JP3634901B2 - 導電性カーボンブラックおよびこれを含むマトリックス組成物 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゴムおよび/またはプラスチックよりなるマトリックス成分に配合するのに適した導電性カーボンブラックに関し、またこの導電性カーボンブラックを配合したマトリックス組成物に関する。
【0002】
【従来の技術】
カーボンブラックはゴム等の製品の製造においてゴム等のマトリックス成分に配合され、ゴム製品のゴム特性に大きな改良効果を付与することができ、特にゴムの機械的特性を改良する能力が優れていることから、ゴム配合用充填剤として広く用いられている。
【0003】
またカーボンブラックの他の応用分野として、それ自体が準導電性物質でもあることを利用して、ゴムやプラスチックよりなるマトリックスに配合することにより導電性を付与する導電性組成物の充填剤としても用いられている。
【0004】
一般的にゴム組成物の導電性は、カーボンブラック粒子の大きさやその結晶構造、ストラクチャーおよびカーボンブラックの粒子表面の吸着物質等により変化すると考えられている。つまり粒子径が小さく、結晶構造が発達し、ストラクチャーが大きく、吸着物質が少ないカーボンブラックほど導電性能は高いとされている。こういった観点から、従来より種々の導電性カーボンブラックが開発されている。
【0005】
たとえばケッチェンブラックは大きな比表面積と発達した結晶構造という特徴を有しており、またアセチレンブラックは大きなストラクチャーを持ち、吸着物質もほとんどないことから、これらのカーボンブラックは優れた導電性能を有している。
【0006】
しかしながら、発達した結晶構造や少ない吸着物質はゴムやプラスチックよりなるマトリックス成分との親和性が低くなるために、マトリックス成分に配合した場合、機械的特性が低下するという問題点がある。また、従来の導電性カーボンブラックは同じ配合組成物内であっても測定箇所により抵抗値がばらついてしまう、すなわち抵抗値が不均一であるという問題もあった。
【0007】
【発明が解決しようとする問題点】
本発明の目的は、上記問題点の解消を計る点にあり、ゴムやプラスチックよりなるマトリックス成分との親和性を良好に保ちながら導電性組成物内の局部的なばらつきを小さくすることのできる配合組成物を与えるカーボンブラックを提供するものであり、またこのカーボンブラックをマトリックス成分に配合したマトリックス組成物を提供するものである。
【0008】
【問題を解決するための手段】
本発明者は、前記の課題を解決するために各種の特性を有する広範囲のカーボンブラックを試作、検討した結果、従来のようにカーボンブラックの表面官能基やタール状物質のほとんどを除去するのではなくある程度存在した状態とし、かつアグリゲートサイズ分布指数(s)を狭い特定範囲に制御することにより、ゴムやプラスチックなどのマトリックス成分との親和性、結合性を良好にし、カーボンブラック配合組成物の補強性を向上させるとともに、カーボンブラックを配合した導電性組成物内の局部的なばらつき、不均一性を小さくできることを見いだし、本発明を完成させたものである。
【0009】
すなわち、本発明の第一は、窒素比表面積(N2SA)が130〜220m2/g、圧縮後のジブチルフタレート(DBP)吸油量(24M4DBPA)が90ml/100g以上、150ml/100g以下の基本特性を有するカーボンブラックにおいて、
(1)N2SAとよう素吸着量(IA)との比(N2SA/IA)が1.10未満
(2)トルエン着色透過度が95%以上、99%以下
(3)下記の〔1〕式で算出されるアグリゲートサイズ分布指数sが0.16以下
であることを特徴とする導電性カーボンブラックに関する。
【数2】
s=0.83942×log(D 50 L /Dst) …〔1〕
ここで、Dstは遠心沈降分析により測定されるアグリゲートのストークス径における最多頻度値(nm)、D 50 L はDstの1/2の値を有し、かつDstよりも大きい側にあるアグリゲートストークス径(nm)である。
【0010】
本発明の第二は、高分子マトリックス成分100重量部に対して、請求項1または2記載の導電性カーボンブラックを2〜100重量部配合したことを特徴とするマトリックス組成物に関する。
【0011】
本発明にかかるカーボンブラックにおいて、表面積の指標であるN2SAは130〜220m2/gの範囲にあることが必要である。このN2SAの値は大きいほど導電性が良好となる傾向を有しているが、220m2/gを越えるとマトリックス成分への分散性および加工性が著しく低下するために好ましくない。また、130m2/gを下回った場合では高い導電性を得るためには多量のカーボンブラックを配合しなければならず、機械的特性において低下がみられるために好ましくない。より好ましいN2SAの範囲は140m2/g以上、210m2/g以下である。
【0012】
また、圧縮DBP吸油量(24M4DBPA)は90ml/100g以上、150ml/100g以下とする必要がある。カーボンブラックのストラクチャーはマトリックス成分に混練するときに一部が切断されるが、24M4DBPAは混練操作によりほとんど影響を受けない強固なストラクチャーであるため配合マトリックス組成物中に残存するストラクチャーを示す指標である。この値が150ml/100gを越えると加工性が著しく悪くなり、また90ml/100g未満では配合マトリックス組成物の機械的特性が低下するとともに導電性付与効果が少ないため好ましくない。より好ましい24M4DBPAの範囲は105ml/100g以上、140ml/100g以下である。
【0013】
本発明の上記特性以外の要件として、N2SA/IAの値が1.10未満であることが必要である。この値が1.10以上を上回った場合にはカーボンブラック表面上へのタール状物質の付着のために導電性が損なわれたり、マトリックス成分との親和性が過度となるために配合マトリックス組成物の粘度が上昇するとともに加工性が悪化するので好ましくない。より好ましいN2SA/IAの範囲は0.95以上、1.08以下である。
【0014】
また、本発明においてはトルエン着色透過度を95%以上、99%以下とすることが必要である。この値が95%未満であるとタール状物質が多く付着しすぎるため導電性が損なわれ好ましくなく、99%を超えるとマトリックス成分との親和性が低くなるために好ましくない。
【0015】
さらに、本発明においては、下記の〔1〕式で算出されるアグリゲートサイズ分布指数sが0.16以下とする必要がある。この値が0.16を越えると同一マトリックス組成物中の導電性が局部的にばらついてしまい好ましくなく、より好ましい分布指数sの範囲は0.11〜0.15である。
【数3】
s=0.83942×log(D50 L/Dst) …〔1〕
【0016】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を示し、本発明を更に詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されるものでないことはいうまでもない。
本実施例においては、図1及び図2に示した構造のカーボンブラック製造用装置を用いて本発明カーボンブラック及び比較用カーボンブラックを製造した。
【0017】
装置の寸法は次の通りである。
可燃性流体導入室
内径 450mmφ
長さ 400mm
酸素含有ガス導入管
長辺 400mm
短辺 100mm
収れん室
上流端内径 260mmφ
下流端内径 80mmφ
長さ 1600mm
収れん角度 5.3°
反応室酸素含有ガス導入口
内径 40mmφ
燃料油導入装置
導入管内径 7mmφ
高圧・高温空気導入管内径 13mmφ
低圧・低温空気導入管内径 22mmφ
反応室
内径 140mmφ
【0018】
また、反応継続兼急速冷却室13内でのa〜hの冷却噴霧装置は、実用新案登録第1802863号(出願人:旭カーボン株式会社)に開示されているのと同様構造の装置を取り付けた。
【0019】
原料油としては、表1に示した通りの性状及び組成を有するものを使用した。
【表1】
【0020】
反応炉内に絞り部を設けた反応炉は主としてハード系カーボンブラックの製造に用いられるが、本発明で使用された反応炉は各構成の寸法を前述のように変更することによりストラクチャーを向上させるとともに、カーボンブラックの粒子径及びアグリゲートの分布の均一性を向上させることができる利点を有している。
【0021】
これは、カーボンブラック生成時において液体燃料の有するより高い熱量が収れん室を通過させることにより熱密度がさらに強められ、この時点で原料油が導入されるために形成されるカーボンブラックの粒子径およびアグリゲートの分布が均一化され、さらに形成時の粒子密度が非常に大きいために粒子同士の融合機会が増加して一層発達したストラクチャーが形成されるためと考えられる。これに加えて、絞り部の下流側での空気流の導入により反応流に乱れを発生させ、これがアグリゲート同士の物理的凝集を一層向上させることでストラクチャーを上昇させ、それに加えて必要以上のタール分を除去させることができたものと考えられる。
【0022】
本発明カーボンブラックの物理化学的特性の制御は、次のようにして行った。
・N2SA、IAの制御(上昇方向)
a.原料油量に対する総導入空気量の増加
b.燃焼ガス生成用液状燃料の増加
・24M4DBPの制御(上昇方向)
a.絞り部下流での導入空気量の増大
b.液状燃料の増加
c.より上流側での原料油導入
・トルエン着色透過度(上昇方向)およびN2SA/IA(下降方向)
a.原料油量に対する総導入空気量の増加
b.より下流側でのクエンチング噴霧
c.絞り部下流での空気の増加
・アグリゲートサイズ分布指数sの制御(下降方向)
a.同一平面内での原料油導入装置の多数設置
b.原料油導入装置での高温・高圧空気の使用
【0023】
これらの条件を反応炉に適用し、本発明にかかるカーボンブラックおよび比較用カーボンブラックを製造した。
【0024】
各カーボンブラックにおける製造条件を表2〜4に示し、これにより製造されたカーボンブラックの物理化学的特性は表5〜7に示した。
【0025】
【表2】
【0026】
【表3】
【0027】
【表4】
【0028】
【表5】
【0029】
【表6】
【0030】
【表7】
【0031】
〈物理化学特性の測定〉
本発明にかかるカーボンブラックの物理化学特性は、次のようにして測定された。
(1)窒素吸着比表面積(N2SA)
ASTM D3037−84 B法により測定され、単位重量当たりの比表面積 m2/gで表示される。
(2)圧縮DBP吸油量(24M4DBPA)
ASTM D3493に従い試料カーボンブラックをシリンダー内で 1687kg/cm2(24000psi)で圧縮してほぐす。この圧縮−ほぐし 操作を4回繰り返した後のDBP吸油量を測定する。DBP吸油量はJIS K6221(1982)6.1.2により測定され、試料100g当たりの吸収量 ml/100gで表示される。
(3)よう素吸着量(IA)
JIS K6221(1982)6.3.1で測定され、単位重量当たりのよう素 吸着量mg/gで表示される。
(4)トルエン着色透過度
JIS K6221(1982)6.2.4で測定され、トルエン振とう後の濾液 の透過率%で表示される。
(5)アグリゲートサイズ分布指数s
測定機器Disk Centrifuge Photosediment meter〔Joyce Loebl 社製、4型機(Mark IV)〕 測定法 30V/V%メタノール水溶液50mlを三角フラスコに入れ、0.1 mlの界面活性剤のノニオライトPN−10(共栄社油脂化学工業製)を加える。
0.60〜0.70重量%のカーボンブラックを加え、超音波処理(400W、 38kHz、5分)を施して完全に分散させる。蒸留水(スピン液)15〜20 mlを注加した回転ディスクの回転数を8000rpmとし、上記分散液0.02 〜0.03mlを注加する。
分散液の注加と同時に記録計を作動させ、回転ディスクの外周近傍の一定点を沈 降により通過するカーボンブラックのアグリゲートの量を光学的に測定し、その量 を時間に対する連続曲線として記録する。沈降時間を下記のストークスの一般径 によりストークス相当径に換算し、アグリゲートのストークス相当径とその頻度の 対応曲線を得る。
【数4】
d=K/√t
上記の式において、dは沈降開始t分後での回転ディスクの光学測定点を通過 するカーボンブラックアグリゲートのストークス相当径(nm)である。
定数Kは、測定時のスピン温度、粘度およびカーボンブラックとの密度差(カー ボンブラックの真密度は1.86g/cm3とする)、さらに回転ディスクの回転 数により決定される。
本発明の測定では、スピン液として蒸留水17.5mlを用い、測定温度24℃ 、ディスク回転数8000rpmとし、K値は260.25を用いた。
【0032】
アグリゲートサイズ分布指数sの定義
Dstモード径の定義
上記の操作により得られたアグリゲートのストークス相当径の測定曲線において、最多頻度値(ピーク値であり、実際には光学的測定なので最大吸光度に当たる)を与えるストークス相当径をDstモード径とする。
【0033】
s値の算出
Dstモード径の最多頻度値(最大吸光度)の1/2の頻度を持ち、かつDstモード値よりも大きい側にあるDst値、D50 Lの値から、次の式によりsの値を算出する。
【数5】
s=0.83942×log(D50 L/Dst)
この値は、ほぼ対数正規分布を示す頻度対logDstの曲線の標準偏差と概ね同じ意味合いをもち、この値が小さくなると分布が狭くなったと評価することができる。
【0034】
[ゴム配合例]
表5〜7に示した各カーボンブラックを表8に示した配合割合でゴムに配合し、150℃で30分間加硫したゴムについてゴム特性を測定した。これらのゴム特性をとりまとめて表9〜11に示した。
【0035】
【表8】
【0036】
【表9】
【0037】
【表10】
【0038】
【表11】
【0039】
表9〜11のゴム特性の試験条件は次の通りである。
【0040】
[カーボンブラックの物理化学特性についての評価]
No.1〜No.5は本発明に係わるカーボンブラックである。No.6はN2SAが本発明の下限を下回ったもので機械的特性、硬さと引っ張り強さが低下している。No.7は24M4が本発明の上限を上回ったもので粘度が上昇し、加工性が悪化する。No.8は逆に24M4が本発明の下限を下回ったものでM300や引っ張り強さが低下している。No.9はN2SAが本発明の上限を上回っており、粘度が上昇している。No.10はN2SA/IAとトルエン着色透過度が本発明を外れているため粘度が高くなり、導電性も悪くなっている。No.11はアグリゲートサイズ分布指数sが本発明を上回っているため導電性のばらつきが大きい。
アセチレンブラックは300%モジュラスや引張強さが劣り、また抵抗のばらつきも大きい。バルカンXC−72は抵抗のばらつきが大きくなっている。
【0041】
【効果】
本発明のカーボンブラックは、これを樹脂やゴムに配合したとき、組成物内に均一に分散するとともに、樹脂やゴムとの親和性、結合性がよく、あわせて組成物の強度を補強するという優れた性能を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明カーボンブラックおよび比較用カーボンブラックの製造に用いた装置の縦断正面図である。
【図2】図1の前頭部を示す部分拡大図である。
【符号の説明】
1 カーボンブラック反応装置
2 可燃性流体導入室
3 酸素含有ガス導入管
4 酸素含有ガス導入用円筒
5 整流板
7 燃料油噴霧装置
8 収れん室
9 バーナータイル
10 原料油噴霧装置
11 原料油導入室
12 反応室
13 反応継続兼急冷室
14 収れん帯域を定める部材
15 酸素含有ガス導入管
a 急冷水圧入噴霧装置
b 急冷水圧入噴霧装置
c 急冷水圧入噴霧装置
d 急冷水圧入噴霧装置
e 急冷水圧入噴霧装置
f 急冷水圧入噴霧装置
g 急冷水圧入噴霧装置
h 急冷水圧入噴霧装置
Claims (5)
- 窒素比表面積(N2SA)が130〜220m2/g、圧縮後のジブチルフタレート(DBP)吸油量(24M4DBPA)が90ml/100g以上、150ml/100g以下の基本特性を有するカーボンブラックにおいて、
(1)N2SAとよう素吸着量(IA)との比(N2SA/IA)が1.10未満
(2)トルエン着色透過度が95%以上、99%以下
(3)下記の〔1〕式で算出されるアグリゲートサイズ分布指数sが0.16以下
であることを特徴とする導電性カーボンブラック。
【数1】
s=0.83942×log(D50 L/Dst) …〔1〕
ここで、Dstは遠心沈降分析により測定されるアグリゲートのストークス径における最多頻度値(nm)、D50 LはDstの1/2の値を有し、かつDstよりも大きい側にあるアグリゲートストークス径(nm)である。 - アグリゲートサイズ分布指数sが0.11〜0.15であることを特徴とする請求項1記載の導電性カーボンブラック。
- 高分子マトリックス成分100重量部に対して、請求項1または2記載の導電性カーボンブラックを2〜100重量部配合したことを特徴とするマトリックス組成物。
- 前記高分子マトリックス成分が、天然ゴムおよび/または合成ゴムである請求項3記載のマトリックス組成物。
- 前記高分子マトリックス成分が、熱可塑性プラスチックおよび/または熱硬化性プラスチックである請求項3記載のマトリックス組成物。
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