basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

36. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 50 % en peso de estroncio basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

37. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 99 % en peso de estroncio basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

38. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 30 % en peso de bario basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

39. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 50 % en peso de bario basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

40. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dichos elementos del Grupo IIA son al menos 99 % en peso de bario basado en el peso total de dichos elementos del Grupo IIA.

41. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dicho negro de humo tiene una concentración de elementos del Grupo IA en el negro de humo menor a 100 ppm.

42. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dicho negro de humo tiene una concentración de elementos del Grupo IA en el negro de humo menor a 50 ppm.

43. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dicho negro de humo tiene una concentración de elementos del Grupo IA en el negro de humo menor a 20 ppm.

44. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dicho negro de humo tiene una concentración de elementos del Grupo IA en el negro de humo menor a 15 ppm.

45. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dicho negro de humo tiene una concentración de estroncio y/o bario de 100 a 7000 ppm.

46. El negro de humo de la reivindicación 29, en donde dicho negro de humo tiene una concentración de estroncio y/o bario de al menos 200 ppm.