JP2007536407A - カーボンブラックおよびその多段製造法 - Google Patents

Abstract

多段反応でのカーボンブラックの製造法が記載されている。また、前記の製造法で形成されたカーボンブラックが記載されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーブラックおよびカーボンブラックの製造法に関する。
さらに詳しくは、本発明は特異な構造のカーボンブラックおよびいくつかの多段カーボンブラック形成法に関するものである。

本発明は、ゴムおよび樹脂の充填剤、顔料、および補強材などの多くの重要な用途を有するファーネスブラックのようなカーボンブラックの製造に関する。
一般的に、これらのカーボンブラックを製造するためのファーネス法は、カーボンブラックを製造するための密閉転化ゾーン内での天然ガスあるいは触媒分解炉循環原料油のような炭化水素原料のクラッキングおよび／又は不完全燃焼を伴う。転化ゾーンから出てくるガス中に同伴のカーボンブラックは次いでクエンチされ、そして適当なこの分野の慣用手段よって収集される。しかしながら、高構造で大きい表面積を有するカーボンブラックを製造するためには非常に高コストとなっていた。

マッケイらの米国特許第５１９０７３９号は、１つにはある一定の表面積においては標準よりも低い構造を有し、またある一定の総合的燃焼レベルにおいては標準よりも低い表面積を有するカーボンブラックの製法に関わる。この製法は、第一段の高温ガス流に第二の炭化水素源が加えられる多段炉の使用を含む。また、‘７３９特許の態様は低構造のカーボンブラックを製造するためのカリウムの使用を含む。しかしながら、‘７３９特許で使用される補助的な炭化水素の量は第一段における量よりも著しく少ない。さらに、‘７３９特許は補助的な炭化水素の導入時にさらなる燃焼を達成するために追加の燃料および／または酸素を任意的に使用することができる。さらに、‘７３９特許では第一原料が導入されるゾーンと補助的な原料が導入されるゾーンとの間には有意の温度のゾーン差がない。

チェンの米国特許第４３８３９７３号において、この特許は、反応炉の１つが高構造のカーボンブラック用であり第２の反応炉が低構造のカーボンブラック用である２つの連続したカーボンブラック反応炉を含む製法に関わる。‘９７３特許の１つの図面において、２つの反応炉は明らかに互いに連続して接続している。しかしながら、この製法においては、第二原料に追加の空気および燃料が導入されそして２つの原料導入ゾーン間には有意な温度差はない。さらに、完全にクエンチする前に起こるべき部分的にクエンチすることが全くない。さらに、‘９７３特許は第１と第２のカーボンブラック製造ゾーンの間にはクエンチすることが生起しないと、さらに高構造ゾーンに１０ｐｐｍ以上のカリウムを導入してよいと記載する。さらに、各原料導入ゾーンには高い燃焼が生起して、高構造の第１のカーボンブラックが形成されるゾーンと低構造のカーボンブラックが形成されるゾーンとの間には有意な温度のゾーン差は少しもないようである。

米国特許第４９７６９４５号において、構造を調整するためにカーボンブラック反応炉内でカリウムのようなアルカリ金属の種々の量を使用するカーボンブラックの製法が記載されている。‘９４５特許はアルカリ金属化合物および／またはアルカリ土類金属化合物が炭化水素出発原料に対して５００〜５００００ｐｐｍの量で加えられることを記載はする。‘９４５特許は、多段のカーボンブラックの製法には関わらないしまた完全にクエンチンすることの前に生起する部分的にクエンチすることを開示しない。さらに、‘９４５特許はアルカリ金属化合物はＤＢＰ吸収が多くても９０ｃｃ／１００ｇであるカーボンブラックの製造に特に効果的であると記載する。

グラベリーらの米国特許第４８２２５８８号は、それらが連続して接続している第１反応ゾーンと第２反応ゾーンとを有するカーボンブラック反応炉に関わる。この製法においては、第２段で、第２の反応混合物を形成するために追加の炭素質原料が導入される。この製法において、第１の反応ゾーンでは目標はカーボンブラックを実質的に形成しないことであった。同様に、この製法はアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属を使用することはなかった。

従って、増大した表面積を有し改良されたあるいはより高い構造を示すカーボンブラックの新規でかつ改良された製造法を提供する必要性がある。
全体を通して言及された特許および刊行物は参照することによりその全体が本特許に組み込まれる。

従って、大きな表面積と高構造を有するカーボンブラックの製造法を提供することが本発明の１つの特徴である。
本発明の他の特徴は、コスト効率のよいカーボンブラックの製造法を提供することである。

本発明の付加的な特徴および利点は、以下の記述の中である程度は説明されるであろうし、またその記述からある程度は明らかであろうし、あるいは本発明の実施によって分かるであろう。本発明の目的および他の利点は、この明細書の記述および請求項に特に指摘される原理および組み合わせを用いて実現されまた達成されるであろう。

ここに具体化されかつ広義に記載されているように、これらのおよび他の利点を達成するためかつ本発明の目的に従って、本発明はカーボンブラック製品の製造法に関する。
この製造法は、カーボンブラック反応炉の第１段にカーボンブラック生成原料を導入することおよび実質的に第１のカーボンブラックでありそして任意的に副生物である前駆体を形成するためにこの原料を高温ガス流と混合することを含む。次いで、その後に、第１のカーボンブラックを含む反応流を少なくとも部分的にクエンチするために第２のカーボンブラック生成原料が前記の前駆体に導入され、そしてその後、この製造法はカーボンブラック製品を形成するために完全にクエンチすることを含む。

本発明はさらに、カーボンブラック反応炉の第１段にカーボンブラック生成原料を導入することおよび前駆体を形成するためにこの原料を高温ガス流と混合することを含むカーボンブラック製品の製造法に関する。前記の前駆体は第１のカーボンブラックを含む。次に、この製造法においては、第２のカーボンブラック生成原料が前記の前駆体に導入されるが、この第２のカーボンブラック生成原料は全製造工程の間に使用されるカーボンブラック生成原料の全重量の少なくとも１５重量％を含む。

さらに、本発明は、カーボンブラック反応炉の第１段に第１のカーボンブラック生成原料を導入することおよび第１のカーボンブラックを含む前駆体を形成するためにこの原料を高温ガス流と混合することを含むカーボンブラック製品の製造法に関する。次に、この製造法においては、第２のカーボンブラック生成原料が前記の前駆体に導入されるが、前記の前駆体の形成後は少しの酸化源および燃料源も導入されない。

さらに、本発明は、第１の温度ゾーンにおいて第１のカーボンブラックを含む前駆体を形成することおよび、次いでクエンチゾーンの前の第２の温度ゾーンにおいてこの前駆体からカーボンブラック製品を形成することを含むカーボンブラック製品の製造法に関する。第１の温度ゾーンと第２の温度ゾーンとは２００℃以上の温度差がある。

これらの各製造法において、製造法では製造工程の１つ以上の区域で少なくとも１つのＩＡ族又はＩＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料の導入を含むことができる。

同様に、本発明は、ＩＡ族又はＩＩＡ族の元素の全含有量が約５０〜約５０００ｐｐｍであって、ＤＢＰ範囲が約３０〜約１５０ｃｃ／１００ｇであるカーボンブラックに関する。前記のカーボンブラックは、浸出し得るＩＡ族又はＩＩＡ族の元素の含有量、空隙率、および約１０〜約１８０ｍ^２／ｇのｔ−面積（ｔ−area）のような好ましいｔ−面積を、限定はされないが含む他の物理的あるいは化学的な特性を有することができる。

前述の一般的な記述および次の詳細な記述はいずれも、例示的であって説明のためのみであり、請求の範囲に記載された本発明の更なる説明を提供することを意図していると理解すべきである。

本発明は、カーボンブラック製品の種々の製造法だけでなくカーボンブラック製品にも関する。好適な態様において、カーボンブラック製品の製造法は多段のカーボンブラック反応炉を使用することを含む。さらに好ましくは、多段反応炉はほとんどの場合少なくとも２種の原料（例えば、２種、３種、４種、あるいはさらに多い種の原料）が存在する少なくとも２段（２、３、４、あるいはそれより多い段）を有する。カーボンブラック製品は好適にはファーネスブラックである。

より詳細には、本発明の１つの態様において、本発明はカーボンブラック反応炉の第１段にカーボンブラック生成原料を導入することを含むカーボンブラックの製造法に関する。前駆体を形成するためにカーボンブラック生成原料は高温ガスと混合される。前駆体は第１のカーボンブラックであるかあるいは少なくとも第１のカーボンブラックを含む。次いで、その後に第２カーボンブラック生成原料が第１段の下流のカーボンブラック反応炉中に導入され、そしてこの第２カーボンブラック生成原料は好適には第１段で形成された前駆体の存在下に導入される。この方法においては、第２カーボンブラック生成原料が生じている反応を少なくとも部分的にクエンチする。その後、完全なクエンチがそこでは下流で生じる可能性があり、カーボン形成反応が完全に止まるかあるいはクエンチされてカーボンブラック製品がる形成される。

この明細書に述べられる他の方法はもちろんこの方法の目的のために、多段カーボンブラック反応炉は米国特許第４３８３９７３号、米国特許第５１９０７３９号、米国特許第５８７７２５１号、米国特許第６１５３６８４号、あるいは米国特許第６４０３６９５号に記載されるような反応炉を使用することができ、これらの米国特許は参照することによりその全体が本特許に組み込まれる。それ故、本発明は多段ファーネス法を用いることができる。

カーボンブラック生成原料は、カーボンブラックを形成させる通常使用されるカーボンブラック生成原料はどれも使用することができる。例えば、炭化水素材料はどれも使用できる。反応条件下で容易に蒸発させることが可能であるカーボンブラック生成炭化水素原料はどれも適した原料であり得る。例えば、アセチレン、エチレン、プロピレン、ブチレンなどのオレフィン、ベンゼン、トルエンおよびキシレンのような芳香族類、ある種の飽和炭化水素、およびケロシン、ナフタリン、テルペン、エチレンタール、芳香族類運転在庫品などを使用することができる。

カーボンブラック生成原料と混合される高温ガス流については、固体、液体および／または気体の燃料を限定はされないが例えば空気、酸素、空気と酸素との混合物等の適した酸化体流と接触させることによって形成することができる高温燃焼ガスと見なすことができる。その代わりに、液体あるいは気体の燃料を加えないで予熱酸化体を通過させてもよい。高温ガスを形成するために酸化体流を接触させるのに好適な燃料の例としては天然ガス、水素、一酸化炭素、メタン、アセチレン、アルコール、あるいは灯油などの容易に可燃性のガス、蒸気あるいは液体の流れはどれもが含まれる。通常は、炭素含有成分の含有量の高い燃料、そして特に炭化水素を使用することが好ましい。空気対本発明のカーボンブラックを生成するために用いられる燃料の割合は約１：１（化学量論比）〜無限大であってよい。上述のごとく、高温ガスの形成を促進するために酸化体流は予熱してもよい。

多段反応炉の使用を通じのカーボンブラックを形成しかつカーボンブラックを形成するために適した高温ガスを得る一般的な方法は、ここに参照することにより本特許に組み込まれそしてここに記載される変形とともに本発明に適用され得る上記に特定されて参照される特許に記載される。本発明の１つの態様において、好適には第１カーボンブラック生成原料の導入後に、無水冷却、高温ガスとカーボンブラック生成原料との急速混合、および／又は短い混合距離などによる高温の維持によって表面積は最大化される。

本発明は適したカーボンブラック製造用反応炉はどれでも使用して実施することができる。例えば、図１はそのような反応炉の１例の断面図を示す。通常、この種の反応炉は空気のような酸化体と混合される燃焼ガスが必要である。通常、ガス混合物は燃焼室中に導入され、そして任意の適した方法で着火される。ガス流は図１の左から右（Ａ方向）である。一度着火されると、高温ガス混合物は、反応炉を移動させることができ、そしてカーボンブラック製造に適した炭化水素原料と接触させられる。図１において、そして単に１例として、燃料は位置１で導入することができそして酸化体は位置２で導入することができる。他の位置も可能である。

第１の位置３（１箇所以上）は第１カーボンブラック生成原料の導入位置の一例である。第２および第３の位置３は第２のカーボンブラック生成原料の導入位置の例である。位置４は水のような部分クエンチ剤に適した位置の一例である。位置５は完全クエンチに適した位置の一例である。平行な２つの線は反応炉が任意の長さであり得ることを示す。種々のＤ数は反応炉の種々の長さを示す。Ｄ１〜Ｄ８は、任意の適した直径であり得て、そして同一でも異なってよい。例えば、Ｄ２はＤ１およびＤ８より小さくてもよく、Ｄ１とＤ８は同一でも異なってよい。ゾーンＬ１又はゾーンＬ２は第１温度ゾーンの例であり、そしてゾーンＬ３は第２温度ゾーンの例である。もし部分クエンチ剤が例えば位置４で使用されると、そのときは第１温度ゾーンは典型的にはＬ１である。

通常は、カーボンブラック生成原料は図１に示される複数の流れ３（Ｌ２内の）によって反応炉中に投入することができ、この複数の流れ３は高温燃焼ガスとカーボンブラック生成原料の混合およびせん断の高速化を保証するために高温燃焼ガス流の内部領域中に浸透する。このことが、原料が速やかにかつ完全に分解しそして第１のカーボンブラック材に転換することを保証する。

ここに記載される製造法において形成される前駆体は第１のカーボンブラックを含み、かつ不使用の燃料や酸化体あるいは燃焼生成物などの他の成分を含んでもよく、限定はされないが例えば無機材料、金属、塩、および金属酸化物などの他の成分も同様に含んでもよい。先ず、前駆体はカーボンブラック生成物である。例えば、前駆体の８０〜９９重量％そして、より好ましくは９５重量％〜９９重量％あるいはそれより多い（例えば、１００重量％）がカーボンブラックである。

それに続いて、第１のカーボンブラックを含む前駆体への第２カーボンブラック生成原料の導入に関して、この第２カーボンブラック生成原料は第１段からまだ存在している反応を少なくとも部分的にクエンチする量を第１段の下流に加えられる。本発明の目的のために、反応の部分的クエンチとはこの第２カーボンブラック生成原料の導入が反応を完全にクエンチしないが反応の一部をクエンチすることを意味する。好適には、第２カーボンブラック生成原料の導入は反応を完全にはクエンチしない。第２カーボンブラック生成原料は第１段で導入されたカーボンブラック生成原料と同種の原料であっても違う種の原料であってもよい。

上記に特定される特許で前駆体の調製に用いることができる種々のカーボンブラック形成条件および出発量が提供される。
どちらかの段に導入されるカーボンブラック生成原料は単一流あるいは複数流のような任意の通常の方法で導入してよく、そして原料の導入は任意の速度で起こりえる。複数流を用いる場合、各流れの速度は同一でも異なってもよい。

好適には、その後の前駆体へのカーボンブラック生成原料の投導入は複数の流れによって行われる。第２カーボンブラック生成原料を導入できる任意の方法を用いることができる。
高温燃焼ガスとカーボンブラック生成原料との混合物がクエンチされて後、冷却されたガスはカーボンブラックが回収される任意の通常の冷却さらに分離手段中へ下って通る。ガス流からのカーボンブラックの分離は集塵器、サイクロン分離器あるいはバグフィルターのような標準となった手段によって容易に達成される。最終のカーボンブラック製品を形成するために反応を完全にクエンチすることに関して、第２カーボンブラック生成原料の下流での反応をクエンチするために標準となった任意の手段を用いることができ、そしてその手段は当業者に知られる。例えば、水あるいは化学反応を停めるために適した他の流体であってよいクエンチする流体を投入することができる。

本発明の１つの態様において、この方法は周期律表のＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素（あるいはそのイオン）の少なくとも１種であるか１種を含む少なくとも１種の材料を導入することをさらに含む。好適には、前記の材料は少なくとも１種のアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属を含む。リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、カルシウム、バリウム、ストロンチウム、あるいはラジウム、あるいはそれらの結合物が例に含まれる。

これらの成分の任意の１種以上が材料中に存在してもよい。材料は固体、溶液、分散体、ガスあるいはこれらの任意の組み合わせでありえる。同種あるいは異種のＩＡ族あるいはＩＩＡ族の金属を有する１種以上の材料を用いることができる。もし複数の材料を用いるときは、材料は一緒に、別々に、逐次的に、あるいは異なった反応位置に加えることができる。本発明の目的のために、前記の材料は、金属（あるいは金属イオン）自体、１種以上のこれらの元素を含有する塩を含めて１種以上のこれらの元素を含有する化合物などでありえる。

好適には、前記の材料は、カーボンブラックを形成中である反応中に金属あるいは金属イオンを導入することが可能である。本発明の目的のためには、前記材料は好適には上記の完全にクエンチする前に導入される。例えば、前記の材料は、第１段のカーボンブラック生成原料導入の前を含めて、第１段のカーボンブラック生成原料導入の間、第１段のカーボンブラック生成原料導入の後、前駆体への２回目のカーボンブラック生成原料導入の前かその間か又は直後に、あるいは２回目のカーボンブラック生成原料導入後の任意の段階で但し完全なクエンチ前などの、完全なクエンチ前の任意の位置で加えることができる。前記材料の導入は１つ以上の位置を用いることができる。好適には、前記材料の導入は２回目のカーボンブラック生成原料導入の前および／又は第１段のカーボンブラック生成原料導入の間あるいは直後である。

前記のＩＡ族あるいはＩＩＡ族の金属含有材料の量は、カーボンブラック製品を形成することができる限り任意の量であり得る。例えば、前記材料の量は、最終的に形成されるカーボンブラック製品中に２００ｐｐｍ以上のＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素が存在しているような量で加えることができる。形成されるカーボンブラック中のＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素の他の量は約２００ｐｐｍ〜約５０００ｐｐｍを含み、また他の範囲は約３００ｐｐｍ〜約１０００ｐｐｍ又は約５００ｐｐｍ〜約１０００ｐｐｍであってよい。

これらの水準は金属イオン濃度に関してあり得る。記載のように、これら形成されるカーボンブラック製品中に存在するＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素の量は、ＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素の１元素以上についてありえて、従って形成されるカーボンブラック製品中に存在するＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素の総計量であるほうがよい。前記材料は任意の標準となった方法を含めて任意の方法で加えることができる。言い換えれば、前記材料はカーボンブラック生成原料が導入されるのと同じ方法で加えることができる。前記材料はガス、液体、あるいは固体、又はそれらを任意に組み合わせて加えることができる。前記材料は１つの位置あるいはいくつかの位置で加えることができ、また単一流としてあるいは複数流として加えることができる。前記材料はそれらの導入前あるいは導入の間に原料、燃料、および／又は酸化体と混ぜ合わせることができる。

原料中に例えばカリウムのようなＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素の少なくとも１種を含有する材料を導入できる１つの方法は原料中への前記材料の混入による。燃焼で、金属イオンはカーボンブラック中に均一に混入されるに至る。金属イオンの投入が個々のカーボンブラック間の反発力をもたらす。この反発力が粒子を凝集させないように、従ってカーボンブラックの全体構造を低下させないようにすることができる。

前から存在するカーボンブラック粒子への追加の原料の適用は、原料のカーボンブラックへの反応が止まるまで何回でも繰り返してもよい。追加の原料が加えられるたびに、全反応混合物の温度は次第に低くなり、そしてカーボンブラックの粒子径が大きくなる。この方法では原料はカーボンブラックを冷却するためのクエンチ剤として作用する。

本発明の他の態様において、本発明はカーボンブラック生成原料が第１段で導入されそして前駆体を形成するために高温ガス流と混合されるカーボンブラックの製造法に関する。さらに、その後に第２のカーボンブラック生成原料が前駆体に対して下流に導入される。それ故、この時点までは、この方法は上記の態様と同じであり、従って同じ条件と例がこの方法に適用されるほうがよい。

さらに、この方法において、第２のカーボンブラック生成原料は全工程の間に使用されるカーボンブラック生成原料の全量の内の少なくとも１５重量％を含む。第２のカーボンブラック生成原料は全工程の間に使用されるカーボンブラック生成原料の全量の内の約１５重量％〜約８０重量％を含んでよい。他の範囲は全工程の間に使用されるカーボンブラック生成原料の全量の内の約２５重量％〜約７０重量％あるいは約３０重量％〜約６０重量％を含む。

前記の第２のカーボンブラック生成原料の投入は２つ以上の部分、あるいはこれらの複数の部分が第１の部分から下流であってよい２つ以上の段で導入してよい。この点がカーボンブラック生成原料のその後のどんな投入も１０重量％以下のような非常に少量である従前の多段方法と全く異なる。この多量の第２のカーボンブラック生成原料が後述するように有益なカーボンブラック製品に至るのである。同様に、このカーボンブラックの量が起こっている反応の部分的なクエンチに役立ち得る。

最初に記載した方法でのように、ＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素か又はそのイオンを含む材料は上記と同様の方法で加えることができる。これら上述の詳細はここで同様に適用される。

本発明の他の態様において、本発明は第１および第２の上述の方法に関してのように第１のカーボンブラック生成原料が第１段で導入されそして前駆体を形成するために高温ガス流と混合されるカーボンブラックの製造法に関する。次いで、第２のカーボンブラック生成原料が前駆体に導入されるが、この方法においては前駆体の形成後には酸化源および燃料源は決して導入されない。それ故、この方法において、いくらかの酸化源および／または燃料源は第１のカーボンブラック生成原料の導入前あるいは第１のカーボンブラック生成原料の導入の間にのみ導入される。かさねて、この点が、典型的には、第２のカーボンブラック生成原料が導入されると第２のカーボンブラック生成原料の十分な熱分解を促進するために十分な燃料および酸化源が加えられる従前の方法と全く異なる。さらに、従前の方法でと同様に、少なくとも１種のＩＡ族あるいはＩＩＡ族の金属含有材料を上述と同様の方法で導入してよく、これらの詳細もこの方法で同じく適用される。

本発明の他の態様において、本発明は第１のカーボンブラックを含む前駆体がカーボンブラック反応炉の第１温度ゾーンで形成され、そして次いでカーボンブラック生成原料がこの前駆体に導入されうるカーボンブラックの製造法に関する。この方法は、次いでクエンチゾーンの前に位置する第２温度ゾーンでのカーボンブラックの形成を含む。この方法において、第１温度ゾーンおよび第２温度ゾーンは２００℃以上の温度差、好ましくは３００℃以上の温度差を有する。前記の温度差に関する適した範囲は、例えば約２００℃〜約９００℃あるいは約４００℃〜約７００℃であり得る。

温度差に関する他の温度範囲を用いることができる。一般的に、温度差に関して、第１温度ゾーンはより高い温度であり第２の温度ゾーンはより低い温度であり、それ故にこのことは好適な態様に過ぎないが温度差を生じさせる。温度の差異は、燃焼ガスの更なる導入を一切避けるかあるいは第２温度ゾーンにおける燃焼ガスの形成を避けるか最小にするかのようなあらゆる方法で達成することができる。この温度の差異を達成するための他の手段を用いることができる。

さらに、前の態様のように、ＩＡ族あるいはＩＩＡ族の金属含有材料を用いそして上記と同様の方法で導入することができ、上に記載のような詳細はここでも等しく適用される。好適には、ＩＡ族あるいはＩＩＡ族の金属含有材料は第１の温度ゾーンあるいは少なくともクエンチゾーンの前で導入される。選択肢として、ＩＡ族あるいはＩＩＡ族の金属含有材料は前駆体の形成の間、あるいは前あるいはその間とその前の両方で導入することができる。加えて、この方法において、カーボンブラック生成原料を前駆体に導入することができる。

上記方法に関して、単一の方法にこの方法の１つ以上の態様を用いることができる。例えば、第２のカーボンブラック生成原料を部分的にクエンチするために用いることができ、かつ第１と第２の温度ゾーン差異は２００℃以上でありえる。ここに述べたような方法の態様のどのような組み合わせも兼ね備えることができる。

第１の温度ゾーンと第２の温度ゾーンに関して２００℃以上の温度差の達成を含む態様において、およびここに記載の他の態様において、第２のカーボンブラック生成原料が導入される温度ゾーンあるいはゾーンと比べた第１のカーボンブラック生成原料が導入される温度ゾーンあるいはゾーンとの間の温度を減じるためのどのような方法も用いることができる。例えば、第２のカーボンブラック生成原料が導入されるかその後の反応炉（あるいはその一部）の周りにウォータージャケットを用いることができる。別の方法ではあるいは組み合わせて、水蒸気をここで導入することができる。加えてあるいは別の方法では、第２のカーボンブラック生成原料が導入されるがその後の位置に温度の低下を達成するために窒素、水、あるいは他の適したクエンチ剤のような他のクエンチ剤を用いることができる。好適には、本発明のいずれの態様においても、第１温度ゾーンにおいてはウオータージャケットあるいは他のクエンチする装置あるいは手段は一切なく、好適には第２のカーボンブラック生成原料の導入の直前、その間あるいは導入直後に何らかのそのようなクエンチが起こる。

さらに、上記の方法に関して、好適には、第１のカーボンブラック生成原料が導入される第１段における目標は表面積を最大化することである。例えば、第１段において、ＢＥＴに基いて約１００〜約４００ｍ^２／ｇのような大きい表面積を達成するために操作される。

本発明の１つの態様において、前駆体を形成する第１のカーボンブラック生成原料は蒸発して前駆体を覆うその後のカーボンブラック生成原料によって結局は表面を覆われる。

有益なカーボンブラックを形成することができ、例えば、約５０〜１５０ｐｐｍのＩＡ族あるいはＩＩＡ族の全金属含有量を有し、約１２０〜約１５０ｃｃ／１００ｇのＤＢＰ範囲を有するカーボンブラックを形成することができる。他のＤＢＰ範囲は、約１００〜約５００ｐｐｍのＩＡ族あるいはＩＩＡ族の全金属含有量を有し約９０〜約１２０ｃｃ／１００ｇのＤＢＰ範囲、約２００〜約１０００ｐｐｍのＩＡ族あるいはＩＩＡ族の金属含有量を有し約６０〜約９０ｃｃ／１００ｇのＤＢＰ範囲、約５００〜約５０００ｐｐｍのＩＡ族あるいはＩＩＡ族の全金属含有量を有し約３０〜約６０ｃｃ／１００ｇのＤＢＰ範囲を含む。

本発明のカーボンブラックは浸出可能な量のＩＡ族あるいはＩＩＡ族の金属を有することができる。例えば、カーボンブラックは存在しているＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素の約２０重量％以下、そしてさらにより好適には１５重量％以下、１０重量％以下、５重量％以下、１重量％以下、１／２重量％以下の浸出可能な量のＩＡ族あるいはＩＩＡ族の金属を有することができる。範囲は、約０〜約２０重量％、又は約０．２５〜約１０重量％を含むが、限定されない。前記の浸出可能な量はカーボンブラックのソックスレー抽出法、それに続くＡＳＴＭ法のＤ４５２７、Ｃ８７１あるいはＥＰＡ法のＳＷ８−１３１１およびＳＷ８−１３１２と概念が似ているカリウム抽出水の分析によって決めることができる。

前記のカーボンブラックは、ＢＥＴ表面積（ｍ^２／ｇで）対ｔ−面積（ｍ^２／ｇで）の比が０．９〜１．５のような１．５以下で有り得る。一般的に、好適には、本発明のカーボンブラックは低い程度の微細孔性を有する。同様に、本発明のカーボンブラックは約１０ｍ^２／ｇ〜約１８０ｍ^２／ｇのｔ−面積を有してよい。他の範囲は約３０ｍ^２／ｇ〜約１５０ｍ^２／ｇおよび約５０ｍ^２／ｇ〜約１２０ｍ^２／ｇを含む。一般的に、本発明のカーボンブラックは大量のシリカを含有しない。

本発明のカーボンブラックは、ゴム製品、タイヤ、インク、インクジェット、トナー、ガス拡散電極、塗料、樹脂、ポリマーなどの標準となったカーボンブラックが用いられるどのような製品にも用いることができる。
本発明は、本発明の単に例となる以下の実施例によってさらに明らかになるであろう。

実施例
パイロットプラントで、本発明のカーボンブラックの１つの態様を調製した。この方法では、図１に示されそして米国特許第６４０３６９５号に示される設計図と類似した設計図を有するカーボンブラック反応炉を用いた。実施例１〜７は表１に概説される。各例において、酸素豊富な燃焼反応の合計４０％になる第１燃焼１４０％を用いた。燃焼反応用の第１燃料は天然ガスであり反応炉には流れ１で導入した。カーボンブラック形成方法に供給された天然ガスはほぼ室温で約７７°Ｆであった。使用した液体原料は米国特許第５１９０７３９号に載せられた典型的な特性を有する市販の原料であった。

この方法において、第１の燃焼によって形成された高温ガス流の存在下、第１段に第１のカーボンブラック含有原料が導入された。第１のカーボンブラック生成原料が表１に示される量を変化させて、工程に導入された。一旦第１段で第１のカーボンブラック生成原料が第１のカーボンブラックを含有する前駆体を形成するために高温ガス流と混合されると、次いでその後に第２のカーボンブラック生成原料が川下に投入された。この第２のカーボンブラック生成原料は酸化源および燃料源を一切伴わないで導入され、そしてクエンチゾーンの前で導入された。

実施例５において、２つの原料投入の間で１００ｋｇ／ｈｒの量の水を投入した。この水は加圧噴霧器を使用して微細スプレーとして導入された。
実施例６において、第２のカーボンブラック生成原料は２つの等量に分けた。第１の部分は表１に示すように図１のＬ１に導入した。２番目の部分は１ｍ下流に導入した。
第１のカーボンブラック生成原料の導入の間に、前駆体がカリウム含量を有するように量を変えたカリウムアセテート溶液の形態のカリウムが導入された。

次いで、本発明のカーボンブラック製品を形成するために第２のカーボンブラック生成原料の川下への水により、前記の反応において形成されたカーボンブラックは完全にクエンチされた。形成されたカーボンブラックは表１に示されるｔ−面積、ＢＥＴ表面積およびＤＢＰ吸着を有した。

出願人は、すべての引用例はその全体をこの記載に組み込む。さらにある範囲、好適な範囲、あるいは好ましい上限値および好ましい下限値のリストとして、量、濃度、あるいは他の値あるいはパラメーターが与えられるときは、範囲が分けて記載されているか否かにかかわらずこれは任意の上限あるいは好適な大きい値と任意の下限あるいは好適な小さい値から形成されるあらゆる範囲を特に開示していると理解されるべきである。ここで数値の範囲が列挙され、その他の点では記述されていなければ、その範囲は範囲内のその端点、およびすべての整数および分数を含むことを意図している。範囲を規定するときに列挙された特別な値に本発明の範囲が限定されることを意図していない。

本発明の他の態様は、本明細書を考慮しかつここに開示された本発明を実施すれば当業者には明らかであろう。本明細書および実施例は特許請求の範囲の請求項などに示されている本発明の真の範囲および精神を持つ典型的であるに過ぎないと理解されるべきである。

図１は、本発明において使用されうるカーボンブラック反応炉の断面図である。

Claims (53)

1. 反応炉の第１段にカーボンブラック生成原料を導入しそして反応流中で実質的に第１のカーボンブラックからなる前駆体を形成するために高温ガス流と混合すること、そして次に、その後、第１のカーボンブラックを含む反応流を部分的にクエンチするために前記の前駆体に第２のカーボンブラック生成原料を導入すること、そしてその後カーボンブラック製品を形成するために完全にクエンチすることを含むカーボンブラック製品の製造法。
2. さらに、前記第２のカーボンブラック生成原料の導入の前に少なくとも１つのＩＡ族又はＩＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項１に記載の製造法。
3. さらに、前記完全にクエンチすることの前に少なくとも１つのＩＡ族又はＩＩＡ族の元素を含有する物質を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項１に記載の製造法。
4. さらに、前記第２のカーボンブラック生成原料の導入の前に少なくとも１つのＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項１に記載の製造法。
5. さらに、前記完全にクエンチすることの前に少なくとも１つのＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項１に記載の製造法。
6. さらに、前記第２のカーボンブラック生成原料の導入の前に少なくとも１つのＩＡ族又はＩＩＡ族の元素をカーボンブラック製品中に２００ｐｐｍ以上となるに十分な量で含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項１に記載の製造法。
7. 前記量が５００ｐｐｍ以上である請求項６に記載の製造法。
8. 前記ＩＡ族元素がカリウムを含む請求項５に記載の製造法。
9. 前記ＩＡ族元素がカリウムである請求項５に記載の製造法。
10. 第１段でカーボンブラック生成原料を導入しそして第１のカーボンブラックを含む前駆体を形成するために高温ガス流と混合すること、そして次に、第２のカーボンブラック生成原料を前記の前駆体に導入すること、その際にこの第２のカーボンブラック生成原料は製造工程の間に使用されるカーボンブラック生成原料の全重量の少なくとも１５重量％を含むこと、そしてさらに少なくとも１つのＩＡ族又はＩＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を前記カーボンブラック製品の形成前に導入することを含むカーボンブラック製品の製造法。
11. 前記第２のカーボンブラック生成原料が２つ以上の部分に分割して加えられる請求項１０に記載の製造法。
12. さらに、少なくとも１つのＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を前記カーボンブラック製品の形成前に導入することを含む請求項１０に記載の製造法。
13. 前記ＩＡ族元素がカリウムを含む請求項１２に記載の製造法。
14. 前記ＩＡ族元素がカリウムである請求項１２に記載の製造法。
15. 前記材料が前記第２のカーボンブラック生成原料の導入の間あるいは前に導入される請求項１０に記載の製造法。
16. 前記材料が前記第２のカーボンブラック生成原料の導入の前に導入される請求項１０に記載の製造法。
17. 第１段で第１のカーボンブラック生成原料を導入することそして第１のカーボンブラックを含む前駆体を形成するために高温ガス流と混合すること、そして次に第２のカーボンブラック生成原料を前記の前駆体に導入すること、その際に前記の前駆体の形成後は少しの酸化源および燃料源も導入されないこと、そしてさらに少なくとも１つのＩＡ族又はＩＩＡ族の元素を含む材料を導入することを含むカーボンブラック製品の製造法。
18. 前記第２のカーボンブラック生成原料導入の間あるいは前に、さらにＩＡ族の元素の少なくとも１種を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項１７に記載の製造法。
19. さらに、前記前駆体の形成の間あるいは前にＩＡ族の元素の少なくとも１種を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項１７に記載の製造法。
20. さらに、前記前駆体の形成の間あるいは前に少なくとも１つのＩＡ族又はＩＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項１７に記載の製造法。
21. 前記ＩＡ族元素がカリウムを含む請求項１７に記載の製造法。
22. 前記ＩＡ族元素がカリウムである請求項１７に記載の製造法。
23. 第１温度ゾーンで実質的に第１のカーボンブラックからなる前駆体を形成することそして次いでカーボンブラック生成原料を前記前駆体に導入することそしてクエンチゾーンの前の第２温度ゾーンでカーボンブラック製品を形成することを含み、その際に第１温度ゾーンおよび第２温度ゾーンは２００℃以上の温度差（Δ）を有するカーボンブラック製品の製造法。
24. 前記温度差が３００℃以上である請求項２３に記載の製造法。
25. 前記温度差が２００℃〜約９００℃である請求項２３に記載の製造法。
26. 前記温度差が約４００℃〜約７００℃である請求項２３に記載の製造法。
27. 前記温度差が、前記第１温度ゾーンと第２温度ゾーンの間で冷却ジャケット、水スプレー、および／又は蒸気によって少なくとも一部分は得られる請求項２３に記載の製造法。
28. 前記前駆体の形成と前記カーボンブラック生成原料の導入の間にクエンチが一切生じない請求項２３に記載の製造法。
29. さらに、前記クエンチゾーンの前に少なくとも１つのＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項２３に記載の製造法。
30. さらに、前記クエンチゾーンの前にＩＡ族又はＩＩＡ族の元素の少なくとも１種を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項２３に記載の製造法。
31. さらに、前記第１温度ゾーンで少なくとも１つのＩＡ族又はＩＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項２３に記載の製造法。
32. さらに、前記前駆体の形成の間に少なくとも１つのＩＡ族又はＩＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項２３に記載の製造法。
33. さらに、前記前駆体の形成の前に少なくとも１つのＩＡ族又はＩＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項２３に記載の製造法。
34. さらに、前記第１の温度ゾーンで少なくとも１つのＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項２３に記載の製造法。
35. さらに、前記前駆体の形成の間に少なくとも１つのＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項２３に記載の製造法。
36. さらに、前記前駆体の形成の前に少なくとも１つのＩＡ族の元素を含む少なくとも１種の材料を導入することを含む請求項２３に記載の製造法。
37. 前記材料が塩である請求項２に記載の製造法。
38. 前記材料が溶液である請求項２に記載の製造法。
39. 前記材料が少なくとも１つのＩＡ族又はＩＩＡ族の元素を含む化合物である請求項２に記載の製造法。
40. 約５０〜約１５０ｐｐｍのＩＡあるいはＩＩＡ族の全元素含有量を有し、約１２０〜約１５０ｃｃ／１００ｇのＤＢＰ範囲を有するか、あるいは
    約１００〜約５００ｐｐｍのＩＡあるいはＩＩＡ族の全元素含有量を有し、約９０〜約１２０ｃｃ／１００ｇのＤＢＰ範囲を有するか、あるいは、
    約２００〜約１０００ｐｐｍのＩＡあるいはＩＩＡ族の全元素含有量を有し、約６０〜約９０ｃｃ／１００ｇのＤＢＰ範囲を有するか、あるいは
    約５００〜約５０００ｐｐｍのＩＡあるいはＩＩＡ族の全元素含有量を有し、約３０〜約６０ｃｃ／１００ｇのＤＢＰ範囲を有するカーボンブラック。
41. 前記カーボンブラックが２０重量％以下の浸出可能なＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素の含量を有する請求項４０に記載のカーボンブラック。
42. 前記カーボンブラックが１０重量％以下の浸出可能なＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素の含量を有する請求項４０に記載のカーボンブラック。
43. 前記カーボンブラックがｍ^２／ｇでのＢＥＴ表面積とｍ^２／ｇでのｔ−面積の比が１．５以下である請求項４０に記載のカーボンブラック。
44. 前記カーボンブラックが約０．２５重量％〜約５重量％の浸出可能なＩＡ族あるいはＩＩＡ族の含量を有する請求項４０に記載のカーボンブラック。
45. 前記カーボンブラックが約１０ｍ^２／ｇ〜約１８０ｍ^２／ｇのｔ−面積を有する請求項４０に記載のカーボンブラック。
46. 前記材料が塩である請求項１０に記載の製造法。
47. 前記材料が溶液である請求項１０に記載の製造法。
48. 前記材料が少なくともＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素を含有する化合物である請求項１０に記載の製造法。
49. 前記材料が塩である請求項１７に記載の製造法。
50. 前記材料が溶液である請求項１７に記載の製造法。
51. 前記材料が少なくともＩＡ族あるいはＩＩＡ族の元素を含有する化合物である請求項１７に記載の製造法。
52. さらに、前記第２カーボンブラック生成原料の導入の前に部分的に中間的クエンチを行う請求項１〜３９および４６〜５１のいずれか１項に記載の製造法。
53. 前記第２カーボンブラック生成原料がカーボンブラック生成原料の全重量の３０〜６０重量％である請求項１０に記載の製造法。

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