JP2024514549A - カーボンブラックの回収方法及びそれを含む組成物 - Google Patents

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Abstract

本技術は一般に加硫ポリマーマトリックスからカーボンブラック(rCB)を回収する方法であって、水性クロラミン溶液を用いて加硫ポリマーマトリックスの酸化的脱硫を実行する工程を含む、方法に関する。本技術はまた本明細書に定義されている方法で得られたrCBを含む組成物にも関する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は2021年3月31日に出願された米国仮特許出願第63/169,097号;及び2021年8月6日に出願された米国仮特許出願第63/230,262号の利益及び優先権を主張し、それら両方の内容は全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本技術は一般に加硫ポリマーマトリックスを分解することによりカーボンブラックを回収する方法に関する。本技術は更に、本明細書に定義されている方法により得られるカーボンブラック組成物に関する。
参照により本明細書に組み込まれる米国特許第9,458,303号は廃タイヤ流から脱硫されたスチレンブタジエンゴム(SBR)を回収する方法を記載している。参照により本明細書に組み込まれる国際出願PCT/EP2020/069292号は炭素質材料の加工処理及び精製方法を記載している。スチレンブタジエンゴムはあらゆる合成ゴムのうち米国で最も大量に生産されている。これは、自動車のタイヤ及びタイヤ関連製品、並びにその他の製品、例えば限定されないがスポーツ用品、ホース、履き物、フローリング、ワイヤ及びケーブル、レインコート、及び雨靴の製造に広く使用されている。SBRの効果的なリサイクル方法に対する大きなニーズがある。毎年廃棄される使用済みの自動車タイヤの数は数億と見積もられる。使用される自動車から毎年数億のタイヤが廃棄されるが、新しい車の生産だけから毎年使用に供される新しい自動車タイヤの数は3億を超えると推定される。脱硫されたポリマーの回収に加えて、ケイ酸塩、亜鉛酸塩及び炭素質材料の回収は廃タイヤ及びゴム処理業者に経済上及び環境保全上の利益を提供することができる。
SBRは乳化重合として公知のプロセスにより合成される。スチレン及びブタジエンコポリマーの重合は水性相で始まって、ブタジエンのスチレンに対するおおよその比が約3:1のラテックス材料を形成する。合成されたポリマーは次いで加硫されてイオウ架橋を形成し、一般にゴムに伴う特性をスチレンブタジエンベースポリマーに付与するのに役立つ。加硫後、ゴムは、引張強さ、伸び弾性、硬さ、及び摩擦抵抗のようなゴムの特性を高めることが知られている添加剤と配合される。Table 1(表1)はタイヤトレッドに使用されるSBRの典型的な組成を示し、ここでPHRはSBRベースポリマーの100部当たりの部を意味する。
SBR、及び事実上全ての他の加硫ゴムは、熱可塑性ポリマーが融解し、他の製品に再使用することができるが、加硫ゴムは加硫中に形成されるポリマー鎖の相互接続したネットワーク及びイオウ架橋のためにそれができないという点で、ポリエチレン又はポリプロピレンのような熱可塑性ポリマーと区別できる。結果として、SBRのリサイクルは主として材料の巨視的、非化学的な加工処理に制限され、フロアマット、防爆マット、トラフィックコーンベース又は競技場のトラックに使用されるソフトペーブメントのような他の製品に使用することができる。しかし、これらの用途は毎年廃棄される全てのタイヤの10%未満に過ぎない。使用済みのタイヤの更に他のまれな用途もあるが、使い古されたタイヤの殆ど大部分が埋立地に送られ、これはかかる大規模な処分の理想的な解決策ではない。明らかに、SBRの大きく、ますます増大し続ける市場、及びその廃棄に関連する固有の課題のために、タイヤリサイクルのための改良された方法に対する大きなニーズがある。
廃ゴムは、回収されたカーボンブラックの新しいゴムコンパウンド用途における性能を低下させる酸化亜鉛及び二酸化ケイ素のような無機化合物を含有することが多い。無機含量を低下させる現在の方法はより少ない無機化合物を含有する廃ゴムの投入流を選択し、エアサイクロン技術を用いてこれらの無機化合物からカーボンブラックを分離することを含む。
いずれの方法も厳しい制限を有する。事実上全てのゴムコンパウンドが最小5-7%の無機物質を含有し、最も広く入手可能な廃ゴムであるタイヤは通常20-30%の無機物質を含むカーボンブラックを生成する。
クロラミン脱硫で生じるカーボンブラック、二酸化ケイ素、及び酸化亜鉛が、類似し且つしばしば重複する粒度(particle size)(50～1000nm)を有し、これらの粒度類似性がエアサイクロン内で生じる遠心力に基づく分離の有効性を制限するため、エアサイクロン分離も効果がない。
現在の技術水準は熱分解を使用して廃タイヤゴムを回収されるカーボンブラック及び廃油に分解することである。このプロセスは350℃～500℃のような高温で作動する。カーボンブラックの品質、したがってその補強する能力はカーボンブラック粒子の大きさ及び利用できる表面活性の両方に基づく。両方の特徴が、しかし主には表面活性が高温熱分解プロセスへの曝露により負の影響を受ける。その結果は、熱分解プロセスによって生じる回収されたカーボンブラックが補強剤としてバージンのカーボンブラックよりあまり効果的でないことである。
以上に鑑みて、当技術分野では上述の欠点の少なくとも幾らかを軽減するカーボンブラックを回収する方法に対するニーズが残っている。
米国特許第9,458,303号 国際出願PCT/EP2020/069292号 米国特許第6,573,324号 米国特許第6,559,209号 米国特許第6,518,350号 米国特許第6,506,849号 米国特許第6,489,389号 米国特許第6,476,154号 米国特許第6,878,768号 米国特許第6,837,288号 米国特許第6,815,473号 米国特許第6,780,915号 米国特許第6,767,945号 米国特許第7,084,228号 米国特許第7,019,063号 米国特許第6,984,689号 米国特許第5,763,388号 米国特許第6,048,923号 米国特許第6,841,606号 米国特許第6,646,028号 米国特許第6,929,783号 米国特許第7,101,922号 米国特許第7,105,595号
本技術の目的は従来技術に存在する不便の少なくとも幾らかを改善することである。
本技術の一態様によれば、加硫ポリマーマトリックスからカーボンブラック(rCB)を回収する方法であって、水性クロラミン溶液を用いて加硫ポリマーマトリックスの酸化的脱硫を実行する工程を含む、方法が提供される。幾つかの場合において、加硫ポリマーマトリックスは微粒子化された加硫ポリマーマトリックスである。幾つかの更なる場合において、加硫コポリマーマトリックスはスチレン-ブタジエンマトリックスである。一部の態様において、本技術の方法はイオウ架橋を選択的に破壊し、加硫ポリマーマトリックスの開放及びカーボンブラックの遊離を促進する。
本技術の一態様によれば、微粒子化されたゴムからカーボンブラックを回収する方法であって、微粒子化されたゴムを水性クロラミン溶液と反応させて第1の反応混合物を得る工程と、第1の反応混合物を未反応の微粒子化されたゴムから分離して第2の反応混合物を得る工程と、カーボンブラック微粒子を第2の反応混合物から分離する工程とを含む、方法が提供される。
本技術の一態様によれば、本明細書に定義されている方法により得られるカーボンブラック組成物が提供される。
本技術の一態様によれば、本明細書に定義されている方法により得られる少なくとも1種のカーボンブラックを含むエラストマー組成物又はゴムマトリックスが提供される。
本技術の一態様によれば、本明細書に定義されているエラストマー組成物又はゴムマトリックスを含むタイヤ又はその一部が提供される。
以下本技術をより詳細に説明する。この記載は本技術を実施し得る全ての異なる方法、又は本技術に加え得る全ての特徴の詳細な一覧であることを意図したものではない。例えば、一実施形態に関して説明される特徴は他の実施形態に組み込み得、特定の実施形態に関連して説明した特徴はその実施形態から省き得る。加えて、本明細書で提言される様々な実施形態に対する数多くの変形及び追加は本開示に照らして当業者には明らかであり、そのような変形及び追加は本技術から逸脱しない。したがって、以下の記載は本技術の幾つかの特定の実施形態を説明することを意図しており、その全ての並べ替え、組合せ及び変形を徹底的に特定することを意図していない。
本明細書で使用される単数形態「a」、「an」及び「the」は状況が明らかに他を示さない限り複数の指示対象を含む。
本明細書中で終点による数値範囲の記載はその範囲内に含まれる全ての数を含むことが意図されている(例えば、1～5の記載は1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、4.32、及び5を含む)。
用語「約」は本明細書中で明白に又はそうでなく使用され、本明細書に挙げられているあらゆる量は実際の挙げられている値を指して意味し、またかかる所与の値の、当技術分野の通常の知識に基づいて合理的に推察される近似値、かかる所与の値の実験及び/又は測定条件に起因する同等の値及び近似値を含めて指すことも意味する。例えば、所与の値又は範囲に関して用語「約」はその所与の値又は範囲の20%以内、好ましくは15%以内、より好ましくは10%以内、より好ましくは9%以内、より好ましくは8%以内、より好ましくは7%以内、より好ましくは6%以内、及びより好ましくは5%以内の値又は範囲を指す。
表現「及び/又は」は本明細書で使用される場合2つの規定された特徴又は成分の各々の他を伴うか又は伴わない具体的な開示と考えるべきである。例えば、「A及び/又はB」は、各々が個々に本明細書に明記されているかのように、(i)A、(ii)B、並びに(iii)A及びBの各々の具体的な開示と考えるべきである。
本明細書で使用されるとき、用語「含む(comprise)」はその非制限的な意味で、その単語に続く項目が包含されるが、具体的に述べられていない項目が排除されないことを意味して使用されている。
本明細書で使用されるとき、表現「カーボンブラック」は黒い微粉形態の非晶質炭素をいう。言い換えると、コロイド状粒子の形態の事実上純粋な元素状炭素である。カーボンブラックは、例えば、制御された条件下でのガス状又は液体炭化水素の不完全燃焼又は熱分解により生成する。カーボンブラックは化学的及び物理的にすす及び黒色炭素と異なる。殆どのタイプのカーボンブラックは97%より多くの元素状炭素を含有し、前記元素状炭素は一般に房状の(ブドウ様クラスター)微粒子として配列されている。市販のカーボンブラックの場合、多環式の芳香族又は多環芳香族炭化水素(PAHs;以下で定義する)のような有機汚染物質が少量(例えばグレード、製造方法及び供給原料の種類に応じて200-736mg/kg)で存在し、したがってこれらは生物学的に利用可能であるとは考えられない。本明細書で使用されるとき、表現「カーボンブラック粉末」とは粉末状形態のカーボンブラックを意味する。
本明細書で使用されるとき、用語「加硫」とはエラストマーの硬化プロセスをいい、これに関連して用語「加硫」及び「硬化」は時に同義で使用される。加硫はポリマー鎖の部分間に架橋を形成することにより作用し、結果として増大した剛性及び耐久性、並びに材料の機械的及び電気的特性の他の変化を起こす。
本明細書で使用されるとき、用語「微粒子化」は固体材料の粒子の平均の直径を低減するプロセスをいう。用語「微粒子化された」とは、本明細書で使用されるとき、微粒子化に供された固体材料の粒子をいう。微粒子化のための伝統的な技術はミリング(milling)及びグラインディング(grinding)のような機械的手段に焦点を合わせている。現代の技術は超臨界流体の特性を利用し、溶解度の原理を操る。用語微粒子化は通常平均の粒径のマイクロメートル範囲への低減をいうが、更にナノメートルスケールへの低減も記載することができる。一般的な用途は活性な化学成分、食品成分、及び薬剤の生産を含む。これらの化学薬品は効力を増大するために微粒子化する必要がある。伝統的な微粒子化技術は摩擦に基づいて粒度を低下させる。かかる方法にはミリング、バッシング(bashing)及びグラインディングを含む。典型的な工業用ミルは通常鋼球を含有する円筒状の金属製ドラムから構成される。ドラムが回転すると内部の球が固体の粒子と衝突し、こうしてより小さい直径に圧潰する。グラインディングの場合、固体粒子は、デバイスのグラインディングユニットがその間に固体の粒子を閉じ込めたまま互いに擦れ合うときに形成される。圧潰及び切断のような方法も粒径を低下させるのに使用されるが、2つの先の技術(したがって微粒子化プロセスの初期段階である)と比較してより粗い粒子を生成する。圧潰ではハンマー様の工具を使用して衝撃によって固体をより小さい粒子に分解する。切断では鋭い刃を用いて粗い固体片をより小さいものに切断する。現代の方法は微粒子化プロセスに超臨界流体を使用する。これらの方法は超臨界流体を使用して過飽和の状態を誘発し、個々の粒子の沈殿に至る。このカテゴリーの最も広く応用されている技術にはRESSプロセス(超臨界溶液の急速膨張(Rapid Expansion of Supercritical Solutions))、SAS法(超臨界反溶媒(Supercritical Anti-Solvent))及びPGSS法(ガス飽和溶液からの粒子(Particles from Gas Saturated Solutions))を含む。これらの現代の技術はプロセスのより大きな同調性を可能にする。相対圧力及び温度、溶質濃度、並びに逆溶媒(反溶媒)の溶媒に対する比のようなパラメーターを変化させて生産高を生産者のニーズに合わせる。超臨界流体法は結果として粒径、粒度の分布及び形態の一貫性に対するより細かな制御をもたらす。関わっている相対的に低い圧力故に、多くの超臨界流体法は熱不安定性の材料を組み込むことができる。現代の技術は再生可能、不燃性で非毒性の化学薬品を含む。RESS(超臨界溶液の急速膨張)の場合、超臨界流体を使用して固体材料を高圧高温で溶解し、そうして均質な超臨界相を形成する。その後、混合物をノズルに通して膨張させてより小さい粒子を形成する。ノズルを出るとすぐに、急速な膨張が起こり、圧力が低下する。圧力は超臨界圧未満に低下し、超臨界流体、通常二酸化炭素を生じてガス状態に戻る。この相変化は混合物の溶解度をひどく低下させ、結果として粒子の沈殿を生じる。溶液が膨張し、溶質が沈殿するのにかかる時間はより短く、狭い粒度分布となる。より速い沈殿時間はまたより小さい粒径を生じる傾向もある。SAS法(超臨界反溶媒)においては、固体材料を有機溶媒に溶かす。次いで超臨界流体を逆溶媒(反溶媒)として加え、これが系の溶解度を低下させる。結果として、小さい直径の粒子が形成される。有機溶液への超臨界流体の導入の方法が異なるSASの様々なサブ方法がある。PGSS法(ガス飽和溶液からの粒子)では固体材料を融解させ、それに超臨界流体を溶かす。しかし、この場合溶液をノズルに通して膨張させ、こうしてナノ粒子が形成される。PGSS法は、超臨界流体のため、固体材料の融点が低下するという利点を有する。したがって、固体は周囲圧力で通常の融解温度より低い温度で融解する。
一部の実施形態において、本技術は加硫ポリマーマトリックスからカーボンブラックを回収する方法を提供する。幾つかの場合において、加硫ポリマーマトリックスは加硫されたスチレンブタジエンゴム(SBR)マトリックスである。Table 1(表1)に示したように、カーボンブラックは、ベースコポリマー自身を除いて、配合された加硫SBRのうちはるかに多い最大成分を構成する。タイヤリサイクルの一般的な方法は熱分解を含み、これは回収されるカーボンブラックの特性を有害に変化させる可能性がある。
本技術は、クロラミン処理した廃タイヤ残骸及び他の起源から回収したカーボンブラック材料が特に高品質であり、このカーボンブラック回収方法が現存の熱分解方法より利点を提示するという認識に起因する。
一実施形態において、本技術の方法は水性クロラミンプロセスを使用して、限定されないが廃タイヤのような加硫ポリマーマトリックスから、他の技術で回収されるカーボンブラックと比較してより上級のカーボンブラック(rCB)を回収する。
したがって、一部の実施形態において、本技術は加硫ポリマーマトリックスからカーボンブラック(rCB)を回収する方法に関する。この方法は、水性クロラミン溶液を用いて加硫ポリマーマトリックスの酸化的脱硫を実行する工程を含む。幾つかの場合において、加硫ポリマーマトリックスは加硫されたSBRである。幾つかの場合において、加硫ポリマーマトリックスは微粒子化される。
水性クロラミンは、ポリマー内のイオウ架橋と反応し、これを破壊することにより、加硫ポリマーを脱硫する。この脱硫が起こると、カーボンブラックは元々のポリマーに含まれていたあらゆる二酸化ケイ素及び酸化亜鉛と共にポリマーから遊離する。水性脱硫プロセスで既に湿っているカーボンブラック、二酸化ケイ素、及び酸化亜鉛のこれらの粒子は約100℃～約250℃、自己生成圧力で次の反応により水酸化ナトリウムと化学量論的に反応する:
(1)2NaOH+SiO2→Na2SiO3+H2O
(2)ZnO+2NaOH→Na2ZnO2+H2O。
水不溶性の二酸化ケイ素及び酸化亜鉛は水溶性のケイ酸ナトリウム及び亜鉛酸ナトリウムに変換される。カーボンブラックは水酸化ナトリウムの影響を受けず、水に不溶性のままである。新しく形成したケイ酸ナトリウム及び亜鉛酸ナトリウムの水溶液を次いでろ過によりカーボンブラックから分離し、カーボンブラックを実質的に純粋な水で多数回洗浄して残留するナトリウム化合物を除去する。
水ガラスともいわれるケイ酸ナトリウムは産業界で有用な製品であり、沈降シリカに変換することができる。
ある特定の実施形態において、本技術の方法は主に使い古されたタイヤに由来する加硫されたスチレン-ブタジエンマトリックスを含む廃ゴム流の酸化的脱硫を提供する。廃タイヤは合成及び天然のエラストマー、イオウ、及びその他、機械的特性を改良するか又は製品寿命を延長するための成分と共に質量でおよそ30%のカーボンブラックを含有する。カーボンブラックはゴム及びその他の化合物と共に、加硫プロセスの結果であるイオウ架橋によりゴムマトリックス内に固定されている。ある特定の実施形態において、廃タイヤ流からカーボンブラックを回収する方法は、廃ゴムを(例えば、モノクロラミンNH2Clのような)水性クロラミンと反応させる工程を含む。
一部の実施形態において、回収されるカーボンブラックを含むポリマーはイオウ加硫されたポリイソプレン、ラテックス、天然ゴム、ネオプレン、ポリクロロプレン、ブチルゴム、ニトリルゴム、ハロブチルゴム、エチレンプロピレンジエンターポリマー(EPDM)である。より一般に、ポリマーにはイオウ加硫される全てが含まれる。
一部の実施形態において、ゴムのカーボンブラック充填材はN100-N700シリーズである。
幾つかの場合において、廃ゴムは微粒子化されたタイヤゴムである。幾つかの他の場合において、微粒子化されたタイヤゴムは約500ミクロン未満の粒度を有する。幾つかの他の場合、微粒子化されたタイヤゴムは1mm未満の粒度を有する。ある特定の実施形態において、廃ゴム流の所望の粒度は廃ゴム流を細かく刻む、グラインディングする、ミリングする、微粉化する、圧潰する、又はその他あらゆる大きさを低減する方法により得られ得る。
幾つかの場合において、本技術の方法で有用な水性クロラミンの濃度は、廃ゴムに関して、約0.05mol/L～約1.0mol/L、約0.05mol/L～約0.5mol/L、又は約0.075mol/L～約0.3mol/Lである。一部の実施形態において、水性クロラミン溶液は水性次亜塩素酸ナトリウムを水性アンモニアと反応させることにより調製し得る。他の実施形態において、水性クロラミン溶液は次亜塩素酸カルシウムを水性アンモニアと反応させることにより調製し得る。クロラミン溶液は当技術分野で公知の幾つもの方法により得られ得る。
一部の実施形態において、水性クロラミン溶液は次亜塩素酸種を含有するいずれかの水性溶液を水性アンモニア又は水性相中に拡散したアンモニア蒸気と反応させることにより調製し得る。
一部の実施形態において、水性クロラミンは水性塩素溶液を水性アンモニウム塩と反応させることにより調製し得る。
一部の実施形態において、クロラミンはアンモニアと塩素の気相反応により得られ得る。
更にその他の実施形態において、微粒子化されたゴムは気相クロラミンと反応させてもよい。
幾つかのその他の実施形態において、追加の溶媒を水性クロラミン溶液に加える。追加の溶媒はアセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、又はあらゆる極性の溶媒を含み得る。
他の実施形態において、クロラミンは水中で合成し、次いで別の溶媒中に抽出してもよい。他の溶媒はジエチルエーテル、アセトン、ヘプタン、シクロヘキサン、四塩化炭素、メチルエチルケトン、又はその他所望の廃ゴム流に適したあらゆる溶媒を含み得る。
一部の実施形態において、クロラミンは気相で合成し、次いで溶媒に溶かしてもよい。溶媒としてはジエチルエーテル、アセトン、ヘプタン、シクロヘキサン、四塩化炭素、メチルエチルケトン、又はその他所望の廃ゴム流に適したあらゆる溶媒を含む。
一部の実施形態において、本技術の方法に有用な水性クロラミン溶液は、ジクロラミンを更に含む。一部の実施形態において、本技術の方法に有用な水性クロラミン溶液はトリクロラミンを更に含む。一部の実施形態において、本技術の方法に有用な水性クロラミン溶液は次亜塩素酸塩を更に含む。
一部の実施形態において、水性クロラミン溶液は約4～約14、又は約4～8、又は約5～8のpHを有し得る。
一部の実施形態において、方法は、加硫ポリマーマトリックスと水性クロラミンの混合物を加熱して、イオウ架橋を選択的に破壊し、それによって加硫ポリマーマトリックスを開放する工程と、カーボンブラック及び他の化合物を水溶液中に遊離させる工程とを更に含む。
このプロセスにおいて脱硫されたエラストマーコンパウンドも回収し得る。
幾つかの場合において、加熱は約250℃未満の温度で行なわれる。幾つかの場合において、加熱は約200℃未満の温度で行なわれる。幾つかの場合において、加熱は約150℃未満の温度で行なわれる。幾つかの場合において、加熱は約100℃未満の温度で行なわれる。幾つかの場合において、加熱は約90℃未満の温度で行なわれる。幾つかの場合において、加熱は約75℃未満の温度で行なわれる。幾つかの場合において、加熱は約50℃未満の温度で行なわれる。幾つかの場合において、加熱は約25℃未満の温度で行なわれる。幾つかの場合において、加熱は約10℃未満の温度で行なわれる。幾つかの場合において、加熱は約0℃を超える温度で行なわれる。幾つかの場合において、加熱は約50℃～100℃の温度で行なわれる。
幾つかのその他の実施形態において、加硫ポリマーマトリックスは約0.001M～約2Mのクロラミンを含む水性クロラミン溶液で処理される。
更に一部の実施形態において、クロラミン処理は約0.5h～約48hの範囲の時間行なわれる。
ある特定の実施形態において、加硫ポリマーマトリックスとクロラミンの反応は少なくとも約10psi、少なくとも約11psi、少なくとも約12psi、少なくとも約13psi、又は少なくとも約15psiの圧力で行なわれる。幾つかの場合において、加硫ポリマーマトリックスとクロラミンの反応は少なくとも14.69psiの圧力で行なわれる。
一部の実施形態において、本技術の方法は、クロラミン処理の後に生成したカーボンブラックを収集する工程を更に含む。幾つかの場合において、方法は、クロラミン処理の後に生成したカーボンブラックを収集し、濃縮する工程を更に含む。幾つかの場合において、カーボンブラックは膜ろ過を用いて収集する。
ある特定の実施形態において、カーボンブラックはろ過、遠心分離、漉し取り（straining）、サイクロン処理、浮選、スキミング、若しくは凝析、又はこれらの組合せにより反応混合物から回収される。
一部の態様において、本技術のクロラミン処理から回収されるカーボンブラックは次の特性の1つ又は複数を有する:高い表面積、高い表面活性(他の回収されたカーボンブラックと比較したとき)、高い吸収/吸着電位、及び高い引張強さ、モジュラス、及びゴムと配合したときの摩擦抵抗。
他の実施形態において、本技術の方法で回収されるカーボンブラックは初期加硫中に表面活性面に形成されたカーボンブラック-ポリマー結合の少なくとも幾つかを維持する。この残留するポリマーは再配合されたとき新しいゴムと架橋し、追加の補強をゴムコンパウンドに提供することができる。この結果として、他の回収されたカーボンブラック材料と対比して増大した引張強さ、モジュラス、及び摩擦抵抗がもたらされる。
一部の実施形態において、本技術の方法は、クロラミン処理から回収されたカーボンブラックを乾燥する工程を更に含む。幾つかの場合において、カーボンブラックは約700℃未満の温度で乾燥する。幾つかの場合において、カーボンブラックは約650℃未満の温度で乾燥する。幾つかの場合において、カーボンブラックは約600℃未満の温度で乾燥する。幾つかの場合において、カーボンブラックは真空で乾燥する。幾つかの場合において、カーボンブラックは不活性雰囲気中で乾燥する、一部の実施形態において、不活性雰囲気は窒素、二酸化炭素及び水素の1種又は複数を含む。更にその他の場合において、不活性雰囲気は20%未満の酸素を含む。
ある特定の実施形態において、回収されたカーボンブラックは貯蔵のために湿ったまま保つ。
ある特定の実施形態において、本技術の方法は、脱硫反応を加速するために超音波処理、マイクロ波照射、剪断又はこれらの組合せを更に含む。
ある特定の実施形態において、水性クロラミン脱硫によって生成したカーボンブラックは希薄なスラリーの形態であり、脱硫されたポリマーからろ過及び遠心分離系によって分離し得る。遠心分離系はカーボンブラック、二酸化ケイ素、及び酸化亜鉛を濃いペーストとして蓄積し、これをバッチによりソリッドボウル遠心機から取り出す。ペーストはまだ湿っているうちに遠心機ボウルからバッチ反応器に移し、水酸化物源の水溶液又は水性懸濁液と混合する。幾つかの場合において、水酸化物源は水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化アンモニウム、水酸化物マグネシウム、水酸化物カルシウム、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、水酸化物カリウム、又はイオン交換樹脂の水酸化物形態である。尚更に他の実施形態において、ペーストは重力沈降により形成し得る。
ある特定の実施形態において、本技術の方法は連続的に実施することができる。固体のカーボンブラックは(亜鉛及びシリカと共に)ノズルボウル遠心機を介して連続的に反応器に押し出すことができ、そこで所望の滞留時間を達成するように適当な速度及び濃度で水酸化物源を投入する。この反応器からの生産品はバッチ反応プロセスと同じ溶解した亜鉛及びシリカ材料を含有する。
一部の実施形態において、水酸化物処理工程は、掻き混ぜながら、又は所望のプロセス温度を維持するために反応器を加熱することにより作り出される自然対流質量移動条件下で行い得る。
尚更に他の実施形態において、希薄なスラリーのカーボンブラックは濃縮され、濃縮された湿ったカーボンブラックが本明細書に記載されている水酸化物処理プロセスに供される。
尚更に他の実施形態において、濃縮された湿ったカーボンブラックは脱硫されたポリマーマトリックスから分離された後、窒素水素化物化合物で処理される。本明細書で使用されるとき、表現「窒素水素化物化合物」は少なくとも1つの窒素-水素結合を有する化学物質を意味する。典型的な窒素水素化物化合物には制限されることはないがアンモニア、水酸化アンモニウム、一及び二置換並びに非置換のアルキルアミン、ヒドラジン、ヒドロキシルアミン等を含む。
他の実施形態において、濃縮された湿ったカーボンブラックは水酸化物処理プロセスの直前、又はそのプロセス中に窒素水素化物化合物で処理される。
他の実施形態において、濃縮された湿ったカーボンブラックは水酸化物処理プロセスの直前、又はそのプロセス中に窒素水素化物化合物で処理されない。
ある特定の実施形態において、本技術は本明細書に記載されているプロセスにより得られるカーボンブラック材料を含む組成物を提供する。幾つかの場合において、本技術のカーボンブラック組成物は共有結合したポリマー又はコポリマー残基を含む。幾つかの場合において、共有結合したポリマー又はコポリマー残基は本技術のカーボンブラック組成物中に約0.00001%～約0.0001%、約0.0001%～約0.001%、約0.001%～0.01%、約0.01%～約0.1%、又は約0.1%より大きい水素の炭素に対する元素のモル組成比で存在する。
一部の実施形態において、本技術のカーボンブラック組成物は約30%未満、約25%未満、約20%未満、約15%未満、約10%未満、約5%未満、約4%未満、約3%未満、約2%未満、約1%未満、又は約0.5%未満の灰分含量を有する。
一部の実施形態において、本組成物は約25m2/gより大きく、約30m2/gより大きく、約35m2/gより大きく、約40m2/gより大きく、約45m2/gより大きく、約50m2/gより大きく、約60m2/gより大きく、約70m2/gより大きく、約80m2/gより大きく、約90m2/gより大きく、又は約100m2/gより大きい表面積の比表面積(窒素による)を有する。
一定の他の実施形態において、本技術は約10g/kgより大きく、約15g/kgより大きく、約20g/kgより大きく、約25g/kgより大きく、約30g/kgより大きく、約35g/kgより大きく、約40g/kgより大きく、約50g/kgより大きく、約60g/kgより大きく、約70g/kgより大きく、約80g/kgより大きく、約90g/kgより大きく、約100g/kgより大きく、約110g/kgより大きく、又は約120g/kgより大きいヨウ素吸収数(Iodine Absorption Number)を有する組成物を提供する。
一定の他の実施形態において、本技術はバージンのカーボンブラックが示すよりも優れた油吸着数(oil adsorption number)、着色力、及びトルエン変色値を有するカーボンブラック組成物を提供する。
一定の他の実施形態において、本技術は熱分解的に回収されたカーボンブラックが示すよりも優れた油吸着数、着色力、及びトルエン変色値を有するカーボンブラック組成物を提供する。
ある特定の実施形態において、本技術は本技術の方法で得られるカーボンブラックを含む、例えば、限定されないが、エラストマー組成物又はゴムマトリックス(例えば、タイヤ)のようなカーボンブラック組成物に関する。一部の実施形態において、本技術の方法により得られるカーボンブラックは前記組成物においてi)ASTM D 3191-02に従って約200～約600、又は約250～約350、又は約300の伸び率(%);ii)約1～約30、又は約5～約25、又は約5～約15の引張強さ(MPa);iii)約35ARI～約100ARI、約40ARI～約75ARIのドラム磨耗;及びiv)約35kN/m～約60kN/m、又は約35kN/m～約50kN/mの引裂き強さダイBのような少なくとも1つの機械的性質を付与する能力を有する。
1つ又は複数の実施形態において、本技術は本技術の少なくとも1種のカーボンブラック及び少なくとも1種のエラストマーを含むエラストマー組成物又はゴムマトリックスに関する。カーボンブラックは類似の形態を有するカーボンブラックについて一般に使用される同じ割合でエラストマーに対して使用することができる。当業者には認識されるように、適当な割合はカーボンブラックの形態、マトリックス組成物、及び充填されるポリマーの所望の用途に依存する。表面積及び構造に応じて、様々なカーボンブラックが約10phr～約100phr、例えば約10phr～約60phrの充填で使用され得る。1種又は複数のエラストマーが存在することができ、使用することができるエラストマーは、ゴム組成物のようなエラストマー組成物の形成において通常のものである。エラストマーは常用量で使用することができる。
任意の適切なエラストマーをカーボンブラックと配合して本技術のエラストマーコンパウンドを提供し得る。かかるエラストマーには、制限されることはないが、1,3-ブタジエン、スチレン、イソプレン、イソブチレン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、アクリロニトリル、エチレン、及びプロピレンのホモ又はコポリマーを含む。エラストマーは示差走査熱量測定(DSC)により測定して約-120℃～約0℃の.範囲のガラス転移温度(Tg)を有することができる。例としては、制限されないが、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、天然ゴム、ポリブタジエン、ポリイソプレン、及びそれらの油展誘導体を含む。以上のものの任意のブレンドも使用できる。
本技術で使用するのに適切なゴムの中に、天然ゴム及びその誘導体、例えば塩素化ゴムがある。本発明のカーボンブラックはまた:19部のスチレン及び81部のブタジエンのコポリマー、30部のスチレン及び70部のブタジエンのコポリマー、43部のスチレン及び57部のブタジエンのコポリマー及び50部のスチレン及び50部のブタジエンのコポリマーのような約10～約70質量パーセントのスチレン及び約90～約30質量パーセントのブタジエンのコポリマー;ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、等のような共役ジエンのポリマー及びコポリマー、かかる共役ジエンのそれと共重合可能なエチレン性の基を含有するモノマー、例えばスチレン、メチルスチレン、クロロスチレン、アクリロニトリル、2-ビニル-ピリジン、5-メチル 2-ビニルピリジン、5-エチル-2-ビニルピリジン、2-メチル-5-ビニルピリジン、アルキル置換アクリレート、ビニルケトン、メチルイソプロペニルケトン、メチルビニルエーテル(either)、アルファメチレンカルボン酸及びそのエステル及びアミド、例えばアクリル酸及びジアルキルアクリル酸アミドとのコポリマーのような合成ゴムと共に用いてもよく;更にまたエチレン及び他の高級アルファオレフィン、例えばプロピレン、ブテン-1及びペンテン-1のコポリマーも本発明に適している。
本技術のエラストマーコンパウンドは1種又は複数のカップリング剤と更に配合してエラストマーコンパウンドの特性を更に高め得る。本発明で使用されるカップリング剤としては、制限されることはないが、カーボンブラック又はシリカのような充填材をエラストマーにカップリングすることができる化合物を含む。有用なカップリング剤には、制限されることはないが、シランカップリング剤、例えばビス(3-トリエトキシシリルプロピル)テトラスルファン(Si-69)、3-チオシアナトプロピル-トリエトキシシラン(Si-264、Degussa AG社、ドイツ)、γ-メルカプトプロピル-トリメトキシシラン(A189、Union Carbide Corp.社、Danbury、Conn.);ジルコネートカップリング剤、例えばジルコニウムジネオアルカノラトジ(3-メルカプト)プロピオナト-O(NZ 66A、Kenrich Petrochemicals, Inc.社、Bayonne、N.J.);チタネートカップリング剤;ニトロカップリング剤、例えばN,N’-ビス(2-メチル-2-ニトロプロピル)-1,6-ジアミノヘキサン(Sumifine 1162、住友化学株式会社、日本);及び以上のものの任意の混合物がある。カップリング剤は適切な担体、例えばDegussa AG社から入手可能なSi-69及びN330カーボンブラックの混合物であるX50-Sとの混合物として提供され得る。
一部の実施形態において、本技術のエラストマー組成物は、制限されることはないが、加硫された組成物(VR)、熱可塑性加硫物(TPV)、熱可塑性エラストマー(TPE)及び熱可塑性ポリオレフィン(TPO)を含む。TPV、TPE、及びTPO材料は性能特性を損失することなく数回押し出され成形される能力により更に分類される。したがって本技術のエラストマー組成物はエラストマー、硬化剤、補強充填剤、カップリング剤、及び、場合により様々な加工助剤、エクステンダー油、及び劣化防止剤(antidegradent)を含有することができる。上述した例に加えて、エラストマーは、限定されないが、1,3 ブタジエン、スチレン、イソプレン、イソブチレン、2,3-ジメチル-1,3 ブタジエン、アクリロニトリル、エチレン、プロピレン、等から製造されるポリマー(例えば、ホモポリマー、コポリマー、及びターポリマー)であることができる。これらのエラストマーはDSCにより測定して-120℃～0℃のガラス転移点(Tg)を有するのが好ましい。かかるエラストマーの例にはポリ(ブタジエン)、ポリ(スチレン-co-ブタジエン)、及びポリ(イソプレン)を含む。
エラストマー組成物は例えば、イオウ、イオウ供与体、活性化剤、促進剤、過酸化物、及びその他、エラストマー組成物の加硫を生じさせるのに使用される系のような1種又は複数の硬化剤を含み得る。次の特許は本発明で使用することができる様々な成分、例えば硬化剤、エラストマー、用途、等の例を提供する:米国特許第6,573,324号;同第6,559,209号;同第6,518,350号;同第6,506,849号;同第6,489,389号;同第6,476,154号;同第6,878,768号;同第6,837,288号;同第6,815,473号;同第6,780,915号;同第6,767,945号;同第7,084,228号;同第7,019,063号;同第6,984,689号。これらの特許は各々その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
当業者に周知である従来の技術を使用してエラストマー組成物を調製し、カーボンブラックを組み入れることができる。ゴム又はエラストマーコンパウンドの混合はゴム混合技術における当業者に公知の方法により達成することができる。例えば、成分は通例少なくとも2つの段階、即ち少なくとも1つの非生産段階とそれに続く生産混合段階で混合する。最後の硬化剤は通例、混合が通例先行する非生産的な混合段階の混合温度より低い温度、又は最終温度で起こる「生産」混合段階と従来呼ばれている最終段階で混合される。用語「非生産的」及び「生産」混合段階はゴム混合技術に知識を有するものに周知である。充填されたエラストマー組成物を生産する湿式マスターバッチ法、例えば、米国特許第5,763,388号、同第6,048,923号、同第6,841,606号、同第6,646,028号、同第6,929,783号、同第7,101,922号、及び同第7,105,595号に開示されているものも本発明の様々な実施形態に従ってカーボンブラックを含有するエラストマー組成物を生産するのに使用することができ、これらの特許はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本技術の上記実施に対する修正及び改良は当業者に明らかとなるであろう。以上の記載は限定ではなく例示を意図している。したがって本技術の範囲は添付の特許請求の範囲の範囲にのみ限定されることが意図されている。
以下の実施例は本開示の様々な実施形態の実施を例示するためのものである。これらは、この開示の全範囲を限定又は規定することを意図していない。本開示は本明細書に記載され説明されている特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲に定義される本開示の範囲内に入る全ての修正及び変形を包含するものと了解されるべきである。
(実施例1)
- 微粒子化されたゴムからのカーボンブラックの回収
モノクロラミンはアンモニアと塩素の化学反応によって生成する。幾つかの合成経路があるが、この技術では以下の反応に従う化学量論量での水性次亜塩素酸ナトリウムとアンモニア水の反応を使用する:
NaOCl+NH3→NH2Cl+NaOH
水性モノクロラミンを、500ミクロンの平均最大粒度を有する微粒子化されたゴムと反応器内で約7-15%のおおよその質量分率で反応させる。得られた水性液体を次いで未反応の微粒子化されたゴムから分離し、この未反応の微粒子化されたゴムはその後追加の水性モノクロラミンと更に反応させることができる。
先の工程で微粒子化されたゴムから分離された水溶液を次いで加工処理に送る。500kDa限外ろ過膜及び50kDa限外ろ過膜システムからなる二段階ろ過プロセスを使用して、脱硫されたゴムも含有する水溶液の残りからカーボンブラック微粒子を分離する。ろ過システムはその後カーボンブラックを含有する液体溶液を沈殿点に到達するまで濃縮する。沈殿後、従来の方法を用いてカーボンブラックを遠心分離し、乾燥し、包装する。
回収したカーボンブラックを含む組成物(エラストマー組成物又はゴムマトリックス)を測定したところ、伸び率299.00%、引張強さ8.40MPa、ドラム磨耗52.2ARI、及び引裂き強さダイB44.8kN/mを有していた。
(実施例2)
- 亜鉛及びシリカ不純物からのカーボンブラックの回収
或いは、水性クロラミン脱硫によって生じたカーボンブラックは亜鉛及びシリカ不純物と共に希薄なスラリーとして脱硫反応器を出、脱硫されたゴムからろ過及び遠心分離系によって分離される。遠心分離系はカーボンブラック、二酸化ケイ素、及び酸化亜鉛を濃いペーストとして蓄積し、これをバッチによりソリッドボウル遠心機から取り出す。ペーストはまだ湿っているうちに遠心機ボウルからバッチ反応器に移し、水酸化ナトリウムの水溶液と混合する。質量による固体の液体に対する比は約1-5%で、反応性の無機物(酸化亜鉛及び二酸化ケイ素)濃度は約0.05-0.15mol/Lの範囲である。化学量論量の水酸化ナトリウムを加え(約0.05-0.15mol/L)、反応混合物を自己生成圧力(約1-35バール)で約15分～6時間100-250℃に加熱する。反応混合物は反応中連続的に混合する。固体-液体比、水酸化ナトリウムの濃度、反応温度、及び滞留時間は所望の結果に応じておおよそ完全な反応物質変換を生成するように調節し得る。完了した反応を反応器から出し、ろ過ループに入れる前に貯蔵タンクで放冷する。カーボンブラックを、セラミック限外ろ過膜(膜の細孔約0.1ミクロン)によって溶解した不純物(例えば、ケイ酸ナトリウム及び亜鉛酸ナトリウム)から分離する。ケイ酸ナトリウム及び亜鉛酸ナトリウムを含有する限外ろ過透過液を次いで当該分野で標準的な方法に従って加工処理して沈降シリカを抽出する。カーボンブラックを、純粋な水を用いた多工程透析ろ過によってきれいにする。きれいになったカーボンブラックを次に遠心分離し、きれいなカーボンブラックペーストを取り出し、乾燥及び包装システムに送る。
この明細書で引用した全ての参考文献、及びそれらの参考文献は、必要に応じて、追加又は代わりの詳細、特徴、及び/又は技術背景の教示に関して参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本開示を特定の実施形態に関連して具体的に示し記載して来たが、上記開示の変形並びに他の特徴及び機能、又はその代替策は多くの他のいろいろな系又は応用に望ましく組み合わせ得ることが理解されたい。また、様々な現在予見又は予測できない代替策、修正、変形又は改良が後に当業者によりなされ得、それらも以下の特許請求の範囲により包含されることが意図されている。

Claims (39)

  1. 加硫ポリマーマトリックスからカーボンブラック(rCB)を回収する方法であって、水性クロラミン溶液を用いて加硫ポリマーマトリックスの酸化的脱硫を実行する工程を含む、方法。
  2. 加硫ポリマーマトリックスが、微粒子化された加硫ポリマーマトリックスである、請求項1に記載の方法。
  3. 微粒子化された加硫ポリマーマトリックスが約500ミクロン未満の平均粒度を有する、請求項2に記載の方法。
  4. 微粒子化された加硫ポリマーマトリックスが約250ミクロン未満の平均粒度を有する、請求項2に記載の方法。
  5. 加硫ポリマーマトリックスが加硫コポリマーマトリックスである、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 加硫コポリマーマトリックスがスチレン-ブタジエンマトリックスである、請求項5に記載の方法。
  7. ポリマーマトリックスがゴムである、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  8. ポリマーマトリックスがタイヤである、請求項7に記載の方法。
  9. 加硫ポリマーマトリックスを水性クロラミン溶液と反応させる工程が、イオウ架橋を選択的に破壊する、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 加硫ポリマーマトリックスを水性クロラミン溶液と反応させる工程が、加硫ポリマーマトリックスの開放及びカーボンブラックの遊離を促進する、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 水性クロラミン溶液が約0.05mol/L～約1.0mol/L、又は約0.05mol/L～約0.5mol/L、又は約0.075mol/L～約0.3mol/Lの濃度でクロラミンを含む、請求項10に記載の方法。
  12. クロラミンがモノクロラミンである、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
  13. クロラミンがジクロラミンである、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
  14. クロラミンがトリクロラミンである、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
  15. ポリマーマトリックスを水性クロラミン溶液と反応させる工程が、反応混合物を約250℃未満の温度で加熱する工程を含む、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
  16. ポリマーマトリックスを水性クロラミン溶液と反応させる工程が、反応混合物を約50℃～90℃の温度で加熱する工程を含む、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
  17. ポリマーマトリックスを水性クロラミン溶液と反応させる工程が約0.5時間～約48時間の期間行なわれる、請求項1から16のいずれか一項に記載の方法。
  18. ポリマーマトリックス及び水性クロラミン溶液を反応させる工程が、少なくとも約10psi、少なくとも約11psi、少なくとも約12psi、少なくとも約13psi、又は少なくとも約15psiの圧力で行なわれる、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。
  19. ポリマーマトリックス及び水性クロラミン溶液を反応させる工程が、少なくとも14.69psiの圧力で行なわれる、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。
  20. カーボンブラックを、ろ過、遠心分離、漉し取り（straining）、サイクロン処理、浮選、スキミング、若しくは凝析、又はこれらの組合せにより反応混合物から回収する、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
  21. カーボンブラックを不純物から分離する工程を更に含む、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
  22. 不純物がケイ酸ナトリウム及び亜鉛酸ナトリウムを含む、請求項21に記載の方法。
  23. 微粒子化されたゴムからカーボンブラックを回収する方法であって、
    a)微粒子化されたゴムを水性クロラミン溶液と反応させて第1の反応混合物を得る工程と、
    b)第1の反応混合物を未反応の微粒子化されたゴムから分離して第2の反応混合物を得る工程と、
    c)カーボンブラック微粒子を第2の反応混合物から分離する工程と
    を含む、方法。
  24. 微粒子化されたゴムが約500ミクロン未満の平均粒度を有する、請求項24に記載の方法。
  25. 工程a)では、イオウ架橋の選択的な破壊が起こる、請求項23又は34に記載の方法。
  26. 工程a)がポリマーマトリックスの開放及びカーボンブラックの遊離を促進する、請求項25に記載の方法。
  27. 水性クロラミン溶液が約0.05mol/L～約1.0mol/L、又は約0.05mol/L～約0.5mol/L、又は約0.075mol/L～約0.3mol/Lの濃度でクロラミンを含む、請求項23から26のいずれか一項に記載の方法。
  28. クロラミンがモノクロラミンである、請求項23から27のいずれか一項に記載の方法。
  29. クロラミンがジクロラミンである、請求項23から27のいずれか一項に記載の方法。
  30. クロラミンがトリクロラミンである、請求項23から27のいずれか一項に記載の方法。
  31. 工程a)が微粒子化されたゴムを水性クロラミン溶液と共に約250℃未満の温度で加熱する工程を更に含む、請求項23から30のいずれか一項に記載の方法。
  32. 工程a)が微粒子化されたゴムを水性クロラミン溶液と共に約50℃～90℃の温度で加熱する工程を更に含む、請求項23から30のいずれか一項に記載の方法。
  33. 工程a)が約0.5時間～約48時間の期間行なわれる、請求項23から32のいずれか一項に記載の方法。
  34. 工程a)が少なくとも約10psi、少なくとも約11psi、少なくとも約12psi、少なくとも約13psi、又は少なくとも約15psiの圧力で行なわれる、請求項23から33のいずれか一項に記載の方法。
  35. 工程a)が少なくとも14.69psiの圧力で行なわれる、請求項23から34のいずれか一項に記載の方法。
  36. 工程c)がろ過、遠心分離、漉し取り（straining）、サイクロン処理、浮選、スキミング、若しくは凝析、又はこれらの組合せを用いて行なわれる、請求項23から35のいずれか一項に記載の方法。
  37. 請求項1から36のいずれか一項に記載の方法により得られるカーボンブラック組成物。
  38. 請求項1から36のいずれか一項に記載の方法により得られる少なくとも1種のカーボンブラックを含むエラストマー組成物又はゴムマトリックス。
  39. 請求項38に記載のエラストマー組成物又はゴムマトリックスを含むタイヤ又はその一部。
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AUPP909499A0 (en) * 1999-03-10 1999-04-01 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Surface modification of rubber objects
US6573303B2 (en) * 2000-09-21 2003-06-03 University Of Massachusetts Thermoplastic elastomers and polymers derived from recycled rubber and plastics
US10320000B2 (en) * 2013-07-18 2019-06-11 Ut-Battelle, Llc Pyrolytic carbon black composite and method of making the same
US9458303B1 (en) * 2013-12-04 2016-10-04 University Of Louisville Research Foundation, Inc. Recycling of styrene butadiene rubber and like materials
DE102019210217A1 (de) * 2019-07-10 2021-01-14 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Aufbereitung und Reinigung von kohlenstoffhaltigen Materialien

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