JP2020511576A - 炭素及びエラストマーの融合 - Google Patents

Abstract

エラストマー材料と、充填材と、少なくとも１種の添加剤と、少なくとも１種の促進剤とを有するコンパウンドが開示される。種々の実施形態において、上記充填材はグラフェン系炭素材料を含む。種々の実施形態において、上記グラフェン系炭素材料は、最大１５の層を含むグラフェンと、メジアン径が１〜５０ミクロンの炭素凝集体と、被吸着物質として窒素を用いるブルナウアー・エメット・テラー（ＢＥＴ）法によって測定した場合に少なくとも５０ｍ２／ｇの上記炭素凝集体の表面積とを含み、且つシード粒子を含まない。

Description

関連出願
本出願は、２０１８年３月１２日に出願され、「炭素及びエラストマーの融合」との名称の通常の米国特許出願第１５／９１８，４２２号の優先権を主張し、該出願は、１）２０１７年３月１６日に出願され、「炭素及びエラストマーの融合」との名称の米国仮特許出願第６２／４７２，０５８号、２）２０１７年１１月３日に出願され、「炭素及びエラストマーの融合」との名称の米国仮特許出願第６２／５８１，５３３号、及び３）２０１８年２月１３日に出願され、「炭素及びエラストマーの融合」との名称の米国仮特許出願第６２／６３０、１７９号の優先権を主張し、これらの全ての出願は、本記載によりあらゆる目的のために参照により援用される。

ゴム製品であるタイヤ及び封止材は、カーボンブラック及びシリカなどの充填材をゴム中に配合または混合し、次いでこれを加硫することによって製造される。ゴム製品は一般的に、強化充填材として２０〜３０重量％のカーボンブラックを含み、カーボンブラックの割合及び種類、使用するゴムの種類（例えば、天然、合成）、ならびに追加の添加剤及び化学薬品を変えて、最終製品の特性をカスタマイズする。車両用タイヤの場合、コードを埋め込むことにより、またトレッド、サイドウォール、及びインナーライナーに異なる種類のエラストマーコンパウンドを用いることにより、更に構造的特性が導入される。カーボンブラックは、業界では、例えば、アセチレンブラック及びファーネスブラックとしても知られる、ある種の非晶性炭素であり、石油を燃焼させることにより製造される。タイヤ製造業者などの製造業者は、一般的に、様々な供給元からその原料（例えば、ゴム、カーボンブラックなど）を受け入れる。カーボンブラックは軽量で扱い難い材料であり、このことにより、タイヤ業界は、カーボンをより容易に取り扱うことができるように、カーボンの高密度化、すなわちペレット化を求めることを余儀なくされている。ペレット化することにより、エラストマーコンパウンドに添加する際に、カーボンブラックの混合が容易にもなる。カーボンをペレット化するためには、通常、添加剤が必要となり、これはカーボンを汚染することになる。

いくつかの実施形態において、コンパウンドは、エラストマー材料と、充填材と、少なくとも１種の添加剤と、少なくとも１種の促進剤とを含む。上記充填材はグラフェン系炭素材料を含む。上記グラフェン系炭素材料は、最大１５の層を含むグラフェンと、メジアン径が１〜５０ミクロンの炭素凝集体と、被吸着物質として窒素を用いるブルナウアー・エメット・テラー（ＢＥＴ）法によって測定した場合に少なくとも５０ｍ^２／ｇの上記炭素凝集体の表面積とを含み、且つシード粒子を含まない。

いくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料はナノ混合グラフェン系炭素材料である。いくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料は官能化グラフェン系炭素材料である。

いくつかの実施形態において、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される上記コンパウンドの−２０℃におけるＧ’貯蔵弾性率は９ＭＰａ未満であり、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される上記コンパウンドの−１０℃におけるタンデルタは０．８を超え、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される上記コンパウンドの０℃におけるタンデルタは０．５を超え、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される上記コンパウンドの３０℃におけるタンデルタは０．２５未満であり、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される上記コンパウンドの３０℃におけるＧ’貯蔵弾性率は１．５ＭＰａを超え、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される上記コンパウンドの３０℃におけるＪ’’損失コンプライアンスは９Ｅ−８ ｌ／Ｐａを超え、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される上記コンパウンドの６０℃におけるタンデルタは０．１５未満であり、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される上記コンパウンドの６０℃におけるＧ’貯蔵弾性率は１．５ＭＰａを超える。

いくつかの実施形態において、エラストマーコンパウンドの製造方法は、反応器を用意することと、上記反応器中に炭化水素プロセスガスを供給することと、上記反応器中で上記炭化水素プロセスガスの炭化水素分解を実行して、グラフェン系炭素材料を生成させることと、エラストマー材料を少なくとも１種の充填材、少なくとも１種の添加剤、及び少なくとも１種の促進剤と混合することとを含む。上記充填材は上記グラフェン系炭素材料を含む。上記グラフェン系炭素材料は、最大１５の層を有するグラフェンと、メジアン径が１〜５０ミクロンの炭素凝集体と、被吸着物質として窒素を用いるブルナウアー・エメット・テラー（ＢＥＴ）法によって測定した場合に少なくとも５０ｍ^２／ｇの上記炭素凝集体の表面積とを含み、且つシード粒子を含まない。

いくつかの実施形態において、上記反応器は熱反応器またはマイクロ波反応器である。いくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料は官能化グラフェン系炭素材料またはナノ混合グラフェン系炭素材料であり、反応器中での上記炭化水素分解は、上記反応器中に第２の物質を供給することを更に含む。

上記方法のいくつかの実施形態において、上記炭化水素分解プロセスと、上記エラストマー材料を少なくとも１種の充填材、少なくとも１種の添加剤、及び少なくとも１種の促進剤と混合するプロセスとが同一の場所において実施される。

Ａは従来の炭素材料生産チェーンを示す簡略図である。Ｂはいくつかの実施形態に係る炭素材料生産チェーンを示す例示的な簡略図である。 先行技術のいくつかのカーボンブラック材料のＡＳＴＭ分類を示す図である。 ラジアルタイヤ構造を示す断面図であり、丸で囲んだ構成要素は、いくつかの実施形態に係る本グラフェン系炭素融合材料を用いることができる領域を示す。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料の、従来のカーボンブラック材料と比較した分析試験結果を示す図である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料の、ある範囲の従来のカーボンブラック材料と比較したヨウ素吸着量に対する吸油量を示すグラフである。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した配合処方を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した物理的特性を示す図である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した物理的特性を示す図である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した配合処方を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した、混合中に測定したいくつかの重要なパラメータを示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した物理的特性を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した熱老化後の物理的特性を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した動的粘弾性特性を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドに規格化した動的粘弾性特性を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドに規格化した動的粘弾性特性を示すレーダーチャートである。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した配合処方を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した混合パラメータ及び混合時の観察事項を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した、混合中に測定したいくつかの重要なパラメータを示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した物理的特性を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した配合処方を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した混合パラメータ及び混合時の観察事項を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した、混合中に測定したいくつかの重要なパラメータを示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した、混合中のトルクを示すグラフである。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した物理的特性を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した動的粘弾性特性を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンド及び従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドに規格化した動的粘弾性特性を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンド及び従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドに規格化した動的粘弾性特性を示すレーダーチャートである。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した配合処方を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した、混合中に測定したいくつかの重要なパラメータを示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した、混合中のトルクを示すグラフである。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した物理的特性を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した熱老化後の物理的特性を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドと比較した動的粘弾性特性を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドに規格化した動的粘弾性特性を示す表である。 いくつかの実施形態に係るグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの、従来のカーボンブラック材料を含有するエラストマーコンパウンドに規格化した動的粘弾性特性を示すレーダーチャートである。 いくつかの実施形態に係るエラストマーコンパウンドの製造の実施形態を示すフローチャートである。

本明細書においてはグラフェン系炭素材料について説明するが、この材料は、エラストマーコンパウンドの強化充填材として用いることができる。いくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料は、該炭素材料の表面に他の物質種（例えば、原子または化合物）を結合すること、または他の物質を上記炭素材料と緊密に混合することのいずれかにより、他の材料を含む。上記グラフェン系炭素材料の製造条件、及び任意選択で、粒子に含まれる他の物質の組成によって、本炭素材料の特性を変化させることができる。本炭素材料の特性は、これらの材料を含有するエラストマーの加工及び／または特性に影響を与える可能性があることから、本炭素材料によって強化エラストマーの特性の調整が可能になる。

従来の混合技術の工業用混合機における、ゴム（天然ゴム及び合成ゴムの両方）を種々の材料（シリカ、カーボンブラック、硫黄など）と融合させる能力は限られている。この従来のマクロ混合技術は、シランを用いてシリカ／カーボンをエラストマーに結合させるなど、種々の化学物質を使用して材料を結合させる。更に、カーボンブラック材料の輸送には大きなコストを要する場合がある。

対照的に、本発明の材料及び方法は、いくつかの実施形態において、上記炭素材料を変更する必要なしに、グラフェン系炭素材料をエラストマーの製造に直接組み込むことを含む。例えば、本発明の材料は、輸送用に当該材料を高密度化するために、ペレット化または圧縮成型する必要がない。但しいくつかの実施形態において、上記材料をペレット化してもよい。本発明のグラフェン系炭素材料は、動的及び静的システム用のゴム材料などのエラストマーコンパウンドの製造において、該炭素材料を従来のカーボンブラックの代替品として用いることができるだけの特性を有している。いくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料は、種々の物質（例えば、ケイ素、水素ガス、アンモニア、硫化水素、金属、ハロゲン）の添加を伴ってまたは伴わずに反応器中で製造され、エラストマー配合物中に融合される。いくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料は上記反応器中で炭化水素分解により製造され、上記反応器の実施形態としては、熱反応器及びマイクロ波プラズマ反応器が挙げられる。これらの形式の反応器は一般的にカーボンブラック製造プラントよりも大幅に小さい個別の装置であるため、上記実施形態により、構内での炭素材料の製造が可能になる。したがって、いくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料は、該材料が使用される場所と同一の場所、例えば、エラストマー製造設備において製造される。

構内での混合により、炭素原材料をエラストマー製造サイトに輸送する必要性が軽減され、その結果、上記の輸送の目的で炭素をペレット化する必要がなくなる。炭素をペレット化する必要がないため、添加剤を使用して炭素ペレットを形成するための添加剤を使用する必要がない。本明細書で後述するように、本材料は、最終的なエラストマーの所望の物理的特性を与えるように調整することができる。また、炭素製造プロセスにおいて必要とされる水及びエネルギーの量を低減するなどの、炭素をペレット化しないことの環境上の利点もある。

図１のＡは図１のＢと比較した、従来の炭素材料の生産チェーンの簡略図を示し、図１のＢは本実施形態の炭素材料の生産チェーンの一例である。図１のＡに示す従来の技術では、カーボンブラック１０１、シリカ１０２、及び他の化学物質１０３などの原料が製造施設１２０に輸送１１０され、そこでエラストマーコンパウンドに配合され、次いでタイヤ１３０などの最終製品へと加工される。従来のタイヤの供給には、原料（ゴムベール、炭素充填材、テキスタイル、スチール、及びその他の添加剤など）の準備、タイヤ構成要素の構築（エラストマーコンパウンドをトレッド及びサイドウォールに押出成形することを含む）、次いでタイヤ１３０を構築すること（タイヤの硬化、完成したタイヤの検査など）が含まれる。図１のＢに示す本発明の材料及び方法のいくつかの実施形態において、炭素粒子の製造、エラストマーコンパウンドの混合、及び任意選択で最終製品（例えば自動車用タイヤ）の構築は構内で行ってもよい。いくつかの実施形態において、材料のナノ混合も構内で行われる。図１のＢに示す特定の例において、炭化水素１５１及びシリカ１５２が、製造施設１７０の反応器１６０中において、構内で混合（すなわち互いに融合）され、次いでエラストマー原料（例えばゴム）と融合されてエラストマーコンパウンドを生成し、次いで、タイヤ１８０などの最終製品へと加工される。図１のＡとＢとの違いにより、取り扱いが困難なカーボンブラック材料を輸送する必要性が排除されること、及び炭素製造プロセスの間に材料を互いに融合することによりエネルギー消費を低減することなどの、上述の本技術のいくつかの可能性のある利点が例示される。他の実施形態において、図１のＡに示す従来のサプライチェーンは、本グラフェン系炭素材料と共に使用することができる。かかる実施形態においては、上記炭素材料は１つの場所で製造され、次いで該炭素材料及び他の構成成分の材料が製造施設に輸送され、そこでこれらがエラストマーコンパウンドに配合され、次いでタイヤなどの最終製品に加工される。

本グラフェン系炭素材料を使用する別の利点は、カーボンブラックと比較して純度が向上していることである。いくつかの場合において、カーボンブラック中の不純物（例えば残留する油分）により、カーボンに発がん性の表示をする必要がある。いくつかの実施形態において、本グラフェン系炭素材料が有する揮発性有機化合物（ＶＯＣ）はカーボンブラックよりも少なく、その結果、製造されたエラストマー材料の表面上に残留する油分が生じない。他の場合において、本グラフェン系炭素材料の残留炭化水素（例えば多環芳香族炭化水素）の濃度はカーボンブラックと比較して低く、その結果、製造されたエラストマー材料の表面上の残留する油分がより少なくなる。本明細書に記載される炭素材料はまた、従来の方法で処理されたカーボンブラックまたはグラフェンと比較して、含有する汚染物質（例えば、灰分、金属、及び他の元素汚染物質）の濃度が低い。また、製造時の副生成物としてのＣＯ_２、ＮＯ_ｘ、及びＳＯ_ｘの排出は最小限である。これらの全ての利点の結果、本炭素材料は、エラストマーに使用されている従来のカーボンブラックよりも取り扱いが安全であり、環境に優しい。

本グラフェン系炭素材料の不純物濃度がカーボンブラックと比較して低いことは、該炭素材料の加工（例えば、炭素の後処理、及びエラストマーのコンパウンド化）にとっても利点である。例えば、従来のカーボンブラックの加工装置は、有毒なカーボンブラック粒子を加工するための特別なシステムが必要となる場合がある。対照的に、非毒性または低毒性の本材料を処理するための特別なシステムは必要ない。いくつかの場合において、従来のカーボンブラックは加工装置を汚染し、一部の施設では加工することができない。いくつかの実施形態において、不純物の濃度がより低い本材料は、汚染されていない加工装置によって加工することに対する制限を受けない。

グラフェン系炭素材料
特定の炭素材料のエラストマーを強化する能力に影響を与える３種類の特性、すなわち、表面積、構造、及び表面活性がある。更に、コークス、灰分、及び水分などの不純物が、エラストマー中の炭素材料充填材の有効性にとって重要となる場合がある。表面積とは、エラストマーとの相互作用に利用できるものを始めとする、炭素材料表面の総面積をいう。粒子径及び形状が上記表面積に影響を与える可能性がある。より小さな炭素粒子（例えば、平均径が１００ｎｍ未満）は一般的に、互いに融合してより大きな凝集体（例えば、平均径が１〜１０ミクロン）を形成する。構造とは凝集体の形状を記述する。上記構造は、互いに融合した粒子の数及び凝集体内の粒子の構成によって影響を受ける可能性がある。例えば、より多数の粒子を含む凝集体は、大きな空隙容量が生じた複雑な形状を有する場合がある。上記構造は、炭素とポリマーとの混合の程度に影響を与える場合があり（例えば、ポリマーによって空隙が充填される場合がある）、エラストマー／炭素コンパウンドの特性に影響を与える場合がある。表面活性とは、炭素充填材料とポリマー間の表面相互作用の強さをいう。表面活性は、エラストマー内の炭素材料の分散特性に影響を与える場合がある。引張強度、引裂強度、及び耐摩耗性などのコンパウンドの機械的特性は、炭素充填材の表面積によって影響を受ける場合がある。粘度、収縮、及び弾性率などの他のコンパウンドの機械的特性は、炭素充填材の構造によって影響を受ける場合がある。表面積はまた、ヒステリシスなどの一部のコンパウンドの機械的特性にも影響を与える場合がある。構造はまた、強化エラストマーコンパウンドの屈曲疲労及び耐摩耗性にも影響を与える場合がある。表面活性は、弾性率、ヒステリシス、及び耐摩耗性などのコンパウンドの機械的特性にも影響を与える場合がある。

いくつかの試験を用いてカーボンブラックの表面積及び構造を測定することができる。最も一般的な測定方法はヨウ素吸着（例えばＡＳＴＭ Ｄ１５１０を使用）及び吸油量（例えばＡＳＴＭ ２４１４、Ｂ法を使用）である。得られる指標は、炭素材料の表面積の尺度であるヨウ素吸着量、及び炭素材料の構造の尺度であるフタル酸ジブチル吸収（ＤＢＰ）量である。

図２は、本明細書に記載のいくつかのグラフェン系材料の範囲内にある特性を有するいくつかの従来のカーボンブラック材料のＡＳＴＭ分類を示す。以下に（及び本開示全体を通じて）説明するように、本発明のグラフェン系炭素材料中に導入される物質及び該炭素材料の処理条件を変えて、生成する粒子の物理的特性を調整することができる。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系材料のヨウ素吸着量は２０〜１６０、吸油量は５０〜１８０である。例えば、本明細書に記載のグラフェン系材料のヨウ素吸着量は１１０、吸油量は９２であり、これらは、従来のＮ１２５、Ｎ２１９、及びＮ２９９と同様の表面積及び構造である（値は図２中に記載）。別の例として、本明細書に記載のグラフェン系材料のヨウ素吸着量は４６、吸油量は７５であり、これらは、従来のＮ６６０、Ｎ７６２、Ｎ７７２、及びＮ７７４と同様の表面積及び構造である（図２）。これらの結果は、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料が、いくつかのグレードの従来のカーボンブラックの好適な代替物となり得ることを示唆している。

本明細書に記載の炭素材料（例えばグラフェン系炭素材料）の表面積、構造、及び表面活性を調整するために用いることができる多くの方法及び物質がある。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載の炭素材料の表面積、構造、及び表面活性は、当該炭素材料を官能化することによって調整される。上記炭素材料の官能化とは、当該炭素材料に元素、官能基、または分子を添加することをいう。いくつかの実施形態において、上記元素、官能基、または分子は、上記炭素材料の炭素原子に共有結合される。いくつかの実施形態において、上記元素、官能基、または分子は、上記炭素粒子及び／または凝集体の炭素多孔性中に物理吸着される。上記官能化反応は、イン・シチュウで（すなわち、反応器中で炭化水素分解により当該炭素材料が生成している際に）生起させてもよく、または１もしくは複数の後処理ステップにおいて生起させてもよく、またはイン・シチュウと後処理ステップとの組み合わせにおいて生起させてもよい。本明細書に記載の官能化炭素材料を配合したエラストマーコンパウンドは、より速い硬化速度、弾性率の向上、耐摩耗性の向上、及び電気伝導率の向上による恩恵を得ることができる。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載の炭素材料の表面積、構造、及び表面活性は、当該炭素材料内の炭素粒子を他の物質の粒子とナノ混合することによって調整される。いくつかの実施形態において、ナノ混合添加剤の粒子は粒子レベルで上記グラフェン系炭素の粒子と有利に融合することができ、本開示においてはこれをナノ混合と呼ぶ。上記ナノ混合物中のナノ混合添加剤及びグラフェン系炭素材料の粒子の平均径は、１ｎｍ〜１ミクロン、または１ｎｍ〜５００ｎｍ、または１ｎｍ〜１００ｎｍであってよく、または０．１ｎｍ程度に小さくてもよい。いくつかの実施形態において、上記ナノ混合添加剤及びグラフェン系炭素材料は、ナノ混合物中で互いに化学的に結合しているか、または物理的に結合している。上記ナノ混合は、従来の方法（例えば、上述のマクロ混合）における後段のプロセスにおいて炭素原料を添加剤と配合するのではなく、上記グラフェン系炭素材料が生成する際に、該炭素材料中に上記ナノ混合添加剤が融合するように、炭化水素分解プロセスの間に上記ナノ混合添加剤を導入することを含む。例えば、得られる本実施形態のナノ混合炭素材料は、シリカ、ＺｎＯ、及び／または金属の粒子を含有してもよい。上記ナノ混合添加剤は、気体、液体、またはコロイド分散液として反応器中に投入してもよい。例として、炭化水素プロセスガス（もしく液体アルコールなどの他の炭素含有プロセス物質）と共にシリカまたはケイ素を反応器中に投入して、炭素材料と結合したシリカならびに／あるいはグラフェン、グラフェン系炭素材料、及び／もしくは他の炭素同素体で包まれたまたは被覆されたケイ素を生成させてもよい。

いくつかの実施形態において、エラストマーコンパウンドは、エラストマー材料と充填材を含み、上記充填材はグラフェン系炭素材料とシリカとを含有する。いくつかの実施形態において、上記充填材の過半を占めるのはグラフェン系炭素材料またはシリカのいずれかである。いくつかの実施形態において、本エラストマーコンパウンド中のシリカとグラフェン系炭素材料との比は、１０：１〜１：１、または２０：１〜１：１、または１００：１〜１：１である。かかる実施形態におけるナノ混合材料の例としては、有機材料で被覆された固体無機材料（例えばグラフェンで被覆されたケイ素）、及び有機／無機材料の中間層を有する複合材料（例えば、シリカまたはケイ素のコア／該ケイ素を封入する炭素の層／更に無機層の被覆）が挙げられる。炭化水素分解プロセスの間に上記ナノ混合添加剤を導入することにより、シリカと炭素とを結合するカップリング剤を必要とせずに、上記材料がナノスケールで融合される。本ナノ混合炭素材料は、ゴムまたは他のエラストマーの製造のエネルギー消費量の削減を可能にする。一部の材料は融合されていることから、材料を混合するのに必要なエネルギーは少なくなる。いくつかの実施形態において、ナノ混合炭素材料中の炭素粒子及びナノ混合添加剤粒子の平均径は、１ミクロン未満、または１００ｎｍ未満、または１０ｎｍ未満である。本明細書に記載のナノ混合炭素材料を配合したエラストマーコンパウンドは、より速い硬化速度、弾性率の向上、耐摩耗性の向上、及び電気伝導率の向上による恩恵を得ることができる。

いくつかの実施形態において、粒子状、液体、及び／または気体物質を炭化水素プロセスガス（もしく液体アルコールなどの他の炭素含有プロセス物質）と共に反応器中に投入して、他の材料とナノ混合された炭素材料及び／または官能化炭素材料を生成させることができる。生成した混合炭素材料及び／または官能化炭素材料は、異なる実施形態において、グラフェン系炭素材料及び／または他の炭素同素体を含有していてもよい。

例えば、Ｓを含有する液体または気体、Ｓｉ、水素、硫化水素、シランガス、及び／またはアンモニアガスもしくは液体を含有する液体または気体を炭化水素プロセスガスと共に反応器中に導入するならびに／あるいは添加することにより、反応器システムは、官能化炭素材料であって、上記炭素材料中にＨ、Ｓ、Ｓｉ、及び／またはＮが導入された上記炭素材料を生成させることができる。本明細書に記載の官能化炭素材料を配合したエラストマーコンパウンド（例えば、構造が改善され、Ｈ、Ｓ、及び／またはＮを含む）は、より速い硬化速度、弾性率の向上、耐摩耗性の向上、及び電気伝導率の向上による恩恵を得ることができる。炭化水素分解炭素粒子生成プロセスの間に、Ｓを含有する液体または気体、Ｓｉ、Ｈ_２ガス、Ｈ_２Ｓガス、シランガス、及び／またはアンモニアガスもしくは液体を含有する液体または気体を導入することにより、表面積、構造、及び／または表面活性が改善された炭素粒子を生成させることができる。

別の例において、炭化水素プロセスガスと共に芳香族化合物を反応器中に添加することにより、官能化炭素材料であって、芳香族化合物が上記炭素材料中に導入された上記炭素材料を生成させることができる。芳香族化合物のいくつかの例としては、ベンゼン及びベンゼンの誘導体、ナフタレン、及びアズレンなどの、ベンゼン環、ピリジン環、フラン環、チオフェン環、及び／またはピロール環を含む化合物がある。いくつかの実施形態において、上記芳香族化合物は、炭化水素分解炭素粒子生成プロセスの間に、分解（ｂｒｅａｋ ｄｏｗｎ）、分解（ｄｅｃｏｍｐｏｓｅ）、及び／または分解（ｃｒａｃｋ）もしくは部分的に分解（ｃｒａｃｋ）して、反応生成物を生成することができる。いくつかの場合において、これらの反応生成物は、生成している炭素材料を官能化または該炭素材料とナノ混合することができる。例えば、上記芳香族化合物は高沸点の他の炭化水素を生成する場合があり、これらの高沸点炭化水素は粒子表面上に凝縮して、表面活性に影響を与える場合がある。別の例において、これらの反応生成物は、上記粒子及び凝集体が生成している間に炭素表面に結合した状態となる場合があり、得られる官能化炭素材料の表面積、構造、及び表面活性に影響を及ぼす場合がある。炭化水素分解炭素粒子生成プロセスの間に芳香族化合物を導入することにより、表面積、構造、及び／または表面活性が改善された炭素粒子を生成させることができる。

別の例において、炭化水素プロセスガスと共に１種または複数種の油分を反応器中に添加することにより、上記油分が炭素材料中に導入された官能化炭素材料が生成する。前の段落の例と同様に、上記油分は部分的または完全に分解する場合があり、その生成物は生成した炭素材料中に導入され、及び／または上記炭素材料の表面上に凝縮する場合がある。

別の例において、Ｓ、Ｓｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｂ、Ｃｒ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂ、Ｍｎ、アルカリ金属、及びその他の金属を含有する粒子、気体、または液体などの金属を、炭化水素プロセスガスと共に反応器中に添加することにより、官能化及び／またはナノ混合炭素材料であって、上記炭素材料中に金属が導入された上記炭素材料を生成させることができる。炭化水素分解炭素粒子生成プロセスの間に金属を導入することにより、表面積、構造、及び／または表面活性が改善された炭素粒子を生成させることができる。いくつかの実施形態において、アルカリ金属を官能化グラフェン系炭素材料中に導入してもよく、アルカリ金属はカップリング剤として機能して、コンパウンド中の炭素材料とエラストマー材料との間の接着を改善する。

別の例において、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、及びその他のハロゲンを含有する粒子、気体、または液体などのハロゲンを炭化水素プロセスガスと共に反応器中に添加することにより、官能化炭素材料であって、上記炭素材料中にハロゲンが導入された上記炭素材料を生成させることができる。炭化水素分解炭素粒子生成プロセスの間にハロゲンを導入することにより、表面積、構造、及び／または表面活性が改善された炭素粒子を生成させることができる。

別の例において、酸化物（例えば、シリカ、酸化亜鉛、二酸化チタン）または金属などの粒子を炭化水素プロセスガスと共に反応器中に添加することにより、互いに凝集体を形成するナノ混合添加剤の粒子及び炭素材料の粒子を含むナノ混合炭素材料を生成させることができる。炭化水素分解炭素粒子生成プロセスの間にナノ混合添加剤粒子を導入することにより、表面積、構造、及び／または表面活性が改善されたナノ混合炭素粒子を生成させることができる。

別の例において、炭化水素プロセスガスと共に酸素含有反応剤または酸化性反応剤を反応器中に添加することにより、官能化炭素材料であって、上記炭素材料中に酸素が導入された上記炭素材料を生成させることができる。酸素含有反応剤または酸化性反応剤のいくつかの例としては、オゾン、過酸化水素、水酸化カリウム、塩化カリウム、塩酸、硝酸、クロム酸、過マンガン酸塩、及びジアゾニウム塩がある。上記酸素含有物質または酸化性物質は、５ｐｐｍ〜１００ｐｐｍ、または５ｐｐｍ〜３０ｐｐｍ、または５ｐｐｍを超える、または１５ｐｐｍを超える、炭化水素プロセスガス中の炭素に対する該酸素含有物質または酸化性物質中の反応種（例えば、Ｏ、Ｋ、Ｃｌ）の濃度で反応器に添加してもよい。炭化水素分解炭素粒子生成プロセスの間に上記酸素含有反応剤または酸化性反応剤を導入することにより、表面積、構造、及び／または表面活性が改善された炭素粒子を生成させることができる。酸化を受けた炭素材料は強化エラストマーの硬化時間を遅くする傾向がある。したがって、酸化を受けた炭素材料を強化エラストマーコンパウンドに配合することにより硬化時間の調整が可能になり、それにより硬化コンパウンドの得られる機械的特性が向上する。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載の炭素材料（例えばグラフェン系炭素材料）は、優先的に露出した結晶面、グラファイト端、及び／または結晶子端（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｔｅ ｅｄｇｅｓ）などの加工された（ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ）表面を含む。いくつかの実施形態において、これらの加工された表面は、反応器内の粒子合成条件、粒子生成もしくは後処理の間に粒子を官能化する及び／または粒子とナノ混合する、反応器に添加される添加剤の結果である。

いくつかの実施形態において、上記充填材に用いられる上記炭素材料は、「炭素同素体を含むシードを用いない粒子」との名称の米国特許出願第１５／７１１，６２０号に記載されており、上記出願は本出願と同一の譲受人に譲渡され、全ての目的に対してその全てが本明細書に記載されるのと同様に、参照により本明細書に援用される。いくつかの実施形態において、本コンパウンドは、複数の炭素凝集体を含むグラフェン系炭素材料を含有し、各炭素凝集体は複数の炭素ナノ粒子を有し、各炭素ナノ粒子はグラフェンを含み、シード（すなわち、核生成またはコア）粒子を含まない。上記グラフェン系炭素材料中のグラフェンは最大１５の層を有する。上記炭素凝集体中の水素を除く他の元素に対する炭素の割合は９９％を超える。上記炭素凝集体のメジアン径は1〜５０ミクロンである。上記炭素凝集体の表面積は、被吸着物質として窒素を使用するブルナウアー・エメット・テラー（ＢＥＴ）法を用いて測定した場合、少なくとも５０ｍ^２／ｇである。上記炭素凝集体の圧縮成型した場合の電気伝導率は５００Ｓ／ｍを超え、例えば、最大２０，０００Ｓ／ｍ、または最大９０，０００Ｓ／ｍである。

いくつかの実施形態において、コンパウンドは、複数の炭素凝集体を含むグラフェン系炭素材料を含有し、各炭素凝集体は複数の炭素ナノ粒子を有し、各炭素ナノ粒子はグラフェン及び多層球状フラーレンを含み、シード粒子を含まない。上記グラフェン系炭素材料中のグラフェンは最大１５の層を有する。上記多層球状フラーレンを含む上記グラフェン系炭素材料の、５３２ｎｍの入射光を用いたラマンスペクトルは、Ｄモードピーク、Ｇモードピークを示し、Ｄ／Ｇ強度比は１．２未満である。上記炭素凝集体中の水素を除く他の元素に対する炭素の割合は９９％を超える。上記炭素凝集体のメジアン径は1〜１００ミクロンである。上記炭素凝集体の表面積は、被吸着物質として窒素を使用するＢＥＴ法を用いて測定した場合、少なくとも１０ｍ^２／ｇである。上記炭素凝集体の圧縮成型した場合の電気伝導率は５００Ｓ／ｍを超え、例えば、最大２０，０００Ｓ／ｍ、または最大９０，０００Ｓ／ｍである。

いくつかの実施形態において、コンパウンドは、複数の炭素凝集体を含むグラフェン系炭素材料を含有し、各炭素凝集体は複数の炭素ナノ粒子を有し、各炭素ナノ粒子はグラフェンと少なくとも１種の他の炭素同素体の混合物を含み、シード（すなわち、核生成またはコア）粒子を含まない。上記グラフェン系炭素材料中のグラフェンは最大１５の層を有する。上記炭素凝集体中の水素を除く他の元素に対する炭素の割合は９９％を超える。上記炭素凝集体のメジアン径は1〜１００ミクロンである。上記炭素凝集体の表面積は、被吸着物質として窒素を使用するＢＥＴ法を用いて測定した場合、少なくとも１０ｍ^２／ｇである。上記炭素凝集体の圧縮成型した場合の電気伝導率は１００Ｓ／ｍを超え、または５００Ｓ／ｍを超え、例えば、最大２０，０００Ｓ／ｍ、または最大９０，０００Ｓ／ｍである。

いくつかの実施形態において、上記充填材に用いられる上記炭素材料は、「マイクロ波化学処理」との名称の米国特許第９，８１２，２９５号、または「マイクロ波化学処理反応器」との名称の米国特許第９，７６７，９９２号に記載される任意且つ適宜のマイクロ波反応器及び／または方法などのマイクロ波プラズマ反応器及び方法を用いて製造され、上記特許は本出願と同一の譲受人に譲渡され、全ての目的に対してその全てが本明細書に記載されるのと同様に、参照により本明細書に援用される。

いくつかの実施形態において、上記充填材に用いられる上記炭素材料は、「カーボン同素体」との名称の米国特許第９，８６２，６０６号に記載され、上記特許は本出願と同一の譲受人に譲渡され、全ての目的に対してその全てが本明細書に記載されるのと同様に、参照により本明細書に援用される。

いくつかの実施形態において、上記充填材に用いられる上記炭素材料は、「プロセスガスの分解」との名称の米国特許第９，８６２，６０２号に記載される任意且つ適宜の熱装置及び／または方法などの熱分解装置及び方法を用いて製造され、上記特許は本出願と同一の譲受人に譲渡され、全ての目的に対してその全てが本明細書に記載されるのと同様に、参照により本明細書に援用される。

いくつかの実施形態において、上記充填材に用いられる上記炭素材料の水素を除く他の元素に対する炭素材料の割合は９９％を超える、または９９．５％を超える、または９９．７％を超える、または９９．９％を超える、または９９．９５％を超える。

いくつかの実施形態において、上記充填材に用いられる上記炭素材料の表面積は、被吸着物質として窒素を使用するブルナウアー・エメット・テラー（ＢＥＴ）法（すなわち、「窒素を使用するＢＥＴ法」もしくは「窒素ＢＥＴ法」）または密度汎関数理論（ＤＦＴ）法を用いて測定した場合、５０〜１５００ｍ^２／ｇ、または５０〜１０００ｍ^２／ｇ、または５０〜５５０ｍ^２／ｇ、または５０〜４５０ｍ^２／ｇ、または５０〜３００ｍ^２／ｇ、または１００〜３００ｍ^２／ｇ、または５０〜２００ｍ^２／ｇ、または５０〜１５０ｍ^２／ｇ、または６０〜１１０ｍ^２／ｇ、または５０〜１００ｍ^２／ｇ、または７０〜１００ｍ^２／ｇである。

いくつかの実施形態において、上記充填材に用いられる上記炭素材料の、（例えば、ディスク、ペレットなどに）圧縮成形し、任意選択でアニールした場合の電気伝導率は、５００Ｓ／ｍを超える、または１０００Ｓ／ｍを超える、または２０００Ｓ／ｍを超える、または５００Ｓ／ｍ〜２０，０００Ｓ／ｍ、または５００Ｓ／ｍ〜１０，０００Ｓ／ｍ、または５００Ｓ／ｍ〜５０００Ｓ／ｍ、または５００Ｓ／ｍ〜４０００Ｓ／ｍ、または５００Ｓ／ｍ〜３０００Ｓ／ｍ、または２０００Ｓ／ｍ〜５０００Ｓ／ｍ、または２０００Ｓ／ｍ〜４０００Ｓ／ｍ、または１０００Ｓ／ｍ〜５０００Ｓ／ｍ、または１０００Ｓ／ｍ〜３０００Ｓ／ｍである。

いくつかの実施形態において、上記充填材に用いられる上記炭素材料の、（例えば、ディスク、ペレットなどに）圧縮成形し、任意選択でアニールした場合の熱伝導率は、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜５０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、または１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、または１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、または１Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

本明細書に記載の炭素材料（例えば、官能化及び／もしくはナノ混合を伴うまたは伴わないグラフェン系炭素材料）の表面積、構造、ならびに／あるいは表面活性は、炭素粒子の製造の間にパラメータを変更することにより調整することができる。例えば、反応器への投入物質（すなわち反応剤）は生成する炭素材料の表面積、構造、及び／または表面活性に影響を与える場合がある。投入物質のいくつかの例としては、メタンなどの気体炭化水素、及びイソプロピルアルコールなどの液体アルコールがある。別の例において、反応器内の滞留時間は、生成する炭素の同素体、ならびに粒子の径、生成する凝集体の径及び形状（すなわち構造）に影響を与える場合がある。いくつかの実施形態において、上記滞留時間は、反応器中への投入物質の流速によって影響を受ける。上記炭素材料の表面積に影響を与える可能性のあるプロセスパラメータのその他の例としては、反応温度、ガス速度、及び反応器圧力がある。更に、反応器内の流動力学（すなわち、層流または乱流）は生成する炭素材料の構造に影響を与える可能性がある。上記において参照により援用された特許及び特許出願は、望ましい表面積及び構造を有する炭素材料（例えばグラフェン系炭素材料）の例、ならびに本グラフェン系炭素材料の製造システム及び製造方法を提供する。

図２に戻って、この図は、従来の炭素材料の一覧の一部、及びＡＳＴＭ基準に準拠した、これらの材料をキャラクタライズするいくつかの特性を示す。本明細書に記載のグラフェン系炭素材料の特性は、図２に示すグレードを含む、但しこれに限定されない、タイヤ用のＡＳＴＭ炭素分類の全てのグレードの直接の代替品となり得るように調整することができる。より詳細には、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料（官能化炭素材料及びナノ混合炭素材料を含む）は、Ｎ３３９〜Ｎ１１０の全体のタイヤ用のＡＳＴＭ炭素分類の直接の代替品となり得るように調整することができる。例えば、マイクロ波反応器を使用して製造されるグラフェン系炭素材料の場合、マイクロ波処理パラメータを変更して、いずれの炭素同素体が生成するか、及びそれぞれの炭素同素体の生成速度に影響を与えることができ、これらは、上記グラフェン系炭素材料の特性及びそれらの材料を配合したコンパウンドの特性に影響を与える。変更して、生成するグラフェン系炭素材料の特性に影響を与えることができるマイクロ波処理パラメータのいくつかの非限定的な例としては、前駆体物質の流量、マイクロ波パラメータ（例えば、エネルギー、出力、パルス繰り返し数）、チャンバの形状、反応温度、フィラメントの有無、ならびに利用する前駆体及び供給ガスの種がある。本明細書に記載のグラフェン系炭素材料は、タイヤにおける炭素材料の直接の代替品となることに加えて、他のエラストマーコンパウンドにおける炭素充填材の直接の代替品にもなり得る。

いくつかの実施形態において、生成する炭素粒子を機能化するまたは上記粒子とナノ混合するために反応器中に添加される種は、上記炭素粒子及び／または凝集体が生成している帯域で反応器中に投入されるか、または上記炭素粒子及び／または凝集体が生成している帯域の下流で反応器中に投入される。例えば、Ｈ_２Ｓなどの官能化ガスは、上記炭素粒子及び／または凝集体が生成している反応器の帯域に投入してもよく、Ｓなどの官能化ガスの構成成分が、炭素粒子が生成している際に該炭素粒子中に導入される。その場合、上記官能化ガスは、炭素粒子が生成している際に各グラファイト層中に導入されることにより、該炭素粒子の表面積、構造、及び表面活性に影響を与える場合がある。別の例において、オゾンなどの官能化ガスは、上記炭素粒子及び／または凝集体が生成している帯域の下流で反応器中に投入してもよい。その場合、上記官能化ガスは、炭素粒子及び／または凝集体に対して、それらが生成した後に影響を与えることにより、炭素粒子の表面積、構造、及び表面活性に影響を与える場合がある。オゾンの場合、これは、生成した炭素粒子及び／または凝集体の表面をエッチング及び／または孔食することによって行われ、それによりそれらの表面積を増加させる。

いくつかの実施形態において、上記充填材に用いられる上記炭素材料は、複数の反応チャンバを備える反応器を使用して製造される。いくつかの実施形態において、１基または複数基の上記反応チャンバは熱反応チャンバであり、且つ１基または複数基の上記反応チャンバはマイクロ波プラズマ反応チャンバである。異なる実施形態において、上記複数の反応チャンバは、互いに平行に、互いに直列に、または互いに平行及び直列の組み合わせで構成してもよい。いくつかの実施形態において、１基のチャンバは特定の特性を有するグラフェン系炭素粒子を生成するように構成され、それらの粒子は第２のチャンバに移送され、第２のチャンバは上記粒子上及び／または上記粒子の周囲に異なる特性をもつグラフェン系炭素材料を生成するように構成される。他の実施形態において、第１のチャンバは特定の特性を有するグラフェン系炭素粒子を生成するように構成され、第２のチャンバは異なる特性を有するグラフェン系炭素粒子を生成するように構成され、上記２基のチャンバの出口が接続され（例えば「Ｔ字型」の接続）、その結果第１の組の粒子と第２の組の粒子が別個に生成し、次いで生成後に互いに混合される。

いくつかの実施形態において、上記充填材に用いられる上記炭素材料は、複数の反応器チャンバを備える反応器を使用して製造され、１基のチャンバを用いてナノ混合添加剤を処理する（例えば、投入されたプロセスガスまたは液体からナノ混合添加剤粒子を生成させる）。次いで、処理されたナノ混合添加剤は、プロセス物質（例えば炭化水素ガス）が分解してナノ混合グラフェン系炭素材料を生成する後続のチャンバに移送されてもよい。

いくつかの実施形態において、上記充填材に用いられる上記炭素材料は、複数の反応チャンバを備える反応器を使用して製造され、１基または複数基の反応チャンバを用いて、上記グラフェン系炭素材料、ナノ混合添加剤、及び／またはナノ混合グラフェン系炭素材料を官能化する。例えば、反応器は３基のチャンバを有していてもよい。この例における第１のチャンバはナノ混合材料粒子を生成させてもよい（例えば、シランガスを分解することによりシリカ粒子を生成する）。この例における第２のチャンバは、（例えば、上記シリカ粒子上にカップリング剤分子を添加することにより）上記ナノ混合材料粒子を官能化してもよい。この例における第３のチャンバは、（例えば、炭化水素プロセスガスを分解することにより）官能化シリカ粒子がナノ混合されたグラフェン系炭素を生成させてもよい。別の例において、前出の例の３基のチャンバシステムに第４のチャンバを追加してもよい。この場合、第４のチャンバは、（例えば、ナノ混合粒子の露出したグラフェン系炭素材料表面に第２のカップリング剤分子を添加することにより）ナノ混合グラフェン系炭素材料を更に官能化する。

本明細書に記載の炭素材料及び／または凝集体の表面積、構造、及び表面活性を、後処理を用いて調整してもよい。いくつかの実施形態において、上記炭素材料（例えば、グラフェン系炭素材料）の他の種による官能化または他の種との混合は、反応器内のプロセスよりもむしろ後処理を用いて行われる。いくつかの実施形態において、本明細書に記載の炭素材料及び／または凝集体（例えば、グラフェンを含有する）を生成させ且つ収集し、後処理は行わない。他の実施形態において、本明細書に記載の炭素材料及び／または凝集体を生成させ且つ収集し、何らかの後処理を行う。後処理のいくつかの例としては、ボールミリング、粉砕、摩擦、マイクロ流動化、ジェットミリング、及び中に含まれる炭素同素体を損傷することなく粒子径を低減するためのその他の技法などの機械的処理が挙げられる。後処理のいくつかの例としては、とりわけ、せん断混合、化学的エッチング、酸化（例えばハマー法）、熱アニーリング、アニーリング中の間に元素（例えば、Ｓ及びＮ）を添加することによるドーピング、水蒸気処理、ろ過、及び凍結乾燥（ｌｙｐｏｌｉｚｉｎｇ）などの剥離プロセスが挙げられる。後処理のいくつかの例としては、ＳＰＳ（放電プラズマ焼結、すなわち直流焼結）、マイクロ波、及びＵＶ（紫外線）などの焼結プロセスが挙げられ、これらは不活性ガス中で高圧及び高温で実施してもよい。いくつかの実施形態において、複数の後処理方法を同時にまたは逐次的に用いてもよい。いくつかの実施形態において、上記後処理により、本明細書に記載の官能化炭素ナノ粒子または凝集体が生成することとなる。

いくつかの実施形態において、上記後処理（例えば、機械的粉砕、摩砕、または剥離による）後の炭素凝集体の表面積は、窒素ブルナウアー・エメット・テラー（ＢＥＴ）法（すなわち、被吸着物質として窒素を使用するＢＥＴ法）または密度汎関数理論（ＤＦＴ）法を用いて測定した場合、５０〜１５００ｍ^２／ｇ、または５０〜１０００ｍ^２／ｇ、または５０〜５５０ｍ^２／ｇ、または５０〜４５０ｍ^２／ｇ、または５０〜３００ｍ^２／ｇ、または１００〜３００ｍ^２／ｇ、または５０〜２００ｍ^２／ｇ、または５０〜１５０ｍ^２／ｇ、または６０〜１１０ｍ^２／ｇ、または５０〜１００ｍ^２／ｇ、または７０〜１００ｍ^２／ｇである。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載の炭素材料及び／または凝集体が生成し且つ収集され、その後、更なる元素または化合物が添加され、それにより表面積、構造、及び／または表面活性が変化する。例えば、後工程において硫黄を添加して、炭素層を強制的に分離することにより、上記炭素材料及び／または凝集体の表面積を増加させることができる。例えば、硫黄を添加することにより、硫黄を含まない材料と比較して表面積が２〜３倍増加する。表面積を増加させる別の方法は酸化後処理によるものである。例えば硫黄を用いる本明細書に記載の方法により、導電性の高表面積を有する粒子を生成させることができる。

いくつかの実施形態において、更なる元素（例えば硫黄）を添加する後段での後処理後の上記炭素材料及び／または凝集体の表面積は、窒素ブルナウアー・エメット・テラー（ＢＥＴ）法または密度汎関数理論（ＤＦＴ）法を使用して測定した場合、５０〜１５００ｍ^２／ｇ、または５０〜１０００ｍ^２／ｇ、または５０〜５５０ｍ^２／ｇ、または５０〜４５０ｍ^２／ｇ、または５０〜３００ｍ^２／ｇ、または１００〜３００ｍ^２／ｇ、または５０〜２００ｍ^２／ｇ、または５０〜１５０ｍ^２／ｇ、または６０〜１１０ｍ^２／ｇ、または５０〜１００ｍ^２／ｇ、または７０〜１００ｍ^２／ｇである。

グラフェン系炭素材料を含有するエラストマー
実施形態は、タイヤ製造における用途について記載されることとなるが、これらの実施形態は、エラストマーコンパウンドの製造に関連するまたは伴う任意の製造プロセスに利用することができる。実施形態は、エラストマー原料（またはエラストマー材料）及び充填材からなるエラストマーコンパウンドを含み、上記充填材は炭素材料（例えば、グラフェン系炭素材料、カーボンブラックなど）、シリカ、及び他の強化充填材を含む。いくつかの実施形態において、グラフェン系炭素材料は上記充填材の大部分を構成する。エラストマー材料の例としては、合成ゴム、天然ゴム、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、標準マレーシアゴムグレードＬ（ＳＭＲＬ）、ニトリルゴム、シリコーンゴム、及びフッ素エラストマーがある。上記グラフェン系炭素材料は、少なくとも５％のグラフェン、または少なくとも１０％のグラフェンなどのグラフェンを含む。いくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料は、グラフェン及び該グラフェン以外の少なくとも１種の炭素同素体を含有し、上記グラフェンとグラフェン以外の上記炭素同素体との比は、１：１００〜１０：１、１：２０〜１０：１、または１：１０〜１０：１である。いくつかの実施形態において、上記更なる炭素同素体は、非晶性炭素、カーボンブラック、多層球状フラーレン、カーボンナノチューブ、またはグラファイトである。いくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料は、少なくとも５％のグラフェン、または少なくとも１０％のグラフェンなどのグラフェンを含み、多層球状フラーレンを含んでいてもよい。上記グラフェン系炭素材料は、従来のカーボンブラックの代替品であり、その結果、本実施形態の充填材が含有するカーボンブラックは、従来のエラストマーコンパウンドよりも少ない。例えば、カーボンブラックは上記充填材の１０％未満であってよい。実施形態はエラストマーコンパウンドの製造方法も含み、該方法においては、反応器中で炭化水素分解が行われて、グラフェン系炭素材料が生成する。いくつかの実施形態において、上記グラフェン系材料は、グラフェン、及び／または多層球状フラーレン、及び／または非晶性炭素を含有する。エラストマー原料（またはエラストマー材料）は充填材と混合され、上記グラフェン系炭素材料がエラストマーコンパウンド用の充填材の大部分を占める。

いくつかの実施形態において、エラストマーコンパウンドには複数の種類の充填材が含まれる。例えば、炭素充填材と非炭素充填材（例えばシリカ）をエラストマーコンパウンドに混合してもよい。別の例として、複数の種類の本発明のグラフェン系炭素材料、及び従来のカーボンブラックと混合された本発明のグラフェン系炭素材料などの、複数の種類の炭素充填材を用いてもよい。いくつかの実施形態において、複数の種類の充填材を混合して、それぞれの種類の充填材の利点を得ることが有利である。例えば、（例えばＤＢＰ吸収量で測定して）高い構造の充填材は当該コンパウンドの硬化時間を短縮でき、高表面積の充填材は当該コンパウンドの引き裂き強度を向上させることができる。

いくつかの実施形態において、本発明のグラフェン系炭素材料のグラフェンの割合は、少なくとも５％、または少なくとも１０％、または少なくとも２０％、または最大で１００％のグラフェンであってよい。

いくつかの実施形態において、エラストマー配合物は、エラストマーと炭素材料を含有する充填材とを含有する。上記エラストマー配合物は、粘度調整剤または硫黄架橋剤を含んでいてもよい。更に、上記エラストマーコンパウンドには他の添加剤が含まれていてもよい。エラストマーに添加してもよいその他の添加剤の非限定的な例としては、ＴＤＡＥ油、酸化亜鉛、ステアリン酸、６ＰＰＤなどの酸化防止剤またはオゾン劣化防止剤、Ｎｏｃｈｅｋ（登録商標）４７２９Ａワックスなどのワックス材、ＴＭＱ、及び硫黄がある。更に、エラストマーは多くの場合、促進剤（例えば、Ｎ−ｔｅｒｔ−ブチル−２−ベンゾチアジルスルホンアミドまたはＮ−ｔｅｒｔ−ブチルベンゾチアゾールスルホンアミドとしても知られるＴＢＢＳ）を含み、該促進剤は上記構成成分からのエラストマーコンパウンドの形成を促進する。いくつかの実施形態において、全ての上記添加剤が、１段階で、または複数の段階で上記エラストマーコンパウンドに混合される。

いくつかの実施形態において、いくつかの添加剤は、上記の炭素官能化手法またはナノ混合手法のいずれかによって炭素材料に導入してもよい。添加剤を上記炭素材料に融合させることには、当該添加剤の上記炭素材料とのより良好な混合を達成すること、炭素粒子生成の間に上記添加剤を導入することによってより望ましい表面活性を達成すること、及び必要なプロセスステップの総数を低減することを含むいくつかの利点がある。

上記の例に加えて、強化エラストマーコンパウンドに含まれていてもよいいくつかの他の種類の添加剤及び充填材がある。強化エラストマーコンパウンドに含まれていてもよい充填材の非限定的な例としては、分解物（例えば粉砕炭酸カルシウム及び粉炭）、希釈剤（例えば沈降炭酸カルシウム及び軟質クレー）、半強化充填材（例えば二酸化チタン及び酸化亜鉛）、ならびに強化充填材（例えば、炭素材料、シリカ、酸化マグネシウム、及び熱硬化性樹脂）がある。強化エラストマーコンパウンドに含まれていてもよい可塑剤のいくつかの非限定的な例としては、石油系可塑剤（例えば、パラフィン油、ナフテン油、または芳香族油）、ならびに非石油系可塑剤（例えばグルタル酸エステル及びアジピン酸エステル）がある。強化エラストマーコンパウンドに含まれていてもよい、エラストマーの表面またはエラストマーのバルクのいずれかにおいて潤滑性を付与する加工助剤のいくつかの非限定的な例としては、脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、有機シリコーン及びワックスがある。強化エラストマーコンパウンドに含まれていてもよい劣化防止剤の非限定的な例としては、酸化防止剤（例えばアミン及びフェノール）、オゾン劣化防止剤（アミン及びキノリン）、熱安定剤、フレックス剤、光安定剤、金属イオン剤、及び非ゲル剤がある。

本明細書に記載のグラフェン系炭素材料の表面積、構造、及び表面活性に起因して、これらの材料を含有するエラストマーでは、いくつかの実施形態において、従来のエラストマーコンパウンドよりも使用する促進剤を少なくすることができる。換言すれば、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドは、より少ない促進剤を使用するか、または促進剤（例えば、ＴＢＢＳ、またはＤＰＧ（ジフェニルグアニジン））の使用量を最小限に抑え、従来の炭素材料を含有するコンパウンドと同様の硬化時間を達成できる。このことは、促進剤として用いられる種々の化学品、すなわち、その使用をめぐって厳しく規制がなされるＤＰＧの毒性を始めとする、多くの理由で有利である。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンド（シリカを含有するこれらのコンパウンド及びシリカを含まないこれらのコンパウンドを包含する）中のＤＰＧの濃度は、２ＰＨＲ（ゴム１００部当りの部）未満、または１ＰＨＲ未満、または０．５ＰＨＲ未満、または約ゼロである。

エラストマーを加硫し、炭素粒子などの強化材と混合すると、加硫の進行をキャラクタライズすることができる。加硫の進行をキャラクタライズするためのかかる方法の１つに、レオメータに基づく測定（例えばＡＳＴＭ Ｄ５２８９−１２）の使用がある。加硫が進むとエラストマーの硬さ（及び粘度）が上昇し、硬さは（例えばレオメータを用いて）イン・シチュで測定することができる。かかる測定において得られる指標のいくつかは、レオメータの最大及び最小トルク（すなわち粘度の尺度）、硬化時間、及びスコーチ時間である。最大トルクは硬化したエラストマーコンパウンドの硬さの尺度であり、最小トルクは未硬化のエラストマーコンパウンドの硬さの尺度である。使用するエラストマーの種類、全ての強化充填材の特性及び濃度、使用する促進剤の種類及び濃度などの、いくつかの因子が最大トルク及び最小トルクに寄与する場合がある。いくつかの測定において、記録されるトルクが平衡値または最大値のいずれかに達したところで試験は完了する。次いで、硬化時間が測定したトルクの示された変化によってキャラクタライズされる。例えば、５０％の硬化が生じる時間（例えば、ｔ_５０またはｔｃ_５０）は、トルクが平衡値または最大値のいずれかの５０％に達した時間から決定することができる。同様に、９０％の硬化が生じる時間（例えば、ｔ_９０、またはｔｃ_９０）は、トルクが平衡値または最大値のいずれかの９０％に達した時間から決定することができる。スコーチ時間は、加硫が開始するのに要する時間、例えば、トルクが最小トルク値の２単位上まで上昇する時間（例えば、ｔ_ｓ２）に関連する指標である。

グラフェン系炭素充填材を含むエラストマーの特性
本明細書に記載のグラフェン系炭素材料をコンパウンド中に配合して、低転がり抵抗（転がり抵抗は燃費に関係する）、高燃費（ｈｉｇｈ ｍｉｌｅａｇｅ）、高い冬季トラクション、高い氷上トラクション、高いウェットトラクション、高燃費（ｈｉｇｈ ｆｕｅｌ ｅｃｏｎｏｍｙ）、高いドライハンドリング、高いドライトラクション、高いドライハンドリング、長いトレッド寿命、及び／または高い静電気放電性を含む、但しこれらに限定されない有利な特性を有するタイヤを製造することができる。いくつかの場合において、上記グラフェン系炭素材料の物理的特性（例えば、表面積、構造、表面活性、粒径）及び／または電気的特性（例えば電気伝導率）は、当該炭素材料を含有するコンパウンドの特性の向上の要因となる。例えば、上記グラフェン系炭素材料の高表面積は、該炭素材料を含有するコンパウンドの高いタンデルタ値（低温時）の要因となり、この高いタンデルタ値からは良好な氷上トラクション及びウェットトラクションを有するタイヤが予測される。次の例として、上記グラフェン系炭素材料の高い電気伝導率は、該炭素材料を含有するコンパウンド（及び該コンパウンドから製造されるタイヤ）の高い静電気放電性の要因となる。

タイヤ用途向けに製造されるエラストマーは、一般的に、加工されるエラストマー材料の能力、エラストマーの物理的特性、及びタイヤ用途における予測される性能をキャラクタライズするために一連の試験を受ける。

エラストマーコンパウンド中の粒子状充填材（例えば炭素強化充填材）の分散の程度は、試料の画像を一連の標準試料と比較する光学顕微鏡法を用いてキャラクタライズすることができる。かかる測定の１つが、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ分散評価である。この測定では、（例えば、カミソリの刃で切断することにより）試料を調製し、特定の照明条件下で撮像し、標準品の尺度と比較する。視認可能な不均一性（例えば、粒子のマクロスケールの凝集体）が多く見られるほど、分散はより悪く、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ分散評価はより低くなる。Ｐｈｉｌｌｉｐｓ分散評価は１０点の等級を用い、１０は観測される不均一性の数が最も少ない（すなわち最良の分散）であり、評価１は、観測される不均一性の数が最も多い（すなわち最悪の分散）に相当する。

エラストマーコンパウンドの物理的特性（例えば、デュロメータ硬さ、引張強さ、破断点伸び、及び異なる伸びにおける弾性率）も、例えばＡＳＴＭ Ｄ４１２−１６及びＡＳＴＭ Ｄ２２４０−１５を用いて測定することができる。加速老化（例えば熱老化）時の物理的特性の変化も、例えばＡＳＴＭ Ｄ５７３−０４（２０１５）を用いて測定することができる。引裂強さは、例えばＡＳＴＭ Ｄ６２４−００（２０１２）を用いて測定することができる別の物理的特性である。エラストマーコンパウンドの物理的特性（例えば、デュロメータ硬さ、引張強さ、破断点伸び、異なる伸びにおける弾性率、及び引裂強さ）は、使用するエラストマーの種類、ならびに全ての強化充填材の特性及び濃度などの多くの因子によって影響を受ける場合がある。

エラストマーの耐摩耗性は、多くの用途における別の重要な特性である。摩耗量は、例えばＤＩＮ ５３ ５１６及びＡＳＴＭ Ｄ５９６３−０４（２０１５）試験規格を用いて測定することができる。これらの試験は、一般に、研磨シートを有する回転ドラムの表面に、正確に規定された力を用いてエラストマーの試料を押し付けることを含む。エラストマーコンパウンドの耐摩耗性は、使用するエラストマーの種類、ならびに全ての強化充填材の特性及び濃度を含む、多くの因子の影響を受ける場合がある。

エラストマーの圧縮永久ひずみは、印加された力が取り除かれた後に残る永久変形の尺度である。圧縮永久ひずみは、例えば、ＡＳＴＭ Ｄ３９５−１６ｅ１、方法Ｂ試験規格を用印いて測定することができる。これらの試験は一般に、圧縮応力の長時間の印加、応力の除去、及び試料の変形の測定が含まれる。エラストマーコンパウンドの圧縮永久ひずみ特性は、使用するエラストマーの種類、ならびに全ての強化充填材の特性及び濃度を含む、多くの因子の影響を受ける場合がある。

強化エラストマーの動的粘弾性特性は、タイヤ用途における当該エラストマーの性能を予測するために一般に用いられる。例えば、動的粘弾性特性は、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６試験規格を用いて測定することができる。用いられるいくつかの一般的な指標は、種々の温度におけるＧ’貯蔵弾性率、タンデルタ、及びＪ’’損失コンプライアンスである。それぞれの指標は異なるタイヤの性能特性に関係する。例えば、３０℃及び６０℃などのより高い温度におけるタンデルタは転がり抵抗の良好な予測因子である。より高いタンデルタ値はより高いヒステリシス、延いてはより高い転がり抵抗及び燃費の悪化を示す。−２０℃などの低温におけるＧ’貯蔵弾性率は冬季トラクションの良好な予測因子であり、３０℃などの高温におけるＧ’はドライハンドリングの良好な予測因子である。タイヤがカーブを曲がっているときにはトレッドコンパウンドがより硬くなるため、剛性がより高いコンパウンドはより高いドライハンドリングを与える。一方、ドライトラクションは、ドライハンドリングとは大きく異なる。より柔らかく、より柔軟なコンパウンドは路面により追従し、より大きな接触面積を与えるため、より良好なドライトラクションを与える。より高いタンデルタ（より高いヒステリシス）を有するコンパウンドはドライトラクションに望ましい傾向がある。３０℃におけるＪ’’損失コンプライアンスがより高いことも、ドライトラクションがより高いことの良好な予測因子である。氷上トラクション及びウェットトラクション性能は、−１０℃（氷上）及び０°Ｃ（ウェット）の低温でのより高いタンデルタ（より高いヒステリシス）によって予測される。というのも、より低温はトラクションで見られる高周波数と等価であるからである。

強化エラストマーをキャラクタライズするのに用いられる他の２種の動的材料特性はマリンス効果及びペイン効果である。マリンス効果及びペイン効果は、例えばＡＳＴＭ ５９９２−９６（２０１１）を用いて測定することができ、これにより、１回目の掃引において試料の動的ひずみに対する弾性率が測定され、次いで２回目の掃引で繰り返される。マリンス効果は、１回目の掃引における０．００１％のひずみでのＧ’貯蔵弾性率と２回目の掃引における０．００１％のひずみでのＧ’との間の差の尺度である。マリンス効果は、１回目と２回目のひずみ掃引の間で観測される動的応力軟化に関係し、これは、１回目のひずみ掃引の間にポリマー−充填材マトリクスが引き離され、再形成する時間がないことに起因する可能性がある。ペイン効果は、１回目の掃引における０．００１％のひずみでのＧ’貯蔵弾性率と２回目の掃引における０．０５％のひずみでのＧ’との差の尺度である。より低いペイン効果は充填材の分散がより良好であることを示す可能性があり、これは、充填材粒子がより微細であり、ポリマー全体により均一に分布し、再凝集する可能性が低くなることによる。ペイン効果は一般的に、充填ゴムコンパウンドにおいて見られ、ガムコンパウンドでは見られない。

（例えば、上記試験を用いて測定した）本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を配合したエラストマーコンパウンドの特性は、当該コンパウンドから製造される車両用タイヤの性能の予測因子として用いることができる。例えば、混合時のレオメータの最大トルクが高いことが、デュロメータ硬さ値が高いこと及び弾性率値が高いことと組み合わさることにより、当該グラフェン系炭素材料が望ましい強化特性を有し、該特性はタイヤのトレッドグレードの炭素に有利であることが予測される（該グラフェン系炭素材料はＮ２３４及びＮｌ１０などの、より小さな番号のＡＳＴＭ Ｎ分類のタイヤ充填材炭素材料を置き換えることができる）。例えばモノレール用タイヤに用いるための、高い硬さを有する、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を配合したエラストマーコンパウンドを製造することもできる。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ２２４０−１５により測定したメジアンショアＡデュロメータ硬さは、７０〜８０、または５５〜８０である。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ４１２−１６により測定したメジアン引張強さは、１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ、または１５ＭＰａ〜２０ＭＰａ、または２０ＭＰａ〜３５ＭＰａである。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ４１２−１６により測定したメジアン破断点伸びは、４００％〜５００％、または３００％〜４００％、または２００％〜５２５％である。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ４１２−１６により測定したメジアン５０％弾性率は、１．５ＭＰａ〜２．５ＭＰａ、または１．０ＭＰａ〜２．０ＭＰａである。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ４１２−１６により測定したメジアン１００％弾性率は、２ＭＰａ〜４ＭＰａ、または１．７５ＭＰａ〜４ＭＰａである。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ４１２−１６により測定したメジアン２００％弾性率は、７ＭＰａ〜９ＭＰａ、または５ＭＰａ〜９ＭＰａである。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ４１２−１６により測定したメジアン３００％弾性率は、１３ＭＰａ〜１６ＭＰａ、または１０ＭＰａ〜１７ＭＰａである。

上記グラフェン系炭素材料を配合したコンパウンドの特性を組み合わせることによって、上記コンパウンドから製造した自動車用タイヤの性能の予測因子となり得る。例えば、混合時のレオメータの最大トルクが高いことが、ショア硬さ値が高いこと及び弾性率値が高いことと組み合わさることにより、当該グラフェン系炭素材料が望ましい強化特性を有し、該特性はタイヤのトレッドグレードの炭素に有利であることが予測される（該グラフェン系炭素材料はＮ２３４及びＮｌ１０などの、より小さな番号のＡＳＴＭ Ｎ分類のタイヤ充填材炭素材料を置き換えることができる）。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ６２４−００（２０１２）により測定したメジアン引裂強さは、６０ｋＮ／ｍ〜７０ｋＮ／ｍ、または６０ｋＮ／ｍ〜１１０ｋＮ／ｍである。本発明のグラフェン系材料の高表面積は、本発明のコンパウンドの引裂強さが従来の炭素充填材を用いたコンパウンドの引裂強さと同等またはそれ以上になることの要因となる場合がある。官能化グラフェン系材料が用いられる場合、この官能化によって、本発明のコンパウンドの引裂強度が、従来の炭素充填材を用いたコンパウンドの引裂強さと比較して向上する場合もある。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ４１２−１６により測定したメジアン摩耗量は、７０ｍｍ^３〜１００ｍｍ^３または８０ｍｍ^３〜９０ｍｍ^３である。本発明のグラフェン系材料の構造（例えば高アスペクト比の幾何学）、または従来のカーボンブラック材料と比較して本発明のグラフェン系材料の粒子径が小さいことは、本発明のコンパウンドの耐摩耗性が従来の炭素充填材を用いたコンパウンドの耐摩耗性と同等またはそれ以上であることの要因となる場合がある。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドのＰｈｉｌｌｉｐｓ分散評価は６〜１０、または８〜１０である。本発明のグラフェン系材料の粒子径がより小さいことは、本発明のコンパウンド中の粒子の分散が、エラストマーコンパウンド中の従来の炭素充填材の分散と同等またはより良好であることの要因となる場合がある。官能化グラフェン系材料が用いられる場合、この官能化によって、本発明のコンパウンド中の粒子の分散が、エラストマーコンパウンド中の従来の炭素充填材の分散と比較して向上する場合もある。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ３９５−１６ｅ１、方法Ｂにより測定した圧縮永久ひずみは、２０％〜３０％、または２５％〜３０％である。本発明のグラフェン系材料の高表面積及び／または構造は、本発明のコンパウンドの圧縮永久ひずみが従来の炭素充填材を用いたコンパウンドの引裂圧縮永久ひずみと同等またはそれ以上であることの要因となる場合がある。官能化グラフェン系材料を用いる場合、この官能化により、従来の炭素充填材を用いたコンパウンドの圧縮永久ひずみと比較して、本発明のコンパウンドの圧縮永久ひずみも向上する場合がある。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ２５７−１４により測定した電気抵抗率は、１×１０^１３Ω・ｃｍ〜５×１０^１４Ω・ｃｍ、または５×１０^１３Ω・ｃｍ〜５×ｌ０^１４Ω・ｃｍ、または１×ｌ０^１４Ω・ｃｍ〜１×ｌ０^１５Ω・ｃｍである。上記電気抵抗率の改善は、本発明のグラフェン系炭素充填材のより高い電気伝導率に直接起因する場合がある。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの熱伝導率は、０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、または０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、または０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、または０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。熱伝導率の向上は、本発明のグラフェン系炭素充填材の熱伝導率がより高いことに直接起因する場合がある。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）により測定した−２０℃におけるＧ’貯蔵弾性率は、５ＭＰａ〜１２ＭＰａ、または８ＭＰａ〜９ＭＰａ、または９ＭＰａ未満である。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）により測定した−１０℃におけるタンデルタは、０．３５〜０．４０、または０．３５〜１．０、または０．８〜０．９、または０．８を超える。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）により測定した０℃におけるタンデルタは、０．３〜０．３５、または０．３〜０．６、または０．５〜０．６、または０．５を超える。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）により測定した３０℃におけるタンデルタは、０．１〜０．３、または０．１５〜０．２５、または０．２５未満である。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）により測定した３０℃におけるＧ’貯蔵弾性率は、１ＭＰａ〜６ＭＰａ、または５ＭＰａ〜６ＭＰａ、または１．５ＭＰａ〜２．５ＭＰａ、または１．５ＭＰａを超える。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）により測定した３０℃におけるＪ’’損失コンプライアンスは、４Ｅ−８ １／Ｐａ〜１Ｅ−７ １／Ｐａ、または９Ｅ−８ １／Ｐａ〜１Ｅ−７ ｌ／Ｐａ、または９Ｅ−８ １／Ｐａを超える。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）により測定した６０℃におけるタンデルタは、０．１〜０．３、または０．１０〜０．１５、または０．１５未満である。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）により測定した６０℃におけるＧ’貯蔵弾性率は、１ＭＰａ〜４ＭＰａ、または３ＭＰａ〜４ＭＰａ、または１ＭＰａ〜２ＭＰａ、または１．５ＭＰａを超える。この段落において説明する全ての特性は炭素の構造に由来すると考えられる。

いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ ５９９２−９６（２０１１）により測定したマリンス効果は、１×１０^４〜１×１０^６、または５×１０^４〜５×１０^５である。いくつかの実施形態において、本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、ＡＳＴＭ ５９９２−９６（２０１１）により測定したペイン効果は、１×１０^５〜１×１０^７、または１×１０^５〜５×１０^６である。本発明のグラフェン系材料のエネルギー（例えば熱）を放散する能力は、本発明のコンパウンドのマリンス効果及び／またはペイン効果が、従来の炭素充填材を用いたコンパウンドのマリンス効果及び／またはペイン効果と同等またはそれ以上であることの要因となる場合がある。

本明細書に記載のグラフェン系炭素材料及びエラストマーの特性は、本発明のグラフェン系炭素材料が多くの従来の炭素タイヤ充填材の直接の代替品として使用できることを示している。いくつかの実施形態において、本発明のグラフェン系炭素材料は、多くの従来の炭素タイヤ充填材よりも補強性が高く、環境面で有害な促進剤（例えば、ＴＢＢＳ及びＤＰＧ）の必要性を低減することができ、及び／またはエラストマーコンパウンド中のシリカと適合性がある（例えば、「生タイヤ」での使用に対して）。

図３は従来のラジアルタイヤ構造の断面図であり、丸で囲んだ構成要素は、本発明のグラフェン系炭素融合材料を用いることができる領域を示す。領域の例としては、サイドウォール、トレッド、ライナー、カーカスが挙げられるが、これらに限定はされない。一般的に異なる領域には異なる種類のゴムコンパウンドが用いられ、トレッドはタイヤの他の領域よりも高いグレードの材料（すなわち、Ｎの数字が小さく、耐摩耗性などの特性がより高い）を必要とする。異なる配合処方の本発明のエラストマーコンパウンドを、トレッド、サイドウォール、及びカーカスなどの、但しこれらに限定されない領域に用いることができる。

本明細書に記載のグラフェン系炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドの特性により、これらのコンパウンドは、自動車、航空宇宙、他の航空機、乗用車、オフロード機器、土木作業型車両、レース用、及びタイヤを使用するその他全て／類似の産業用途のタイヤなどの、種々の産業用のタイヤに使用することができる。

更に、グラフェン系炭素を含む本発明のエラストマーコンパウンドは、タイヤ以外の様々な用途に使用することができる。例えば、フッ素エラストマー（ＦＫＭ）は、航空宇宙用途及びその他の極度の高温または低温環境向けなどの、本発明のグラフェン系炭素材料の別の可能性のある用途である。上記グラフェン系炭素は製造時に硫黄をほとんど含まないことから、ＦＫＭに用いられる従来の炭素の魅力的な代替品である。水素化ニトリルブタジエンゴム（ＨＮＢＲ）は別の用途の領域であり、本発明のグラフェン系炭素は、油田用途及びその他の摩耗環境向けなどの標準的なカーボンブラックの直接の代替品となり得る。本発明の強化エラストマーコンパウンドは、ドアシール、ガスケット、防振用途、エネルギー減衰用途、ホース、コンベヤーベルト、エンジンベルト、及び他の多くの用途などの用途にも使用できる。

本発明の実施形態は、エラストマー材料と、充填材と、少なくとも１種の添加剤と、少なくとも１種の促進剤とを含むコンパウンドを含む。上記充填材はグラフェン系炭素材料を含む。上記グラフェン系炭素材料は、最大１５の層を含むグラフェンと、メジアン径が１〜５０ミクロンの炭素凝集体と、被吸着物質として窒素を用いるブルナウアー・エメット・テラー（ＢＥＴ）法によって測定した場合に少なくとも５０ｍ^２／ｇの上記炭素凝集体の表面積とを含み、且つシード粒子を含まない。

上記添加剤は、例えば、シランカップリング剤、油分、酸化亜鉛材料、ステアリン酸材料、ワックス材、可塑剤、オゾン劣化防止剤、酸化防止剤、粘度調整剤、及び硫黄架橋剤からなる群より選択される物質であってよい。上記促進剤は、例えば、Ｎ−ｔｅｒｔ−ブチル−２−ベンゾチアジルスルホンアミドを含んでいてもよい。他の実施形態において、上記促進剤は、Ｎ−ｔｅｒｔ−ブチル−２−ベンゾチアジルスルホンアミド及びジフェニルグアニジンを含んでいてもよく、Ｎ−ｔｅｒｔ−ブチル−２−ベンゾチアジルスルホンアミドの濃度はジフェニルグアニジンの濃度よりも高い。

いくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料はナノ混合グラフェン系炭素材料であり、該ナノ混合グラフェン系炭素材料は、シリカ、酸化亜鉛、及び二酸化チタンからなる群より選択される種を含む。いくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料は官能化グラフェン系炭素材料であり、該官能化グラフェン系炭素材料は、Ｈ、Ｏ、Ｓ、Ｎ、Ｓｉ、芳香族炭化水素、Ｓｒ、Ｆ、Ｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｂ、Ｇａ、Ｒｂ、及びＣｓからなる群より選択される種を含む。

本発明の実施形態はエラストマーコンパウンドの製造方法も含む。図３６は、ステップ３６１０において反応器を用意することと、ステップ３６２０において炭化水素プロセスガスを上記反応器に供給することとを含む実施形態のフローチャート３６００である。ステップ３６３０は、上記反応器中の炭化水素プロセスガスの炭化水素分解を実施して、グラフェン系炭素材料を生成させることを含む。ステップ３６４０は、エラストマー材料を少なくとも１種の充填材、少なくとも１種の添加剤、及び少なくとも１種の促進剤と混合することを含む。上記充填材は上記グラフェン系炭素材料を含む。上記グラフェン系炭素材料は、最大１５の層を含むグラフェンと、メジアン径が１〜５０ミクロンの炭素凝集体と、被吸着物質として窒素を用いるブルナウアー・エメット・テラー（ＢＥＴ）法によって測定した場合に少なくとも５０ｍ^２／ｇの上記炭素凝集体の表面積とを含み、且つシード粒子を含まない。上記反応器は熱反応器またはマイクロ波反応器であってよい。

上記方法のいくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料はナノ混合グラフェン系炭素材料であり、上記反応器中での上記炭化水素分解は、上記反応器中に第２の物質を供給することを更に含む。異なる実施形態において、上記反応器中に供給される第２の物質は、Ｓを含む液体または気体、Ｓｉを含む液体または気体、Ｈ_２ガス、Ｈ_２Ｓガス、シランガス、アンモニアガス、芳香族炭化水素化合物、Ｎａ、Ｋ、Ｂ、Ｃｒ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｇａ、及びＭｎを含有する粒子、気体、または液体、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、及びその他のハロゲンを含有する粒子、気体、または液体、ならびに酸素含有反応剤、酸化性反応剤、オゾン、過酸化水素、水酸化カリウム、塩化カリウム、塩酸、硝酸、クロム酸、過マンガン酸塩、及びジアゾニウム塩からなる群より選択される。

上記方法のいくつかの実施形態において、上記グラフェン系炭素材料は官能化されたグラフェン系炭素材料であり、上記反応器中での上記炭化水素分解は、炭化水素物質を上記反応器中に挿入することを更に含む。上記方法は、上記反応器中に第２の物質を挿入することも含み、第２の物質は、Ｈ_２ガス、Ｈ_２Ｓガス、シランガス、アンモニアガス、芳香族炭化水素化合物、Ｎａ、Ｋ、Ｂ、Ｃｒ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｇａ、及びＭｎを含有する粒子、気体、または液体、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、及びその他のハロゲンを含有する粒子、気体、または液体、ならびに酸素含有反応剤、酸化性反応剤、オゾン、過酸化水素、水酸化カリウム、塩化カリウム、塩酸、硝酸、クロム酸、過マンガン酸塩、及びジアゾニウム塩からなる群より選択される。

上記方法のいくつかの実施形態において、上記炭化水素分解プロセスと、エラストマー材料と少なくとも１種の充填材、少なくとも１種の添加剤、及び少なくとも１種の促進剤とを混合するプロセスとが同一の場所で実施される。

以下の実施例は本開示のいくつかの実施形態を表す。
実施例１：グラフェン系材料を含むエラストマーコンパウンド
本実施例において、熱反応器を用いてグラフェン系炭素粒子を生成させた。上記グラフェン系カーボン粒子を用いてエラストマーコンパウンドも製造した。

本明細書に記載されるように、熱分解炭素（ＴＣ）材料は熱反応器中で生成させた。本実施例において、ＴＣは多層球状フラーレン（ＭＷＳＦ）及び約３０％のグラフェンからなる材料であった。

図４はＴＣ材料の分析試験結果を示し、従来のカーボンブラック材料（グレードＮ１１５、Ｎ３３０、６５０、Ｎ１１０、Ｎ７７０、及びＮ３３９）の値も比較のために示す。「ヨウ素吸着量」測定は、ＡＳＴＭ Ｄ１５１０試験規格を用いて実施し、「吸油量」（すなわち、ＤＢＰ吸収量）測定は、ＡＳＴＭ ２４１４、方法Ｂを用いて実施した。上記ＴＣ試料はいくつかの標準物質と類似のヨウ素吸着及び吸油特性を示した。したがって、データは、本発明のグラフェン系炭素材料がゴム配合物中のカーボンブラックの実施可能な代替品であることを示している。（「ＢＭ炭素」は以下の実施例２を参照して記載していることに留意されたい。）
図５は、本実施例のＴＣ試料の、様々な従来のカーボンブラック材料と比較したヨウ素吸着量に対する吸油量のグラフである。図から判るように、ＴＣはＮ７８７、Ｎ７６２、Ｎ６６０に類似している。このグラフは、上記グラフェン系材料をカスタマイズすることによるなど、上記グラフェン系炭素を調整することによって得ることができた特性を備えたカーボンブラックグレード（例えば、Ｎ２３４、Ｎ３３９、Ｎ２２０、及びＮ１１０）の更なる例も示している。（例えば、炭素粒子の処理条件、官能化、ナノ混合、及び／またはＭＷＳＦなどの他の炭素同素体に対するグラフェンの割合の調整）。

図６は、本実施例におけるエラストマーと炭素材料とを含有するコンパウンドの配合処方を記載する。「対照」試料は業界標準ブラック第８番（ＩＲＢ＃８）充填材を含有し、「タイヤブラック試料」は、本実施例のＴＣ炭素充填材を含有していた。エラストマーはＳＢＲ１５００であり、約１００ＰＨＲ（ゴム１００部当りの部）で配合した。上記炭素材料を両方の試料において約５０ＰＨＲで配合した。図６に示すように、添加剤も添加し（例えば、酸化亜鉛、硫黄、及びステアリン酸）、且つ添加剤の種類と濃度は、２種の試料間で一定に維持した。両方の試料に関して、ＴＢＢＳが促進剤であり、上記構成成分からのエラストマーコンパウンドの形成を促進した。

図７は、本実施例の「対照」及び「タイヤブラック試料」の物理的特性を示す。試験した物理的特性としては、ＡＳＴＭ Ｄ４１２−０６ａ及びＤ２２４０試験規格を用いた伸び、曲げ弾性率、引張強さ、及びデュロメータ硬さが挙げられる。これらの試験においては、ＡＳＴＭ金型Ｃのダンベルを２０インチ／分のクロスヘッド速度で試験し、ダンベルは硬化後且つ試験前に２３℃で２４時間休ませ、デュロメータ値は瞬時の読み取りで得た。標準的な乗用車用タイヤの引張強さは３２００〜３９００ｐｓｉである。ＩＲＢ＃８は高品質のカーボンブラック材料であるため、本発明のグラフェン系炭素材料を含む「タイヤブラック試料」実施形態は、対照よりも低い引張強さを示したが、該試験試料の引張強さは、いくつかの標準的なカーボンブラック材料（例えばＮ７７４グレード）の範囲内にあることに留意されたい。

図８は、本実施例の「対照」及び「タイヤブラック試料」の発熱の試験結果を示す。ＡＳＴＭ Ｄ６２３、方法Ａに準拠し、１７５インチのストローク及び１８０ｃｐｍの速度でＧｏｏｄｒｉｃｈフレキソメータを用いた。発熱条件の負荷は１４３ｐｓｉであった。「タイヤブラック試料」（「タイヤブラック（１−１１０Ｇ）」）を「対照」試料と比較した。試験結果は、タイヤブラック（１−１１０Ｇ）は発熱量が従来の材料よりも少ないことを示し、温度上昇は、対照の５１°Ｆに対して試験試料では４２°Ｆであった。一般に、約５０°Ｆの温度上昇によりカーボンの特性が劣化し始め、約２００°Ｆの実温に達するとタイヤが破裂することとなる。図８は、本発明の材料で作製したタイヤによって熱の放散がより良好になり、その結果タイヤが破裂する可能性が低くなることを示す。

本実施例の「対照」及び「タイヤブラック試料」のＤＩＮ摩耗も試験した。上記試験は、ＤＩＮ ５３５１６試験規格を用い、４０ｒｐｍの条件及び１０Ｎの負荷で実施した。「対照」試料の摩耗量は８６ｍｍ^３であり、「タイヤブラック試料」に関しては１３１ｍｍ^３であった。「対照」試料の比重は１．１４２であり、「タイヤブラック試料」に関しては１．１４８であった。ＩＲＢ＃８は高品質のカーボンブラック材料であるため、本発明のグラフェン系炭素材料を含む「タイヤブラック試料」実施形態は、対照よりも高い摩耗量を示したが、該試験試料の摩耗量は、いくつかの標準的なカーボンブラック材料（例えばＮ７７４グレード）の範囲内にあることに留意されたい。

実施例２：後処理したグラフェン系材料を含むエラストマーコンパウンド
本実施例において、熱反応器を用いてグラフェン系炭素粒子を生成させ、続いて機械的粉砕により後処理した。この機械的粉砕はボールミルを用いて実施し、これにより粒子の平均径を低減し、平均粒子表面積を増加させた。上記後処理したグラフェン系炭素粒子を用いてエラストマーコンパウンドも製造した。

上記ボールミル処理した炭素材料の表面積及び構造を定量化するために、ＡＳＴＭ Ｄ１５１０試験規格を用いてヨウ素吸着量の測定を実施し、且つＡＳＴＭ ２４１４、方法Ｂを用いて吸油量（ＤＢＰ）の測定を実施した。ヨウ素吸着量は１１０．０５ｇ／ｋｇ、吸油量（ＤＢＰ）は９１．７ｃｍ^３／１００ｇであった。これらの結果は、後処理していないＴＣ材料（例えば、実施例１で測定した熱分解炭素）に対して表面積及び構造が有意に増加したことを示している。

図５を参照し直すと、本実施例の「ＢＭ炭素」試料のヨウ素吸着量に対する吸油量を様々な従来のカーボンブラック材料と比較している。「ＢＭ炭素」試料は本実施例の後処理した（ボールミル処理した）炭素を含有していた。図から判るように、ＢＭ炭素はＮ３３０、Ｎ２１９、及びＮ１２５に類似する。

図９には本実施例におけるエラストマー及び炭素材料を含有するコンパウンドの配合処方が記載される。「Ｎ３３９カーボンブラック」試料は対照試料であり、従来のカーボンブラックＮ３３９を含有していた。両方の試料に用いたエラストマーは、７０ＰＨＲのＢｕｎａ ４５２５−０ Ｓ−ＳＢＲと３０ＰＨＲのＢｕｄｅｎｅ １２０７または１２０８ＢＲの混合物であった。両方の試料に上記炭素充填材を約５５ＰＨＲで配合した。添加剤もこれらのコンパウンドに配合し（例えば、ＴＤＡＥ油、酸化亜鉛、ステアリン酸、６ＰＰＤ、Ｎｏｃｈｅｋ ４７２９Ａワックス、ＴＭＱ、及び硫黄）、添加剤の種類及び濃度をこれら２種の試料間で一定に維持した。両方の試料におけるＴＢＢＳ及びＤＰＧは促進剤であり、記載の構成成分からのエラストマーコンパウンドの形成を促進した。

図１０は、ＡＳＴＭ Ｄ５２８９−１２に記載される方法を用いて、「Ｎ３３９カーボンブラック」対照試料及び本実施例における「ＢＭ炭素」試料コンパウンドの混合の間に測定したいくつかの主要パラメータを示す。これらの試験に用いた装置及び条件は、Ｔｅｃｈ Ｐｒｏ ｒｈｅｏＴＥＣＨ ＭＤＲ、温度１６０℃（３２０°Ｆ）及び０．５°ａｒｃであった。図１０に、混合中の最大及び最小トルクの履歴、「硬化時間、ｔ_５０」（硬化の５０％が進行した時間）、「硬化時間、ｔ_９０」（硬化の９０％が進行した時間）、及び「スコーチ時間、ｔ_ｓ２」（粘度が最小トルク値の２単位上まで上昇するスコーチ時間）をまとめる。上記「ＢＭ炭素」試料では、本実施例における対照試料よりも最大トルクが低く、硬化時間がわずかに長かった。Ｎ３３９グレードのカーボンブラック材料は、本実施例における後処理した炭素材料よりも幾分高い構造を有することに留意されたい（図５を参照）。「Ｎ３３９カーボンブラック」対照試料の硬化時間及びスコーチ時間が、「ＢＭ炭素」試料コンパウンドと比較してわずかに短いことは、Ｎ３３９カーボンブラックの構造がより高次であることにより説明することができる。

図１１は、本実施例における「Ｎ３３９カーボンブラック」対照試料及び「ＢＭ炭素」試料コンパウンドの製造時（すなわち熱老化前）の物理的特性のいくつかの例を示す。本実施例の試験は、ＡＳＴＭ Ｄ４１２−１６及びＡＳＴＭ Ｄ２２４０−１５に記載の方法を使用して実施した。本実施例の金型Ｃのダンベルを２０インチ／分で試験した。「Ｎ３３９カーボンブラック」対照試料のショアＡデュロメータ硬さ及び引張強さは、「ＢＭ炭素」試料と比較して高く、このことは、本実施例の後処理した炭素がＮ３３９カーボンブラックよりも補強性が低いことを示している。「Ｎ３３９カーボンブラック」対照試料のピークひずみ（伸び）ならびに異なるひずみ（すなわち、５０％、１００％、２００％、及び３００％ひずみ）における弾性率も、本実施例の「ＢＭ炭素」試料と比較して高かった。

図１２は、本実施例における「Ｎ３３９カーボンブラック」対照試料及び「ＢＭ炭素」試料コンパウンドの、空気中、７０℃で１６８時間熱老化させた後の、図１１に示したものと同一の物理的特性を示す。「ＢＭ炭素」材料においては、対照試料と比較してデュロメータ硬さ、引張強さ、及び伸びの大幅な変化が生じ、このことは、「ＢＭ炭素」材料が熱老化の間に対照よりも不安定であったことを示している。

本実施例における「Ｎ３３９カーボンブラック」対照試料と「ＢＭ炭素」試料コンパウンドの引裂抵抗も、ＡＳＴＭ Ｄ６２４−００（２０１２）試験規格を用い、２０インチ／分の速度で測定した。それぞれについて３の試料を測定した。３の「ＢＭ炭素」試料の平均引裂強さは、対照試料の平均値７６．９６ｋＮ／ｍ（標準偏差２．７３ｋＮ／ｍ）と比較して２９．６７ｋＮ／ｍ（標準偏差２．６０ｋＮ／ｍ）であった。

本実施例における「Ｎ３３９カーボンブラック」対照試料及び「ＢＭ炭素」試料コンパウンドのＤＩＮ摩耗も、ＤＩＮ ５３ ５１６（２０１４年に廃止）及びＡＳＴＭ Ｄ５９６３−０４（２０１５）試験規格を用い、コントロール研磨グレード１８４、４０ｒｐｍ、及び１０Ｎの負荷条件で測定した。それぞれ３の試料を測定した。３の「ＢＭ炭素」試料の平均摩耗量は、対照試料の平均値７３ｍｍ^３（標準偏差２ｍｍ^３）と比較して１５３ｍｍ^３（標準偏差４ｍｍ^３）であった。

本実施例における「Ｎ３３９カーボンブラック」対照試料及び「ＢＭ炭素」試料コンパウンドのＰｈｉｌｌｉｐｓ分散評価も測定した。これらの測定において、カミソリの刃で切断することで試験用の試料を調製し、ＰａｘＣａｍ ＡＲＣデジタルカメラ及びＨｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ Ｌａｓｅｒ Ｊｅｔカラープリンターをインターフェースで接続したＯｌｙｍｐｕｓ ＳＺ６０ Ｚｏｏｍ Ｓｔｅｒｅｏ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅを用いて、３０倍の倍率で写真を撮影した。次いで、上記試料の写真を、１（不良）〜１０（優れた）の範囲の基準をもつＰｈｉｌｌｉｐｓ標準分散評価チャートと比較した。「ＢＭ炭素」試料のＰｈｉｌｌｉｐｓ分散評価は、対照試料の７の値と比較して８であった。

図１３は、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）を用いて測定した、本実施例における「Ｎ３３９カーボンブラック」対照試料及び「ＢＭ炭素」試料コンパウンドの動的粘弾性特性を示す。これらの測定は、−２０℃〜＋７０℃の温度範囲、５％のひずみ、１０Ｈｚの周波数で実施した。本実施例における対照試料は、−２０℃〜＋７０℃の温度掃引全体にわたって、より高いＧ’弾性率の値により示されるように、「ＢＭ炭素」試料コンパウンドよりも剛直な／硬いコンパウンドであった。この測定値はデュロメータレベルがより高いこととも相関している。上記の剛性レベルが高いことにより、雪上トラクション（−２０℃でのＧ’）及びドライハンドリング（３０℃及び６０℃でのＧ’）などのタイヤ予測因子は、「ＢＭ炭素」試料よりも上記対照試料の方が高くなる。図１４及び図１５は、図１３と同一ではあるが、対照試料に関して正規化されたデータを示す。予測因子は、「ＢＭ炭素」試料が、ドライトラクション、氷上トラクション、及びウェットトラクション、ドライハンドリング、ならびにトレッド寿命では劣ることとなるが、従来のＮ３３９炭素材料を含む対照コンパウンドと比較して、冬季トラクション及び燃費（転がり抵抗）で優れることとなることを示している。

本実施例における「ＢＭ炭素」試料の物理的特性（例えば、引張強さ、弾性率、引裂抵抗、デュロメータ硬さ）及び動的特性は、本実施例における後処理したグラフェン系材料は、ゴム中の充填材として使用はできるが、トレッドグレードのカーボンブラックとして、及び現在の形態で使用するには補強性が十分ではないことを示している。動的粘弾性試験はまた、「ＢＭ炭素」試料コンパウンドのペイン効果及びマリンス効果が低く、これらの効果がガムコンパウンドの上記効果と類似することも示している。

実施例３：グラフェン系材料を含むエラストマーコンパウンド
本実施例において、グラフェン系炭素粒子は、本明細書に記載のマイクロ波反応器システムを用いて生成させた。上記マイクロ波反応器によって生成した粒子を、サイクロンフィルタ及びそれに続くバックパルスフィルタを含む気固分離システムを用いて収集した。上記サイクロンフィルタ及びバックパルスフィルタ内の温度を制御し、それにより、収集した粒子の表面に凝縮した炭化水素の量を制御した。本実施例においては、上記マイクロ波反応器を用いて、３種の異なるグラフェン系炭素材料を生成させた。すなわち、「ＬＦ ＣＹＣ」は、サイクロンフィルタ中、より高温（例えば＞３００℃）を用いて収集した粒子であり、「ＬＦ ＣＹＣ Ｃ６＋」は、粒子の表面上に多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）を意図的に凝縮させるためにより低温（例えば＜３００℃）を用いたサイクロンフィルタ中で収集した粒子であり、「ＬＦ ＦＩＬ」は、バックパルスフィルタ中で収集した粒子であった。「ＬＦ ＦＩＬ」粒子は、「ＬＦ ＣＹＣ」及び「ＬＦ ＣＹＣ Ｃ６＋」粒子の両方よりもやや構造が高次であり、且つ粒子径が小さかった。「ＬＦ ＣＹＣ Ｃ６＋」粒子上に凝縮したＰＡＨは、「ＬＦ ＣＹＣ」粒子と比較して当該粒子の表面活性を変化させることを意図していた。上記グラフェン系炭素粒子を用いて、エラストマーコンパウンドも製造した。

図１６には、エラストマーと本実施例における炭素材料を含むコンパウンドの配合処方が記載される。試料Ａは対照試料であり、従来のカーボンブラックＮ３３９を含有していた。試料Ｂ、Ｃ、及びＤは本実施例のマイクロ波反応器によって生成した炭素を含有し、試料Ｂは「ＬＦ ＦＩＬ」粒子を含有し、試料Ｃは「ＬＦ ＣＹＣ」粒子を含有し、試料Ｄは「ＬＰ ＣＹＣ Ｃ６＋」粒子を含有していた。全ての試料のエラストマーはＳＢＲ １５００であり、１００ＰＨＲで配合した。上記炭素充填材料は全ての試料中に約５０ＰＨＲで配合した。添加剤もこれらのコンパウンド中に配合し（例えば、酸化亜鉛、硫黄、ステアリン酸）、添加剤の種類及び濃度は上記２種の試料間で一定に維持した。ＴＢＢＳは全ての試料における促進剤であり、当該構成成分からのエラストマーコンパウンドの形成を促進した。

図１７には、本実施例におけるコンパウンドの混合パラメータ、及び混合から観察された事項が記載される。本実施例の４種のコンパウンド全てに対して同様の混合手順を用いた。混合速度は全てのコンパウンドに対して６０ｒｐｍであった。注目すべき観察事項の１つは、本実施例のグラフェン系炭素材料（ＬＦ ＦＩＬ、ＬＦ ＣＹＣ、及びＬＦ ＣＹＣ Ｃ６＋）は全て良好に分散したが、対照コンパウンドＡにおいて使用したＮ３３９カーボンブラックよりも分散させるに時間を要したことであった。

図１８には、ＡＳＴＭ Ｄ５２８９−１２に記載の方法を用いた本実施例におけるコンパウンドの混合の間に測定したいくつかの重要なパラメータが記載される。これらの試験に用いた装置及び条件は、Ｔｅｃｈ Ｐｒｏ ｒｈｅｏＴＥＣＨ ＭＤＲ、温度１６０℃（３２０°Ｆ）及び０．５°ａｒｃであった。図１８に、混合中の最大及び最小トルクの履歴、「硬化時間、ｔ_５０」、「硬化時間、ｔ_９０」、及び「スコーチ時間、ｔ_ｓ２」をまとめる。それぞれＬＦ ＦＩＬ、ＬＦ ＣＹＣ、及びＬＦ ＣＹＣ Ｃ６＋材料を含む実験コンパウンドＢ、Ｃ、及びＤの全てで、対照試料Ａよりも最大トルク及び最小トルクが高かったが、本実施例における対照試料よりも硬化時間及びスコーチ時間が短かった。

図１９には、本実施例における対照試料Ａ（「Ｎ３３９」）及び実験試料コンパウンド（Ｂ「ＬＦ ＦＩＬ」、Ｃ「ＬＦ ＣＹＣ」、及びＤ「ＬＦ ＣＹＣ Ｃ６＋」）の製造時（すなわち熱老化前）の物理的特性のいくつかの例を示す。本実施例における試験はＡＳＴＭ Ｄ４１２−１６及びＡＳＴＭ Ｄ２２４０−１５に記載の方法を用いて実施した。ショアＡデュロメータ硬さは全ての実験試料で対照試料よりも高かった。引張強さは対照試料の方が実験試料よりも高かった。但し、ＬＦ ＦＩＬ材料を含有する実験試料Ｂの引張強さは対照試料の引張強さよりもごくわずか低かった。ピークひずみ（すなわち伸び）も対照コンパウンドＡと実験コンパウンドＢで類似していた。但し、実験コンパウンドＣ及びＤのピークひずみは対照コンパウンドよりも低かった。実験コンパウンドＢ、Ｃ、及びＤの異なるひずみ（すなわち、５０％、１００％、２００％、及び３００％ひずみ）における弾性率も、対照コンパウンドＡと比較して類似しているかまたは高かった。

「ＬＦ ＦＩＬ」材料を含有する実験コンパウンドＢの混合における観察事項及び物理的特性（例えば、引張強さ、弾性率、引裂抵抗、デュロメータ硬さ）は、「ＬＦ ＦＩＬ」材料が、本形態で、トレッドグレードカーボンブラックの代替品として使用するのに十分な補強性を有することを示唆している。しかし、「ＬＦ ＣＹＣ」及び「ＬＦ ＣＹＣ Ｃ６＋」は、「ＬＦ ＦＩＬ」材料と同様の性能は示さなかった。理論に拘束されるものではないが、「ＬＦ ＣＹＣ」及び「ＬＦ ＣＹＣ Ｃ６＋」と比較して、「ＬＦ ＦＩＬ」炭素材料の構造が高次であること及び／または粒子径が小さいことが、本実施例における「ＬＦ ＦＩＬ」コンパウンドの性能の向上を説明できる可能性がある。

実施例４：グラフェン系材料を含むエラストマーコンパウンド
本実施例においては、実施例３由来のＬＦ ＦＩＬグラフェン系炭素粒子を用いてエラストマーコンパウンドを製造した。

図２０には、エラストマーと炭素材料を含有するコンパウンドのいくつかの配合処方を記載する。このエラストマーはＳＢＲ １５００であり、約１００ＰＨＲ（ゴム１００部当りの部）で配合される。「Ｂ ＬＦ ＦＩＬ」コンパウンド（すなわち、「Ｂコンパウンド」）に配合される炭素充填材は実施例３由来のグラフェン系炭素材料である。他の試料（「Ａ Ｎ３３９」、「Ｅ Ｎ２３４」、及び「Ｆ Ｎ１１０」）に配合される炭素充填材は、ＡＳＴＭ規格に準拠した異なる種類の従来の炭素材料である。上記「Ａ Ｎ３３９」試料（すなわち「Ａコンパウンド」）はＮ３３９炭素を含有し、上記「Ｅ Ｎ２３４」試料（すなわち「Ｅコンパウンド」）はＮ２３４炭素を含有し、「Ｆ Ｎ１１０」試料（すなわち「Ｆコンパウンド」）はＮ１１０炭素を含有する。上記炭素材料は全て約５０ＰＨＲで配合される。図２０に示すように、添加剤も配合し（例えば、酸化亜鉛、硫黄、及びステアリン酸）、添加剤の種類及び濃度は４種の試料間で一定に維持した。ＴＢＢＳは全ての試料における促進剤であり、構成成分からのエラストマーコンパウンドの形成を促進した。

図２１には、Ａコンパウンド及びＢコンパウンドの混合パラメータ、ならびに混合から観察された事項が記載される。Ａコンパウンドに対するものと同様の混合手順をＥコンパウンド及びＦコンパウンドにも用いた。Ｂコンパウンドの混合パラメータも非常に類似していた。混合速度は全てのコンパウンドで６０ｒｐｍであった。実施例３におけるコンパウンドと同様に、ＬＦ ＦＩＬ材料は良好に分散したが、対照コンパウンドＡに用いたＮ３３９カーボンブラックよりも分散させるのに時間を要した。

図２２及び２３には、ＡＳＴＭ Ｄ５２８９−１２に記載の方法を用いて、混合の間に測定した重要なパラメータのいくつかの例が記載される。これらの試験に用いた装置及び条件は、Ｔｅｃｈ Ｐｒｏ ｒｈｅｏＴＥＣＨ ＭＤＲ、温度１６０℃（３２０°Ｆ）及び０．５°ａｒｃであった。レオメータのデータを図２２にまとめ、混合の間の時間に対するＮ・ｍで表したトルクを図２３に示す。最大トルクと最小トルクは、試験した全ての試料で類似していたが、ＬＦ ＦＩＬ材料を含有するコンパウンドＢの硬化時間及びスコーチ時間は、対照試料Ａ、Ｅ、及びＦの硬化時間よりも有意に短かった。この短いＴｃ９０硬化時間は、ＬＦ ＦＩＬ（及び本明細書に記載の他のグラフェン系炭素材料）が、これらの炭素材料を含有するエラストマーコンパウンドにおいて促進剤の使用量をより少なくできる可能性があることを示している。

図２４は、ＡＳＴＭ Ｄ４１２−１６及びＡＳＴＭ Ｄ２２４０−１５を用いて測定した、Ａ、Ｂ、Ｅ、及びＦコンパウンドの物理的特性の例を示す。ＬＦ ＦＩＬ材料を含有するコンパウンドＢのショアＡデュロメータ硬さは、従来のＮ３３９、Ｎ２３４、及びＮ１１０炭素コンパウンドを含有するコンパウンドよりも高い。上記グラフェン系炭素を含むコンパウンドＢの引張強さは、従来のＮ３３９、Ｎ２３４、及びＮ１１０炭素コンパウンドよりもごくわずか低かったが、Ｎ２３４コンパウンドの標準偏差の範囲内であった。上記グラフェン系炭素を含むコンパウンドＢの伸びは従来のＮ３３９及びＮ２３４炭素材料を含有するコンパウンドと類似していた。上記グラフェン系炭素を含むコンパウンドＢの弾性率値は、従来のＮ３３９及びＮ２３４炭素材料を含有するコンパウンドと類似しており、従来のＮ１１０炭素コンパウンドを含有するコンパウンドより高かった。

本実施例におけるＬＦ ＦＩＬ材料を含むコンパウンドＢ及び対照コンパウンドの引裂抵抗を、ＡＳＴＭ Ｄ６２４−００（２０１２）試験規格を用い、２０インチ／分の速度で測定した。それぞれ３の試料を測定した。コンパウンドＢの３の試料の平均引裂強さは、対照試料の平均値７４．５５ｋＮ／ｍ〜７７．００ｋＮ／ｍ（標準偏差０．４４〜１．７４ｋＮ／ｍ）と比較して、６５．１０ｋＮ／ｍ（標準偏差０．２４ｋＮ／ｍ）であった。

本実施例におけるＬＦ ＦＩＬ材料を含有するコンパウンドＢ及び対照コンパウンドのＤＩＮ摩耗を、ＤＩＮ ５３ ５１６（２０１４年に廃止）及びＡＳＴＭ Ｄ５９６３−０４（２０１５）試験規格を用い、コントロール研磨グレード１９１、４０ｒｐｍ、及び１０Ｎの負荷条件で測定した。それぞれ３の試料を測定した。３のコンパウンドＢ試料の平均摩耗量は、対照試料の平均値７８ｍｍ^３〜８４ｍｍ^３（標準偏差２．５ｍｍ^３〜９．９ｍｍ^３）と比較して８７ｍｍ^３（標準偏差２．６ｍｍ^３）であった。

本実施例におけるＬＦ ＦＩＬ材料を含有するコンパウンドＢ及び対照コンパウンドのＰｈｉｌｌｉｐｓ分散評価も測定した。これらの測定において、カミソリの刃で切断することで試験用の試料を調製し、ＰａｘＣａｍ ＡＲＣデジタルカメラ及びＨｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ Ｌａｓｅｒ Ｊｅｔカラープリンターをインターフェースで接続したＯｌｙｍｐｕｓ ＳＺ６０ Ｚｏｏｍ Ｓｔｅｒｅｏ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅを用いて、３０倍の倍率で写真を撮影した。次いで、上記試料の写真を、１（不良）〜１０（優れた）の範囲の基準をもつＰｈｉｌｌｉｐｓ標準分散評価チャートと比較した。コンパウンドＢ試料のＰｈｉｌｌｉｐｓ分散評価は、対照試料の６〜７の値と比較して９であった。上記グラフェン系ＬＦ ＦＩＬ炭素材料を含むコンパウンドＢは、従来の炭素材料を含有するＮ３３９、Ｎ２３４、及びＮ１１０コンパウンドより良好な分散を示した。このことは、コンパウンドＢに用いたＬＦ ＦＩＬ材料が粉末形態であり、コンパウンドＢを比較する対象のコンパウンド中の従来の炭素材料（Ｎ３３０、Ｎ２３４、及びＮ１１０）のようにペレット化されていないことを考慮すると、予想外の結果であった。

図２５は、本実施例におけるＬＦ ＦＩＬ材料を含有するコンパウンドＢ及び対照コンパウンドの、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）を用いて測定した、動的粘弾性特性を示す。これらの測定は、−２０℃〜＋７０℃Ｃの温度範囲で５％のひずみ、及び１０Ｈｚの周波数で実施した。

グラフェン系炭素材料を含むコンパウンドＢは、−２０℃〜＋７０℃の温度掃引全体にわたって、より高いＧ’弾性率の値により示されるように、対照コンパウンド（Ａ、Ｅ、及びＦ）よりも剛直な／硬いコンパウンドであった。この測定値は、本実施例における対照コンパウンドと比較して、コンパウンドＢのデュロメータ硬さが高いこととも相関している。上記の剛性レベルが高いことにより、雪上トラクション（−２０℃でのＧ’）及びドライハンドリング（３０℃及び６０℃でのＧ’）などのタイヤ予測因子は、従来の炭素材料を含む対照コンパウンドよりも高い。上記予測因子は、ＬＦ ＦＩＬ材料を含むコンパウンドＢが、従来のＮ３３９、Ｎ２３４、及びＮ１１０炭素材料を含むコンパウンドよりも、雪上トラクションに関しては悪化するが、ドライハンドリングに関しては良好または同等となることも示している。

ＬＦ ＦＩＬ材料を含むコンパウンドＢの低温タンデルタ値は、従来のＮ２３４及びＮ１１０炭素材料を含むコンパウンドと同様であり、このことから類似の氷上トラクション及びウェットトラクションが予測されることとなる。従来のＮ３３９炭素材料を用いたコンパウンドＡは、ヒステリシスが小さく、且つ低温タンデルタ値が低く、このことからトラクションが低いことが予測される。

グラフェン系炭素材料を含むコンパウンドＢは、Ｊ’’がより低い、より剛直で硬いコンパウンドである。このことから、従来のＮ３３９、Ｎ２３４、及びＮ１１０炭素材料を含有するコンパウンドよりもドライトラクションが低いことが予測される。

ＬＦ ＦＩＬ材料を含むコンパウンドＢのタンデルタ値は従来のＮ２３４炭素材料を含むコンパウンドと類似し、このことは類似の燃費が予測されることを示した。従来のＮ３３９炭素材料を含むコンパウンドのタンデルタ値は低く、最高の燃費が予測される。従来のＮ１１０炭素材料を含むコンパウンドのタンデルタ値は最も高く、最低の燃費が予測される。

図２６及び図２７は、図２５と同一ではあるが、Ｎ３３９カーボンブラック材料を含有する対照コンパウンドＡに関して正規化したデータを示す。予測因子は、コンパウンドＡと比較して、ＬＦ ＦＩＬを含むコンパウンドＢ試料は、冬季トラクション、ドライトラクション、及びトレッド寿命では劣るが、氷上トラクション、ウェットトラクション、燃費、及びドライハンドリングでは同等または良好であることを示している。

以下は、グラフェン系ＬＦ ＦＩＬ炭素材料を含有するコンパウンドＢと、従来のＮ２３４炭素材料を含有するコンパウンドＡとの間の比較である。

ａ．コンパウンドＢは、より短いｔ_ｃ９０硬化時間と共により短いｔ_ｓ２スコーチ時間を有していた。一般に、短いｔ_ｓ２スコーチ時間は、ゴム工場における加工に関わる問題となる場合がある。但し、ｔ_ｓ２時間は硬化温度（この場合は１６０°Ｃ）での測定値であり、この温度は一般的なゴム加工温度（１２５°Ｃ）よりも大幅に高い。上記の短いｔ_ｃ９０硬化時間は、より低濃度の促進剤を用いることができることを示すため、有利である。

ｂ．コンパウンドＢの未老化での物理的特性（引張強さ、伸び、弾性率、引裂強さ）は従来のＮ２３４炭素材料を含有するコンパウンドと類似していたが、ショア硬さが４ポイント高かった。

ｃ．コンパウンドＢのＤＩＮ摩耗量に有意な差はなかった。
ｄ．コンパウンドＢの分散はより良好であった。

ｅ．コンパウンドＢのショア硬さはより高く、このことは、動的粘弾性試験においてＧ’弾性率と剛性がより高いことと一致する。上記の高い剛性、−２０℃における高いＧ’のために、上記グラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドから製造されたタイヤの雪上トラクションは低い可能性がある。同様に、高い剛性は、ドライトラクション予測因子（Ｊ’’損失コンプライアンス）に影響を与え、これはドライトラクションが悪化する可能性を示した。コンパウンドＢの転がり抵抗、氷上トラクション及びウェットトラクションの予測因子（タンデルタ値）は、従来のＮ２３４炭素材料を含有するコンパウンドと類似していた。最後に、上記グラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドのより高い剛性はドライハンドリングにとって利点であり、上記グラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドは、従来のＮ２３４炭素材料を含有するコンパウンドよりもドライハンドリングに優れると予測された。

コンパウンドＢの物理的特性（例えば、引張強さ、弾性率、引裂抵抗、デュロメータ硬さ）及び動的特性は、本実施例において用いたグラフェン系ＬＦ ＦＩＬ材料が、本形態で、トレッドグレードカーボンブラックの代替品として使用するのに十分な補強性を有することを示している。本実施例においては、配合成分及び比率、ならびに混合パラメータは、上記グラフェン系炭素材料に関して最適化されてはいなかったことに留意されたい。したがって、上記グラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、剛性及びタイヤ性能予測因子などの得られた特性は、当該コンパウンドの組成及び加工条件を最適化することで改善及び／または調整できる可能性がある。

実施例５：グラフェン系材料及びシリカ強化充填材を含むエラストマーコンパウンド
本実施例において、実施例３由来のＬＦ ＦＩＬグラフェン系炭素粒子及びシリカ強化充填材を用いてエラストマーコンパウンドを製造した。

図２８には、それぞれエラストマー、炭素充填材、シリカ充填材、ならびに種々の量の添加剤及び促進剤を含む、製造した３種のコンパウンドの配合処方が記載される。図２８の表中の値は全てＰＨＲで表されている。全てのコンパウンドに関して、エラストマーは、約１０３ＰＨＲで配合したＴＤＡＥ油伸展Ｓ−ＳＢＲであるＢｕｎａ ＶＳＬ ４５２６−２、及び約２５ＰＨＲで配合したＳ−ＢＲであるＢｕｄｅｎｅ １２０７である。「１ Ｎ２３４ ＴＢＢＳ １．７ ＤＰＧ２．０」コンパウンド（「コンパウンド１」）に配合される炭素充填材は従来のＮ２３４炭素材料である。その他の２種のコンパウンド「２ ＬＦ ＦＩＬ ＴＢＢＳ １．７ ＤＰＧ ２．０」（「コンパウンド２」）及び「６ ＬＦ ＦＩＬ ＴＢＢＳ ２．０ ＤＰＧ １．５」（「コンパウンド６」）に配合される炭素充填材は実施例３のＬＦ ＦＩＬグラフェン系炭素材料であり、マイクロ波反応器中で製造された。図２８に示す３種のコンパウンド全ての炭素充填材は約１５ＰＨＲで配合される。３種全てのコンパウンドは、約６５ＰＨＲで配合されるシリカ充填材粒子（Ｕｌｔａｓｉｌ ７０００ ＧＲシリカ）も含有する。図２８に示すように、添加剤も添加し（例えば、Ｓｉ ６９シランカップリング剤、ＴＤＡＥ油、酸化亜鉛硬化活性剤、ステアリン酸活性剤、Ｎｏｃｈｅｋ ４７２９Ａワックス、６ＰＰＤオゾン劣化防止剤、ＴＭＱ、Ｓｔｒｕｋｔｏｌ ＺＢ４９、及び硫黄架橋剤）、４種全ての試料間で一定に維持した。但し、上記ＴＢＢＳ及びＤＰＧ促進剤は、３種の試料間で異なっていた。上記ＴＢＢＳ促進剤は、コンパウンド１及び２に関しては１．７ＰＨＲ、コンパウンド６に関しては２ＰＨＲで配合した。上記ＤＰＧ促進剤は、コンパウンド１及び２については２ＰＨＲ、コンパウンド６については１．５ＰＨＲで配合される。３種全てのコンパウンドに関して、第１の工程の後に添加剤の一部が配合され、総ＰＨＲが約２２２ＰＨＲであり、第２の工程の後に第２の組の添加剤が配合され、総ＰＨＲが約２３４ＰＨＲであり、最終の工程の後に全ての添加剤と促進剤が配合され、最終的な総ＰＨＲが約２３９ＰＨＲであったように、図２８に示すとおりに、数回の工程で添加剤を添加した。本実施例において、コンパウンド６は、コンパウンド１及び２よりも少ないＤＰＧ促進剤を用いた。このことは、その使用を取り巻く厳しい規制があるＤＰＧの毒性を含む、多くの理由で有利であった。

図２９及び３０には、ＡＳＴＭ Ｄ５２８９−１２に記載の方法を用いて、混合の間に測定した重要なパラメータのいくつかの例が記載される。これらの試験に用いた装置及び条件は、Ｔｅｃｈ Ｐｒｏ ｒｈｅｏＴＥＣＨ ＭＤＲ、温度１６０℃（３２０°Ｆ）及び０．５°ａｒｃであった。レオメータのデータを図２９にまとめ、混合の間の時間に対するＮ・ｍで表したトルクを図３０に示す。最大トルクと最小トルクは、試験した全ての試料で類似していた。硬化時間及びスコーチ時間も、コンパウンド１と２の間で非常に類似しており、コンパウンド６に関してはごくわずかに長かった。コンパウンド６で用いたＤＰＧ促進剤の濃度が低かったことを考慮すると、この硬化時間の結果は注目に値する。

図３１は、ＡＳＴＭ Ｄ４１２−１６及びＡＳＴＭ Ｄ２２４０−１５を用いて測定した、本実施例の１、２、及び６コンパウンドの物理的特性の例を示す。コンパウンド２の引張強さがコンパウンド１及び６の引張強さよりもわずかに良好であったという１つの例外を除き、３種の試料間の物理的特性は全て類似していた。

図３２は、本実施例におけるコンパウンド１、２、及び６の、空気中、７０℃で１６８時間熱老化後の、図３１に示したものと同一の物理的特性を示している。コンパウンド２及び６は、熱老化時に類似のデュロメータ硬さの変化を示した。熱老化時の引張強さの変化は、コンパウンド１及び６と比較してコンパウンド２がわずかに劣ったが、コンパウンド２の熱老化後の引張強さの値は、コンパウンド１の引張強さの値と非常に類似していた。熱老化時の破断点伸びの変化も、コンパウンド１及び６と比較してコンパウンド２がわずかに劣ったが、コンパウンド２の熱老化後の破断点伸びの値は、コンパウンド１の熱老化後の破断点伸びの値と非常に類似していた。熱老化時の弾性率の変化も、本実施例における３種の試料のそれぞれに関して類似していた。

本実施例におけるコンパウンドの引裂抵抗を、ＡＳＴＭ Ｄ６２４−００（２０１２）試験規格を用い、２０インチ／分の速度で測定した。コンパウンド１の平均引裂強さは５３ｋＮ／ｍ（標準偏差８ｋＮ／ｍ）であり、これは５３ｋＮ／ｍ（標準偏差２ｋＮ／ｍ）のコンパウンド２の平均引裂強さと非常に類似していた。コンパウンド６の平均引裂強さは４８ｋＮ／ｍ（標準偏差４ｋＮ／ｍ）で、わずかに低かった。

本実施例におけるコンパウンドの圧縮永久ひずみを、ＡＳＴＭ Ｄ３９５−１６ｅ１、方法Ｂを用いて測定した。これらの試験の条件は、２５％のたわみを用いて７０℃で７２時間ボタン試験片をエージングすること、及び０．５時間の回復時間を含んでいた。３種のコンパウンド全ての平均圧縮永久ひずみは非常に類似しており、２５．５％〜２６．４％（標準偏差１．１％〜３．５％）であった。

本実施例におけるコンパウンドのＤＩＮ摩耗を、ＤＩＮ ５３ ５１６（２０１４年に廃止）及びＡＳＴＭ Ｄ５９６３−０４（２０１５）試験規格を用い、コントロール研磨グレード１７７、ならびに４０ｒｐｍ及び１０Ｎの負荷条件で測定した。それぞれ３の試料を測定した。３のコンパウンド１試料の平均摩耗量は８３．３ｍｍ^３（標準偏差６．８ｍｍ^３）であった。２種の実験コンパウンドの摩耗量は、対照のコンパウンド１に比較してわずかに高かった。コンパウンド２の平均摩耗量は９３．７ｍｍ^３（標準偏差８．７ｍｍ^３）であり、コンパウンド６の平均摩耗量は９７．７ｍｍ^３（標準偏差０．６ｍｍ^３）であった。

図３３は、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）を用いて測定した、本実施例におけるコンパウンドの動的粘弾性特性を示す。これらの測定は、−２０℃〜＋７０℃の温度範囲、５％のひずみ、１０Ｈｚの周波数で実施した。図３４及び図３５は、図３３と同一であるが、Ｎ２３４カーボンブラック材料を含有する対照コンパウンド１に関して正規化したデータを示す。本実施例における２種の実験コンパウンド２及び６は、対照コンパウンド１と比較して、同等または良好なタイヤ性能予測因子を有していたことは意義深い。

更に、せん断モードにおいて、３０℃でのひずみ掃引を用い、１０Ｈｚの周波数で、本実施例におけるコンパウンドのペイン効果及びマリンス効果を測定した。ペイン効果は、３種のコンパウンド全てについて類似しており、１．４４×１０^６〜１．７１×１０^６であった。マリンス効果も、コンパウンド１（２．４９×１０^５）とコンパウンド２（２．６４×１０^５）の間では類似していた。コンパウンド６のマリンス効果はより高かった（４．４８×１０^５）。理論に拘束されるものではないが、本実施例における３種の試料の類似したペイン効果は、充填材の分散がこれら３種の試料間で類似していることを示している可能性がある。理論に拘束されるものではないが、本実施例における対照コンパウンド１と実験コンパウンド２との間の類似したマリン効果は、ポリマーと充填剤マトリクスとの間の相互作用の強さが、これら２種のコンパウンド間で類似していることを示している可能性がある。

コンパウンド２及び６の物理的特性（例えば、引張強さ、弾性率、引裂抵抗、デュロメータ硬さ）及び動的特性は、本実施例において用いたグラフェン系ＬＦ ＦＩＬ材料が、本形態で、シリカ強化充填剤と併用される場合、トレッドグレードカーボンブラック代替品として使用するのに十分な補強性を有することを示している。配合成分及び比率、ならびに混合パラメータは、本実施例におけるグラフェン系炭素材料に関して最適化されてはいなかったことに留意されたい。したがって、上記グラフェン系炭素材料を含有するコンパウンドの、剛性及びタイヤ性能予測因子などの得られた特性は、当該コンパウンドの組成及び加工条件を最適化することで改善及び／または調整できる可能性がある。

開示された発明の実施形態を詳細に参照してきたが、それらの１または複数の例が添付の図面に示されている。各例は、本技術の限定としてではなく、本技術の説明として提示されている。実際、本明細書は本発明の特定の実施形態に関して詳細に説明されているが、当業者であれば、上記を理解した際には、これらの実施形態に対する代替物、それらの変化形、及びそれらの均等物を容易に想起し得ることを理解されたい。例えば、一実施形態の一部として例示または説明される特徴を別の実施形態と共に用いて、更に別の実施形態を生み出し得る。したがって、本主題は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内の全てのかかる改変及び変化形を包含することが意図される。本発明に対するこれら及び他の改変及び変化形は、添付の特許請求の範囲により詳細に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって実施され得る。更に、当業者であれば、上述の説明が単に例示に過ぎず、本発明を限定することを意図しないことを理解しよう。

Claims (30)

1. エラストマー材料と、
   充填材と、
   少なくとも１種の添加剤と、
   少なくとも１種の促進剤と
   を含み、
   前記充填材がグラフェン系炭素材料を含み、前記グラフェン系炭素材料が、
   最大１５の層を含むグラフェンと、
   メジアン径が１〜５０ミクロンの炭素凝集体と、
   被吸着物質として窒素を用いるブルナウアー・エメット・テラー（ＢＥＴ）法によって測定した場合に少なくとも５０ｍ^２／ｇの前記炭素凝集体の表面積と
   を含み、且つ
   シード粒子を含まない
   コンパウンド。
2. 前記グラフェン系炭素材料が、９９％を超える、水素を除く他の元素に対する炭素の割合を含む、請求項１に記載のコンパウンド。
3. 前記グラフェン系炭素材料が、圧縮時に５００Ｓ／ｍを超える電気伝導率を含む、請求項１に記載のコンパウンド。
4. 前記グラフェン系炭素材料が、前記グラフェン以外の少なくとも１種の炭素同素体を更に含み、前記グラフェンと前記グラフェン以外の炭素同素体との比が１：１００〜１０：１である、請求項１に記載のコンパウンド。
5. 前記グラフェン以外の炭素同素体が多層球状フラーレンを含む、請求項４に記載のコンパウンド。
6. 前記充填材がシリカを更に含み、前記シリカと前記グラフェン系炭素材料との比が１０：１〜１：１である、請求項１に記載のコンパウンド。
7. 前記エラストマー材料が天然ゴム及び合成ゴムからなる群より選択される、請求項１に記載のコンパウンド。
8. 前記添加剤が、シランカップリング剤、油分、酸化亜鉛材、ステアリン酸材、ワックス材、可塑剤、オゾン劣化防止剤、酸化防止剤、粘度調整剤、硫黄架橋剤からなる群より選択される物質を含む、請求項１に記載のコンパウンド。
9. 前記促進剤がＮ−ｔｅｒｔ−ブチル−２−ベンゾチアジルスルホンアミドを含む、請求項１に記載のコンパウンド。
10. 前記促進剤がＮ−ｔｅｒｔ−ブチル−２−ベンゾチアジルスルホンアミド及びジフェニルグアニジンを含み、Ｎ−ｔｅｒｔ−ブチル−２−ベンゾチアジルスルホンアミドの濃度がジフェニルグアニジンの濃度よりも高い、請求項１に記載のコンパウンド。
11. 前記グラフェン系炭素材料がナノ混合グラフェン系炭素材料である、請求項１に記載のコンパウンド。
12. 前記ナノ混合グラフェン系炭素材料が、シリカ、酸化亜鉛、及び二酸化チタンからなる群より選択される種を含む、請求項１１に記載のコンパウンド。
13. 前記グラフェン系炭素材料が官能化グラフェン系炭素材料である、請求項１に記載のコンパウンド。
14. 前記官能化グラフェン系炭素材料が、Ｈ、Ｏ、Ｓ、Ｎ、Ｓｉ、芳香族炭化水素、Ｓｒ、Ｆ、Ｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｂ、Ｇａ、Ｒｂ、及びＣｓからなる群より選択される種を含む、請求項１３に記載のコンパウンド。
15. 前記コンパウンドのＰｈｉｌｌｉｐｓ分散評価が６〜１０である、請求項１に記載のコンパウンド。
16. 請求項１に記載のコンパウンドであって、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの−２０℃におけるＧ’貯蔵弾性率が５ＭＰａ〜１２ＭＰａである前記コンパウンド。
17. 請求項１に記載のコンパウンドであって、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの−１０℃におけるタンデルタが０．３５〜１．０である前記コンパウンド。
18. 請求項１に記載のコンパウンドであって、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの０℃におけるタンデルタが０．３〜０．６である前記コンパウンド。
19. 請求項１に記載のコンパウンドであって、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの３０℃におけるタンデルタが０．１〜０．３である前記コンパウンド。
20. 請求項１に記載のコンパウンドであって、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの３０℃におけるＧ’貯蔵弾性率が１ＭＰａ〜６ＭＰａである前記コンパウンド。
21. 請求項１に記載のコンパウンドであって、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの３０℃におけるＪ’’損失コンプライアンスが４Ｅ−８ ｌ／Ｐａ〜１Ｅ−７ ｌ／Ｐａである前記コンパウンド。
22. 請求項１に記載のコンパウンドであって、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの６０℃におけるタンデルタが０．１〜０．３である前記コンパウンド。
23. 請求項１に記載のコンパウンドであって、ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの６０℃におけるＧ’貯蔵弾性率が１ＭＰａ〜４ＭＰａである前記コンパウンド。
24. エラストマー材料と、
    充填材と、
    少なくとも１種の添加剤と、
    少なくとも１種の促進剤と
    を含むコンパウンドであって、
    前記充填材がシリカ及びグラフェン系炭素材料を含み、前記グラフェン系炭素材料が、
    最大１５の層を含むグラフェンと、
    メジアン径が１〜５０ミクロンの炭素凝集体と、
    被吸着物質として窒素を用いるブルナウアー・エメット・テラー（ＢＥＴ）法によって測定した場合に少なくとも５０ｍ^２／ｇの前記炭素凝集体の表面積と
    を含み、且つ
    シード粒子を含まず、
    ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの−２０℃におけるＧ’貯蔵弾性率が９ＭＰａ未満であり、
    ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの−１０℃におけるタンデルタが０．８を超え、
    ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの０℃におけるタンデルタが０．５を超え、
    ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの３０℃におけるタンデルタが０．２５未満であり、
    ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの３０℃におけるＧ’貯蔵弾性率が１．５ＭＰａを超え、
    ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの３０℃におけるＪ’’損失コンプライアンスが９Ｅ−８ ｌ／Ｐａを超え、
    ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの６０℃におけるタンデルタが０．１５未満であり、
    ＡＳＴＭ Ｄ５９９２−９６（２０１１）によって測定される前記コンパウンドの６０℃におけるＧ’貯蔵弾性率が１．５ＭＰａを超える
    前記コンパウンド。
25. 反応器を用意することと、
    前記反応器中に炭化水素プロセスガスを供給することと、
    前記反応器中で前記炭化水素プロセスガスの炭化水素分解を実行して、グラフェン系炭素材料を生成させることと、
    エラストマー材料を少なくとも１種の充填材、少なくとも１種の添加剤、及び少なくとも１種の促進剤と混合することと
    を含み、
    前記充填材が前記グラフェン系炭素材料を含み、前記グラフェン系炭素材料が、
    最大１５の層を含むグラフェンと、
    メジアン径が１〜５０ミクロンの炭素凝集体と、
    被吸着物質として窒素を用いるブルナウアー・エメット・テラー（ＢＥＴ）法によって測定した場合に少なくとも５０ｍ^２／ｇの前記炭素凝集体の表面積と
    を含み、且つ
    シード粒子を含まない
    エラストマーコンパウンドの製造方法。
26. 前記反応器が熱反応器である、請求項２５に記載の方法。
27. 前記反応器がマイクロ波反応器である、請求項２５に記載の方法。
28. 前記グラフェン系炭素材料がナノ混合グラフェン系炭素材料であり、
    前記反応器中での前記炭化水素分解が、前記反応器中に、
    Ｓを含む液体または気体、Ｓｉを含む液体または気体と、
    Ｈ_２ガス、Ｈ_２Ｓガス、シランガス、アンモニアガス、芳香族炭化水素化合物と、
    Ｎａ、Ｋ、Ｂ、Ｃｒ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｇａ、及びＭｎを含有する粒子、気体、または液体と、
    Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、及びその他のハロゲンを含有する粒子、気体、または液体と、
    酸素含有反応剤、酸化性反応剤、オゾン、過酸化水素、水酸化カリウム、塩化カリウム、塩酸、硝酸、クロム酸、過マンガン酸塩、及びジアゾニウム塩と
    からなる群より選択される第２の物質を供給することを更に含む、
    請求項２５に記載の方法。
29. 前記グラフェン系炭素材料が官能化グラフェン系炭素材料であり、
    前記反応器中での前記炭化水素分解が、
    前記反応器中に炭化水素物質を挿入することと、
    前記反応器中に、
    Ｈ_２ガス、Ｈ_２Ｓガス、シランガス、アンモニアガス、芳香族炭化水素化合物と、
    Ｎａ、Ｋ、Ｂ、Ｃｒ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｇａ、及びＭｎを含有する粒子、気体、または液体と、
    Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、及びその他のハロゲンを含有する粒子、気体、または液体と、
    酸素含有反応剤、酸化性反応剤、オゾン、過酸化水素、水酸化カリウム、塩化カリウム、塩酸、硝酸、クロム酸、過マンガン酸塩、及びジアゾニウム塩と
    からなる群より選択される第２の物質を挿入することを更に含む、
    請求項２５に記載の方法。
30. 前記炭化水素分解プロセスと、エラストマー材料を少なくとも１種の充填材、少なくとも１種の添加剤、及び少なくとも１種の促進剤と前記混合するプロセスとが同一の場所において実施される、請求項２５に記載の方法。