JP2017008223A - カーボンブラック、カーボンブラックの製造方法、ゴム組成物及びタイヤ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のカーボンブラックは、灰分量が0.1〜10質量%である。
【選択図】なし
Description
そして、カーボンブラックを工夫して、ゴムの耐破壊特性を改良する場合には、カーボンブラックの粒子径、粒子のつながり度合い(ストラクチャー)および粒子表面の化学的性質を調節する手法が有効であることが知られている。
本発明のカーボンブラックによれば、ゴム組成物に配合した場合に、ゴム組成物の耐破壊特性を向上させることができる。
本発明のゴム組成物によれば、耐破壊特性に優れたゴム組成物となる。
本発明の、カーボンブラックの製造方法によれば、ゴム製品の再利用を図りつつ、本発明のカーボンブラックを得ることができる。
本発明のカーボンブラックの灰分量は、0.1〜10質量%である。
本発明のカーボンブラックによれば、ゴム組成物の耐破壊特性を向上させることができる。
カーボンブラックに金属が含まれると、金属がゴム組成物中の化合物に配位して、カーボンブラックとポリマーとの間の結合が強化され、ゴム組成物の耐破壊特性が向上すると考えられる。
本発明のカーボンブラックの「灰分」とは、前記カーボンブラックを燃焼させて得られる無機質の灰を意味する。
上記灰分量は、乾燥したカーボンブラックを磁器るつぼにはかりとり、燃焼により炭素質を酸化して、デシケータ中で冷却した後、磁器るつぼの質量を測り、質量百分率で算出して得られる。灰分に金属化合物が含まれる場合、灰分に含まれる金属化合物の種類及びその量は、蛍光X線を利用した公知の定量分析法、公知のICP分析法により測定することができる。
前記灰分量が0.1質量%以上であると、ゴム分解油を用いてカーボンブラックを調製することが容易となる。前記灰分量が10質量%以下であると、灰分が過剰となりすぎず、ゴムに適用したときに、灰分が破壊核となることを回避することができる。0.1〜10質量%であると、ゴム組成物の耐破壊特性を向上させることができる。
上記金属化合物としては、金属元素を含む限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、珪素、ナトリウム、鉄、チタン、リン、銅、コバルト、マンガンアルミニウム、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、バナジウム、ニッケル、ジルコニウム、スズ、アンチモン、クロム、ネオジウム、鉛、テルル、バリウム、セシウム、モリブテン等の金属、それらの金属の金属酸化物、などが挙げられる。
これらの中でも、チタン、リン、銅、コバルト及びマンガンのいずれかを含有する金属化合物を含むと、ゴム組成物の耐破壊特性を向上させやすい点で有利である。
上記珪素化合物としては、珪素元素を含む限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、酸化されていない珪素、珪素の酸化物、などが挙げられる。
前記灰分中の前記珪素化合物の含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、25〜50質量%が好ましい。
前記珪素化合物が、25〜50質量%であると、ゴム組成物の耐破壊特性を向上させやすい点で有利である。
また、前記灰分中の前記珪素化合物の含有量が、前記灰分中のナトリウム化合物の含有量より多いと、ゴム組成物の耐破壊特性を向上させやすい点で有利である。
上記鉄化合物としては、鉄元素を含む限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、酸化されていない鉄、酸化鉄、などが挙げられる。
前記灰分中の前記鉄化合物の含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、10〜30質量%が好ましい。
前記鉄化合物が、10〜30質量%であると、ゴム組成物の耐破壊特性を向上させやすい点で有利である。
本発明のカーボンブラックは、粒径分布が、JISK6217−6法の遠心沈降分析により測定した分布曲線の最多頻度のストークス相当径(Dst)が30〜49nmであり、Dstに対する分布曲線の半値幅(ΔD50)の比(ΔD50/Dst)が0.500〜0.545であることが好ましい。この構成によれば、ゴム組成物の耐摩耗性を向上させることができ、ゴム組成物の未加硫粘度を低くして加工性を良好にすることができ、更にゴム組成物の耐破壊特性を向上させることができる。
ここで、遠心沈降法では、まず、乾燥したカーボンブラックを精秤し、少量の界面活性剤を含む20%エタノール水溶液と混合して、カーボンブラック濃度50mg/lの分散液を作成し、これを超音波で十分に分散させ、これを試料溶液とする。装置については、例えば、ジョイス・レーブル社製ディスク・セントリフュージを使用し、ディスク・セントリフュージの回転数を6000rpmに設定し、スピン液(2%グリセリン水溶液)を10ml加えたのち、1mlのバッファー液(エタノール水溶液)を注入する。ついで試料0.5mlを注射器で加えたのち、一斉に遠心沈降を開始させ、光電沈降法により、形成させた凝集体分布曲線を画かせ、その曲線の最多頻度に相当するストークス相当径をもってDst(nm)とする。
上記分布曲線の最多頻度のストークス相当径(Dst)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、30〜180nmが好ましく、30〜49nmがより好ましい。
前記ストークス相当径の分布曲線の最多頻度(Dst)が、前記好ましい範囲内及び前記より好ましい範囲内であると、ゴム組成物の耐摩耗性を向上させることができ、また、ゴム組成物の未加硫粘度を低くして加工性を良好にすることができる。
上記ΔD50は、上記ストークス相当径の分布曲線において、最多頻度のストークス相当径(Dst)の頻度の50%の頻度が得られる、大小2つのストークス相当径の差の絶対値を意味する。上記ΔD50/Dstは、凝集体径の分布を評価する指標であり、数字が小さいほど、凝集体径の分布が均一であると見做すことができる。
上記ΔD50/Dstとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.300〜1.500が好ましく、0.500〜0.545がより好ましい。
前記ΔD50/Dstが、前記好ましい範囲内又は前記より好ましい範囲内であると、ゴム組成物の耐破壊特性を向上させることができる。
上記カーボンブラックの窒素吸着比表面積(N2SA)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、40〜170m2/gが好ましく、100m2/g以上がより好ましい。
前記カーボンブラックの窒素吸着比表面積(N2SA)が、前記好ましい範囲内又は前記より好ましい範囲内であると、ゴム組成物の耐破壊特性及び耐摩耗性を向上させることができる点で有利である。なお、前記窒素吸着比表面積(N2SA)は、例えば、JISK6217−1法で測定することができる。
上記カーボンブラックのDBP吸油量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、85〜200mL/100gが好ましく、100〜180mL/100gがより好ましい。
前記カーボンブラックのDBP吸油量が、前記好ましい範囲内又は前記より好ましい範囲内であると、カーボンブラックが高ストラクチャー化することにより、ゴム組成物の耐破壊特性及び耐摩耗性を向上させることができる点で有利である。なお、前記DBP吸油量は、例えば、JISK6217−4法で測定することができる。
上記カーボンブラックのよう素吸着量(IA)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、30〜180mg/gが好ましく、100〜180mg/gがより好ましい。
前記カーボンブラックのよう素吸着量(IA)が、前記好ましい範囲内及び前記より好ましい範囲内であると、得られるゴム組成物の耐破壊特性又は耐摩耗性を向上させることができる点で有利である。なお、前記よう素吸着量(IA)は、例えば、JISK6217−1法で測定することができる。
上記カーボンブラックの圧縮DBP吸収量(24M4DBPA)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、80〜130mL/100gが好ましく、80〜120mL/100gがより好ましい。
前記カーボンブラックの圧縮DBP吸収量(24M4DBPA)が、前記好ましい範囲内又は前記より好ましい範囲内であると、ゴム組成物を十分に補強することができ、ゴム組成物の耐摩耗性を向上させることができる点で有利である。なお、前記圧縮DBP吸収量(24M4DBPA)は、例えば、JISK6217−4法で測定することができる。
上記カーボンブラックのCTAB吸着比表面積(CTAB)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、40〜170m2/gが好ましく、90〜170m2/gがより好ましい。
前記カーボンブラックのCTAB吸着比表面積(CTAB)が、前記好ましい範囲内又は前記より好ましい範囲内であると、ゴム組成物を十分に補強することができ、ゴム組成物の耐摩耗性を向上させることができる点で有利である。なお、前記CTAB吸着比表面積(CTAB)は、例えば、JISK6217−3法で測定することができる。
上記トルエン着色透過度は、数字が大きいほど、トルエン汚染度が小さい、即ち未分解芳香族炭化水素成分が少ないことを意味する。上記カーボンブラックのトルエン着色透過度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、80%以上が好ましく、90%以上がより好ましい。
前記カーボンブラックのトルエン着色透過度が、前記好ましい範囲内又は前記より好ましい範囲内であると、補強性の阻害となるタール分が少なくなる点で有利である。なお、前記トルエン着色透過度は、例えば、JISK6218−4法で測定することができる。
本発明のゴム組成物は、ゴム成分及び上記カーボンブラックを少なくとも含み、さらに、必要に応じて、その他の成分を含む。
本発明のゴム組成物によれば、本発明のカーボンブラックを用いることで耐破壊特性に優れたゴム組成物となる。
上記ゴム成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合体ゴム(SBR)、ポリブタジエンゴム(BR)、ポリイソプレンゴム(IR)、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、ジエン系ゴムに本発明のカーボンブラックを用いると、得られるゴム組成物の耐破壊特性が特に優れる点で有利である。
上記カーボンブラックのゴム成分100質量部に対する含量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、40〜140質量部が好ましい。
前記カーボンブラックのゴム成分100質量部に対する含量が、40質量部以上であるとグリップ性を向上させることができ、140質量部以下であると乾燥路面におけるグリップ性能、及び耐摩耗性を向上させることができる。
本発明のゴム組成物には、上記ゴム成分及びカーボンブラックの他に、ゴム業界で通常使用される配合剤、例えば、加硫剤、加硫促進剤、加硫促進助剤、オイル、シリカ、などを、本発明の目的を害しない限り、適宜配合することができる。
上記加硫剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ベンゾイルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド、t−ブチルクミルパーオキサイド、メチルエチルケトンパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイド、2,5−ジメチル−2,5−ジ(t−ブチルパーオキシ)ヘキサン等の有機過酸化物;硫黄、モルホリンジスルフィド等の硫黄系加硫剤;などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
上記加硫促進剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、CBS(N−シクロヘキシル−2−ベンゾチアジルスルフェンアミド)、TBBS(N−t−ブチル−2−ベンゾチアジルスルフェンアミド)、TBSI(N−t−ブチル−2−ベンゾチアジルスルフェンイミド)等のスルフェンアミド系の加硫促進剤;DPG(ジフェニルグアニジン)等のグアニジン系の加硫促進剤;テトラオクチルチウラムジスルフィド、テトラベンジルチウラムジスルフィド等のチウラム系加硫促進剤;ジアルキルジチオリン酸亜鉛等の加硫促進剤;などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
上記加硫促進助剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、亜鉛華(ZnO)、ステアリン酸、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
本発明の、カーボンブラックの製造方法は、ゴム分解油分離工程及びカーボンブラック生成工程を含む。
本発明の、カーボンブラックの製造方法によれば、ゴム製品の再利用を図りつつ、本発明のカーボンブラックを得ることができる。
上記ゴム分解油分離工程は、ゴムを熱分解してゴム分解油を分離する工程である。
前記ゴム分解油は、公知の反応装置を用いて分離することができる。例えば、熱分解炉と該熱分解炉の後方に油分回収用の冷却部を備えた反応装置を使用し、前記熱分解炉内に、燃料、燃焼用気体、及び原料としてのゴムを導入し、熱分解によりゴムを分解する。ゴムの熱分解により発生する乾留ガスを冷却することにより、ゴム分解油を回収する。本発明のカーボンブラックは、前記ゴム分解油を原料として生成されるカーボンブラックであることが好ましい。
前記ゴム分解油は、公知の方法により、ゴムを熱分解して得ることができ、例えば、井上公雄、他3名、「実用プラントによる熱タイヤ熱分解実験」、日本ゴム協会誌、第59巻、第10号、p.565−567と類似の方法により、外熱式ロータリーキルンで650℃の温度で熱分解して得ることができる。
上記ゴム分解油分離工程で用いる原料としてのゴムとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、タイヤ、ゴムクローラ−、防振ゴム、コンベアベルト等のゴム製品、タイヤのバフ工程で発生したバフ粉、タイヤのピーリング工程で発生したピーリングゴム、などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
また、熱分解しようとするゴムに金属成分が充分に含まれていないときは、例えば、熱分解しようとするゴムに金属成分を所望量添加することで、所望の灰分量のカーボンブラックを製造することができる。
上記カーボンブラック生成工程は、前記ゴム分解油分離工程の後に、前記ゴム分解油からカーボンブラックを生成させる工程である。
カーボンブラックは、燃焼ガス生成帯域、反応帯域及び反応停止帯域を同軸上に連設した反応装置を用い、燃焼ガス生成帯域で燃料炭化水素の燃焼により高温燃焼ガスを生成させ、続いて反応帯域で前記高温燃焼ガス流中に複数の原料導入装置から原料炭化水素を噴霧導入し、不完全燃焼又は熱分解反応により前記原料炭化水素から転化したカーボンブラックを含む反応ガス流となし、次いで反応停止帯域において急冷媒体の導入により前記反応ガス流を反応停止温度まで冷却して反応を終結させるファーネス法による製造方法によって得ることができる。
そして本発明の製造方法は、カーボンブラックの前記原料炭化水素として、ゴム分解油を用いることを特色とする。
本発明のタイヤは、本発明のゴム組成物を用いてなる。本発明のタイヤによれば、ゴム製品の再利用を図りつつ、タイヤの耐破壊特性を向上させることができる。
熱分解炉内に廃タイヤの裁断品を投入し、熱分解炉内を窒素ガスで置換した後、炉内のガスを加熱し約650℃まで上昇させて、この温度を保持して約4時間の加熱をした。加熱により発生した乾留ガスを冷却しながら回収して、ゴム分解油を分離した。
燃焼ガス生成帯域、反応帯域及び反応停止帯域を同軸上に連設した反応装置を用い、燃焼ガス生成帯域で燃料炭化水素の燃焼により高温燃焼ガスを生成させ、続いて反応帯域で前記高温燃焼ガス流中に複数の原料導入装置から、原料炭化水素としてゴム分解油を噴霧導入し、不完全燃焼又は熱分解反応により前記ゴム分解油から転化したカーボンブラックを含む反応ガス流となし、次いで反応停止帯域において急冷媒体の導入により前記反応ガス流を反応停止温度まで冷却して反応を終結させて、カーボンブラックAを生成した。
上記カーボンブラックAの製造において用いた廃タイヤと含有される金属の組成が異なる廃タイヤを用いて、カーボンブラックBを製造した。用いた廃タイヤの種類以外は、カーボンブラックAの製造と同様にして、カーボンブラックBを製造した。
カーボンブラックCは、燃焼ガス生成帯域、反応帯域及び反応停止帯域を同軸上に連設した反応装置を用い、燃焼ガス生成帯域で燃料炭化水素の燃焼により高温燃焼ガスを生成させ、続いて反応帯域で前記高温燃焼ガス流中に複数の原料導入装置から、原料炭化水素として重質油Xを噴霧導入し、不完全燃焼又は熱分解反応により前記重質油Xから転化したカーボンブラックを含む反応ガス流となし、次いで反応停止帯域において急冷媒体の導入により前記反応ガス流を反応停止温度まで冷却して反応を終結させて得た。
前記重質油Xとしては、下記表1に示す物性の重質油を使用した。
上記カーボンブラックCの製造において重質油Xを用いたかわりに重質油Yを用いた以外は、カーボンブラックCの製造と同様にして、カーボンブラックDを製造した。
前記重質油Yとしては、重質油Xと他の重質油とをブレンドして、金属組成の調節を行ったものを使用した。
上記のようにして得られたカーボンブラックは、金属化合物量、DBP吸油量、圧縮DBP吸収量(24M4DBPA)、よう素吸着量(IA)、窒素吸着比表面積(N2SA)、CTAB吸着比表面積(CTAB)、トルエン着色透過度、Dst、ΔD50、及び重量平均粒子径(Dw)/数平均粒子径(Dn)を以下のように測定した。結果を表2、3に示す。
磁性丸型皿を予め750℃に設定された電気炉中で約1時間灼熱した後、デシケータ中で室温まで放冷し、重量を秤量する。この磁性皿の中に、105℃で1時間乾燥し、デシケータ中で室温まで放冷したカーボンブラックを入れる。それを電気炉中750℃で炭素分が認められなくなるまで灰化する。灰化後、デシケータ中で室温まで冷却する。この重量を直示天秤で秤量する。次式により、カーボンブラック中の灰分量を算出した。
灰分量(質量%)=(灰化残分の質量/試料の質量)×100
次に、蛍光X線分析装置(製品名:iCAP 6200 発光分光分析装置、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)を利用した定量分析法により灰分の元素分析を行った。灰分中の金属化合物の組成の結果を表2に示す。
JISK6217−4法に準拠して、カーボンブラックのDBP吸油量(mL/100g)を測定した。結果を表3に示す。
JISK6217−4法に準拠して、カーボンブラックの圧縮DBP吸収量(24M4DBPA)(mL/100g)を測定した。結果を表3に示す。
JISK6217−1法に準拠して、カーボンブラックのよう素吸着量(IA)(mg/g)を測定した。結果を表3に示す。
JISK6217−1法に準拠して、カーボンブラックの窒素吸着比表面積(N2SA)(m2/g)を測定した。結果を表3に示す。
JISK6217−3法に準拠して、カーボンブラックのCTAB吸着比表面積(CTAB)(m2/g)を測定した。結果を表3に示す。
JISK6218−4法に準拠して、カーボンブラックのトルエン着色透過度(%)を測定した。結果を表3に示す。
JISK6217−6法に準拠して、カーボンブラックのDst及び分布曲線の半値幅(ΔD50)を測定した。結果を表3に示す。
JISK6217−6法に準拠して、カーボンブラックのDw/Dnの測定をした。結果を表3に示す。
得られた各カーボンブラックの性能を評価するため、表4に示す配合割合の配合物をバンバリーミキサーを用いて混練して、さらに加圧型加硫装置を用いて25℃または145℃で30分間加硫してゴム組成物を得た。さらに、得られたゴム組成物の一部は、100℃24時間の熱処理により老化処理をした。
*2 大内新興化学工業(株)製「ノクラック6C」
*3 大内新興化学工業(株)製「ノクセラーD」
*4 大内新興化学工業(株)製「ノクセラーDM」
上記のように得られたゴム組成物は、破断時伸び(EB)、引張強さ(TB)及びタフネス(TF)を下記の方法で測定した。結果を表5に示す。
JISK6251法に準拠して、ゴム組成物の破断伸び(EB)を測定した。
試験片はダンベル状3号形を用い、測定温度25℃、引張速度500mm/分で測定し、切断伸び(EB)をJISK6251法の15.1項記載の式(3)を用いて算出した。結果を表5に示す。実施例1は比較例1の値を100として指数表示し、実施例2は比較例2の値を100として指数表示した。指数値が大きい程、ゴム組成物の切断伸びが長いことを示す。
JISK6251法に準拠して、ゴム組成物の引張強さ(TB)を測定した。結果を表5に示す。実施例1は比較例1の値を100として指数表示し、実施例2は比較例2の値を100として指数表示した。指数値が大きい程、ゴム組成物の引張強さが高いことを示す。
上記で得られたEB及びTBを用いて、ゴム組成物のタフネス(TF)(タフネス:EB×TB)を求めた。結果を表5に示す。実施例1は比較例1の値を100として指数表示し、実施例2は比較例2の値を100として指数表示した。指数値が大きい程、ゴム強度(タフネス)が高く、良好であることを示す。
Claims (10)
- 灰分量が0.1〜10質量%であることを特徴とする、カーボンブラック。
- 前記灰分が、珪素化合物及びナトリウム化合物を含み、前記灰分中の前記珪素化合物の含有量が前記ナトリウム化合物の含有量より多い、請求項1に記載のカーボンブラック。
- 前記灰分中の前記珪素化合物の含有量が25〜50質量%である、請求項1に記載のカーボンブラック。
- 前記灰分が、チタン、リン、銅、コバルト及びマンガンのいずれかを含有する金属化合物を含む、請求項1に記載のカーボンブラック。
- 前記灰分が鉄化合物を含み、前記灰分中の該鉄化合物の含有量が10〜30質量%である、請求項1に記載のカーボンブラック。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のカーボンブラックを含むことを特徴とする、ゴム組成物。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のカーボンブラックの製造方法であって、
ゴムを熱分解してゴム分解油を分離するゴム分解油分離工程、及び
前記ゴム分解油分離工程の後に、前記ゴム分解油からカーボンブラックを生成させるカーボンブラック生成工程を含むことを特徴とする、カーボンブラックの製造方法。 - 前記ゴムが、タイヤ、ゴムクローラ−、防振ゴム及びコンベアベルトのいずれかに由来する、請求項7に記載のカーボンブラックの製造方法。
- 請求項7に記載のカーボンブラックの製造方法で製造したカーボンブラックを含むことを特徴とする、ゴム組成物。
- 請求項9に記載のゴム組成物を用いてなることを特徴とする、タイヤ。
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