JP5531037B2 - シロキサン組成物、凝集物、および凝集物の製造方法 - Google Patents

シロキサン組成物、凝集物、および凝集物の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、固体微粒子とバインダーとを含むシロキサン組成物に関し、より詳細には、固体微粒子とシロキサン樹脂を含むバインダーとを含むシロキサン組成物に関する。本発明は、前記固体微粒子と前記バインダーとを含む凝集物、およびこの凝集物の製造方法にも関する。
圧力凝集プロセス（例えばブリケッティング等）は、金属、石炭、医薬、および廃棄物処理産業を含む様々な産業において、微粉化した微粒子を規定された大きさ、形状、および密度の固体製品に加工するのに広範に用いられている。例えば、固体の製品または凝集物は、その凝集プロセス次第で、練炭、シート、またはペレットの形態をとることができる。凝集させることの利点として、微粒子材料の安全性の向上、取り扱い性の改善、および輸送コストの削減が挙げられる。さらに、凝集は、屑材料のリサイクルにも用いることができる。
米国特許第5,063,267号公報 公開特許第63-107122号公報
凝集物の製造方法は当業者に周知である。従来の方法は、典型的には、コールタール、粘土、デンプン、ワックス、およびリグニン廃棄物などの有機バインダーを採用する。しかし、このようなバインダーは、かなりの濃度の不純物を含み、例えば純度が重要となる溶融プロセスなどの特定の用途に不適当である。さらに、従来のバインダーは、比較的低い炭化率を有する。この結果、従来のバインダーを含む凝集物は、バインダーの分解温度よりも高い温度での接着強さが低いことが多い。
したがって、高純度および高炭化率のバインダーを含み、圧縮して高温での接着強度が高い凝集物にすることができる組成物が求められている。
本発明は、0.1〜3000μmの中央粒径を有する固体微粒子 70〜99重量部と、5〜250μmの中央粒径を有するバインダー 1〜30重量部とを含むシロキサン組成物であって、前記組成物が粉末であり、前記バインダーが式：
(R1 3SiO1/2) w (R1 2SiO2/2) x (R1SiO3/2) y (SiO4/2) z
（式中、R1はそれぞれ独立に、水素、ヒドロカルビル、置換ヒドロカルビル、-O=NR2R3、-OR2、-O-R4-OR2、およびエポキシ基で置換された有機基から選択され、R2はC1〜C8のヒドロカルビルであり、R3はR2または-Hであり、R4はヒドロカルビレンであり、w+x+y+z=1であり、y/(w+x+y+z)は少なくとも0.67である）
のシロキサン樹脂を含み、かつ、前記シロキサン樹脂が30〜115℃の軟化点を有するシロキサン組成物を対象とする。
本発明は、0.1〜3000μmの中央粒径を有する固体微粒子 70〜99重量部と、5〜250μmの中央粒径を有するバインダー 1〜30重量部とを含む凝集物であって、前記バインダーが式：
(R1 3SiO1/2) w (R1 2SiO2/2) x (R1SiO3/2) y (SiO4/2) z
（式中、R1はそれぞれ独立に、水素、ヒドロカルビル、置換ヒドロカルビル、-O=NR2R3、-OR2、-O-R4-OR2、およびエポキシ基で置換された有機基から選択され、R2はC1〜C8のヒドロカルビルであり、R3はR2または-Hであり、R4はヒドロカルビレンであり、w+x+y+z=1であり、y/(w+x+y+z)は少なくとも0.67である）
のシロキサン樹脂を含み、かつ、前記シロキサンバインダーが30〜115℃の軟化点を有する、凝集物も対象とする。
本発明はさらに、シロキサン組成物を圧縮して凝集物を形成させる工程を含む凝集物の製造方法であって、前記組成物が、0.1〜3000μmの中央粒径を有する固体微粒子 70〜99重量部と、5〜250μmの中央粒径を有するバインダー 1〜30重量部とを含み、前記組成物が粉末であり、前記バインダーが式：
(R1 3SiO1/2) w (R1 2SiO2/2) x (R1SiO3/2) y (SiO4/2) z
（式中、R1はそれぞれ独立に、水素、ヒドロカルビル、置換ヒドロカルビル、-O=NR2R3、-OR2、-O-R4-OR2、およびエポキシ基で置換された有機基から選択され、R2はC1〜C8のヒドロカルビルであり、R3はR2または-Hであり、R4はヒドロカルビレンであり、w+x+y+z=1であり、y/(w+x+y+z)は少なくとも0.67である）
のシロキサン樹脂を含み、かつ、前記バインダーが30〜115℃の軟化点を有する、凝集物の製造方法を対象とする。
本発明のシロキサン組成物は、圧縮して様々な形状および大きさを有する凝集物にすることができる。本組成物は、室温よりかなり高い軟化点（Ts）を有するシロキサン樹脂バインダーを含有する。このため、室温では粉末形態であるこのバインダーが、圧縮下で軟化して固体微粒子の凝集物を形成する。同様に、従来の有機バインダー（例えば、コールタール、粘土、デンプン、ワックス、およびリグニン廃棄物など）と比較して、本組成物のこのシロキサン樹脂バインダーは、不純物（例えば、金属、ホウ素、およびリンなど）の含有量が非常に低い。さらに、有機バインダーと比較して、このシロキサン樹脂バインダーは炭化率が高く、その分解温度より高く加熱されると固体微粒子との強度の高い接着をもたらす。
本発明の凝集物は、輸送および取扱いを可能にする十分なグリーン強度を有する。さらに、本凝集物は、様々な形状および大きさを有することができる。さらに、シロキサン樹脂バインダーの分解温度（約500℃）を超えて加熱された場合に、本凝集物はその形状を維持し、高い接着強度を示す。これにより、凝集物は高温溶融プロセスでの使用に好適なものになる。
凝集物の製造方法は、従来の機器（例えばロールプレス（例えば圧縮およびブリケッティングシステム）、型押しと押型、ペレットミル等）を用いて都合良く実施することができる。特に、ロールプレスは、大容量の凝集物の製造に好適である。本方法は、機器の選択次第で、例えば練炭、シート、またはペレットなどの様々な形態を有する凝集物の製造に用いることができる。さらに、本方法は、溶媒、外部加熱、または圧縮後の乾燥の助けなしに実施することができる。重要なことには、本方法は、製造プロセスから固体微粒子廃棄物を回収するために用いることができる。
本発明の凝集物は、固体微粒子の性質次第で多様な用途を有する。特に、凝集物は、製造プロセスにおける原材料源として使用することができる。例えば、廃棄物を含む凝集物、例えば鋳鉄紛は、製鉄業および鋳物業における二次原材料として使用することができる。また、凝集物は、微粉化した固体廃棄物を安全に取扱、輸送、または処分するために用いることができる。さらに、木製品または炭素を含有する凝集物は、燃料源として使用することができる。
本明細書において、用語「中央粒径」は、「質量中央粒径」としても知られており、粒子の５０質量％がより大きな直径を有し、粒子の５０質量％がより小さな直径を有する粒子径として定義される。グラフでは、中央粒径は、積算曲線（粒径に対する重量％のプロット）が50%ラインと交わる直径に対応する。また、用語「粉末」は、その容器の形態に収められる遊離した微粒子からなる微粒子組成物をいう。さらに比較すると、用語「凝集体」は、規定された形状、大きさ、および密度を有する粘着性のある圧縮された固体であって、固体樹脂バインダー中に分散された固体微粒子を含むものをいう。
本発明のシロキサン組成物は、0.1〜3000μmの中央粒径を有する固体微粒子 70〜99重量部と、5〜250μmの中央粒径を有するバインダー 1〜30重量部とを含む。ここで、前記組成物は粉末であり、前記バインダーは式：
(R1 3SiO1/2) w (R1 2SiO2/2) x (R1SiO3/2) y (SiO4/2) z
（式中、R1はそれぞれ独立に、水素、ヒドロカルビル、置換ヒドロカルビル、-O=NR2R3、-OR2、-O-R4-OR2、およびエポキシ基で置換された有機基から選択され、R2はC1〜C8のヒドロカルビルであり、R3はR2または-Hであり、R4はヒドロカルビレンであり、w+x+y+z=1であり、y/(w+x+y+z)は少なくとも0.67である）
のシロキサン樹脂を含み、かつ、前記シロキサン樹脂は30〜115℃の軟化点を有する。
固体微粒子は、凝集物の製造に用いる圧縮力の下で固体のままである任意の粒子であってよい。固体微粒子は、典型的には、0.1〜3000μm、あるいは1〜1000μm、あるいは10〜500μmの中央粒径を有する。
固体微粒子の例としては、これだけに限られないが、炭素（例えば、グラファイト、フラーレン(nmサイズ)、ダイヤモンド、カーボンブラック、灰墨、石炭、コークス、木炭、および活性炭等）；金属（例えば、クロム、コバルト、銅、鉄、マンガン、鉛、亜鉛、タングステン、銀、チタニウム、およびニッケル等）；金属合金（例えば、真鍮、鉄鋼、青銅等）；金属スラッジ；金属酸化物（例えば、酸化アルミニウム、二酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、三酸化モリブデン、酸化クロム、酸化チタン、および酸化亜鉛等）；金属窒化物（例えば、窒化ホウ素、窒化ケイ素、および窒化アルミニウム等）；金属炭化物（例えば、炭化ホウ素、炭化チタン、炭化ケイ素等）；金属炭酸塩（例えば、炭酸カルシウム等）；金属硫酸塩（例えば、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、および硫酸バリウム等）；モリブデン二硫酸塩；硫酸亜鉛；金属リン酸塩（例えば、リン酸カルシウム等）；金属ハライド（例えば、塩化ナトリウム、フッ化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、臭化ナトリウム、および臭化カリウム等）；有機化合物（例えば、尿素およびテレフタル酸ジメチル等）；天然シリカ（例えば、結晶性シリカ（ケイ砂）、粉砕された結晶性シリカ、および珪藻シリカ等）；合成シリカ（例えば、石英ガラス、シリカゲル、熱分解法シリカ、および沈降シリカ等）；ケイ酸塩（例えば、マイカ、ウォラストナイト、長石、ならびに霞石閃長岩、タルク、およびアスベスト等）；セメント；ガラス；木製品（例えば、パルプおよびのこ屑等）；プラスチック（例えば、ポリスチレン、ポリウレタン、およびポリビニルクロリド等）；界面活性剤；肥料；ならびに乾燥下水汚泥が挙げられる。
固体微粒子は、単一の固体微粒子であっても、それぞれ上述した固体微粒子の異なる２種以上の混合物であってもよい。例えば、本発明の１つの実施態様のシロキサン組成物は、カーボンブラック、ケイ砂、および、以下に記載するシロキサン樹脂を含む。
固体微粒子の濃度は、典型的には、シロキサン組成物の総重量に対して70〜99%、あるいは80〜95%、あるいは80〜90%である。
バインダーは、5〜250μm、あるいは25〜150μm、あるいは25〜100μmの中央粒径を有する。バインダーは、式：
(R1 3SiO1/2) w (R1 2SiO2/2) x (R1SiO3/2) y (SiO4/2) z
（式中、R1はそれぞれ独立に、水素、ヒドロカルビル、置換ヒドロカルビル、-O=NR2R3、-OR2、-O-R4-OR2、およびエポキシ基で置換された有機基から選択され、R2はC1〜C8のヒドロカルビルであり、R3はR2または-Hであり、R4はヒドロカルビレンであり、w+x+y+z=1であり、y/(w+x+y+z)は少なくとも0.67である）
のシロキサン樹脂を含み、かつ、このシロキサン樹脂は30〜115℃の軟化点を有する。
R1で表されるヒドロカルビル基は、典型的には、炭素原子1〜10個、あるいは炭素原子1〜6個、あるいは炭素原子1〜4個を有する。少なくとも炭素原子3個を有する非環式ヒドロカルビル基は、分岐または非分枝構造であってよい。ヒドロカルビル基の例としては、これだけに限られないが、アルキル（例えば、メチル、エチル、プロピル、1-メチルエチル、ブチル、1-メチルプロピル、2-メチルプロピル、1,1-ジメチルエチル、ペンチル、1-メチルブチル、1-エチルプロピル、2-メチルブチル、3-メチルブチル、1,2-ジメチルプロピル、2,2-ジメチルプロピル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、およびデシル等）；シクロアルキル（例えば、シクロペンチル、シクロヘキシル、およびメチルシクロヘキシル等）；アリール（例えば、フェニルおよびナフチル等）；アルカリル（例えば、トルイルおよびキシリル等）；アラルキル（例えば、ベンジルおよびフェネチル等）；アルケニル（例えば、ビニル、アリル、およびプロペニル等）；アリールアルケニル（例えば、スチリルおよびシンナミル等）；ならびにアルキニル（例えば、エチニルおよびプロピニル等）が挙げられる。本発明の１つの実施態様のシロキサン組成物は、シロキサン樹脂中の基R1の少なくとも70mol%がアリール、例えばフェニルである。
R1で表される置換ヒドロカルビル基は、同じかまたは異なる１種以上の置換基を有していてもよい。但し、この置換基は、シロキサン樹脂のTsに悪影響を及ぼさず、あるいは、シロキサン組成物の凝集物への圧縮を妨げないものである。置換基の例としては、これだけに限られないが、-OH、-CO2H、-CO2R2、-OC(=O)R2、-C(=O)NR3 2、-N(R3)C(=O)R2、-NR3 2、（ここで、R2はC1〜C8のヒドロカルビルであり、R3はR2または-Hである）が挙げられる。
R1で表されるエポキシ基で置換された有機基は、典型的には、炭素原子2〜10個を有する。エポキシ基で置換された有機基の例としては、これだけに限られないが、以下の式を有するものが挙げられる：
Figure 0005531037
R2またはR3で表されるヒドロカルビル基は、典型的には、炭素原子1〜8個、あるいは炭素原子1〜6個、あるいは炭素原子1〜4個を有する。ヒドロカルビル基の例としては、これだけに限られないが、非分岐または分岐のアルキル（例えば、メチル、エチル、プロピル、1-メチルエチル、ブチル、1-メチルプロピル、2-メチルプロピル、1,1-ジメチルエチル、ペンチル、1-メチルブチル、1-エチルプロピル、2-メチルブチル、3-メチルブチル、1,2-ジメチルプロピル、2,2-ジメチルプロピル、ヘキシル、ヘプチル、およびオクチル等）；シクロアルキル（例えば、シクロペンチル、シクロヘキシル、およびメチルシクロヘキシル等）；フェニル；アルカリル（例えば、トルイルおよびキシリル等）；アラルキル（例えば、ベンジルおよびフェネチル等）が挙げられる。
R4で表されるヒドロカルビレン基は、典型的には、炭素原子1〜10個、あるいは炭素原子1〜6個、あるいは炭素原子1〜4個を有する。ヒドロカルビル基の例としては、これだけに限られないが、アルキレン（例えば、メチレン、エチレン、プロパン-1,3-ジイル、2-メチルプロパン-1,3-ジイル、ブタン-1,4-ジイル、ブタン-1,3-ジイル、ペンタン-1,5-ジイル、ペンタン-1,4-ジイル、ヘキサン-1,6-ジイル、オクタン-1,8-ジイル、およびデカン-1,10-ジイル等）；シクロアルキレン（例えば、シクロヘキサン-1,4-ジイル等）；アリーレン（例えばフェニレン等）が挙げられる。
シロキサン樹脂の式中、w+x+y+z=1であり、式中、w、y、x、およびzは、モル分率である。また、比 y/(w+x+y+z)は、典型的には少なくとも0.67、あるいは少なくとも0.7、あるいは少なくとも0.8である。この比が0.67より小さい場合、凝集物の炭化率が典型的に低くなる。
シロキサン樹脂は、典型的には、30〜115℃、あるいは35〜60℃、あるいは35〜50℃の軟化点（Ts）を有する。ここで、軟化点は、熱重量分析装置を用いて、下記実施例で説明する手順にしたがって決定する。シロキサン樹脂の軟化点が30℃未満である場合、バインダーは典型的には粉末ではない。シロキサン樹脂の軟化点が115℃より高い場合、バインダーは、加熱なしに圧力下で容易に変形して凝集物を生産することができない可能性がある。
シロキサン樹脂は、典型的には、1000〜4000、あるいは1300〜3500、あるいは1500〜1900の数平均分子量（Mn）を有する。ここで、分子量は、小角レーザー光散乱検出器を採用するゲル透過クロマトグラフィーによって決定する。
シロキサン樹脂は、典型的には、29SiNMRにより決定して10%未満、あるいは8%未満、あるいは6%未満の、ケイ素に連結したヒドロキシ基を有する。
シロキサン樹脂は、式R1SiO3/2を有する単位を有し、任意に、式単位R1 3SiO1/2、R1 2SiO2/2、およびSiO4/2から選択される式を有する単位を少なくとも１種類有する。例えば、シロキサン樹脂は、本質的に、(a) R1 3SiO1/2単位およびR1SiO3/2単位から；(b) R1 3SiO1/2単位、R1SiO3/2単位、およびSiO4/2単位から；(c) R1 3SiO1/2単位、R1SiO3/2単位、およびR1 2SiO2/2単位から；ならびに(d) R1 2SiO2/2単位およびR1SiO3/2単位からなっていてよい。ここで、R1は上述により定義または例示されたものと同じであり、樹脂は30〜115℃の軟化点を有する。
シロキサン樹脂の具体例としては、これだけに限られないが、以下の式を有する樹脂が挙げられる：
(PhSiO3/2)0.7(n-C3H7SiO3/2)0.3；
(PhMeSiO2/2)0.05(Ph2SiO2/2)0.1(MeSiO3/2)0.45(PhSiO3/2)0.40；(PhSiO3/2)；および(MeSiO3/2)。ここで、Meはメチル基、Phはフェニル、および括弧外の下付き数字はモル分率を表す。また、前述の式において、単位の順番は特定されていない。
バインダーは、単一のシロキサン樹脂、または２種以上のシロキサン樹脂の混合物を含むことができる。各シロキサン樹脂は、上述したものと同じである。
バインダーの濃度は、固体微粒子の種類および中央粒径を含むいくつかの因子に依存する。典型的には、本組成物中のバインダーの濃度は、固体微粒子の中央粒径が減少するにしたがって増加する。バインダーの濃度は、典型的には、シロキサン組成物の総重量に対して1〜30%、あるいは5〜20%、あるいは10〜20%である。
シロキサン樹脂の製造方法は、当分野において周知である；これらの樹脂の多くは商業的に入手可能である。シロキサン樹脂は、典型的には、有機溶媒（例えばトルエン）中のクロロシラン前駆体の適切な混合物の共加水分解によって製造される。例えば、本質的にR1 3SiO1/2単位とR1SiO3/2単位とからなるシロキサン樹脂は、式R1 3SiClを有する化合物と式R1SiCl3を有する化合物とをトルエン中で共加水分解することによって製造することができる（ここで、R1は上述により定義または例示されたものと同じである）。水性の塩酸とシリコーン加水分解物とを分離し、この加水分解物を水で洗浄して残った酸を除去し、温和な縮合触媒の存在下で加熱して所望の粘度まで樹脂を「増粘」させる。所望する場合、樹脂をさらに溶媒中、縮合触媒で処理して、ケイ素に結合したヒドロキシ基の含有量を減少させることができる。あるいは、塩素以外の加水分解可能な基（例えば、-Br、-I、-OCH3、-OC(O)CH3、-N(CH3)2、NHCOCH3、および-SCH3等）を有するシランを共加水分解反応の出発物質として利用することができる。樹脂製品の性質は、シランの種類、シランのモル比、縮合の程度、および圧縮条件に依存する。
さらに、式(HSiO3/2)nを有する樹脂の製造法は当分野で周知であり、Collinsらの米国特許第3,615,272号；Bankらの米国特許第5,010,159号；Fryeらの米国特許第4,999,397号；Hannemanらの米国特許第5,063,267号；公開特許第59-178749号；公開特許第60-86017号；および公開特許第63-107122号で例示される。
本発明のシロキサン組成物は、典型的には、固体微粒子およびバインダーと、任意選択の成分とを、上述した割合で周囲温度で混合することにより製造される。混合は、当分野で知られている任意の技術（例えば、バッチ式または連続式のいずれのプロセスであってもよい、ミリング、混合、および撹拌等）によって実施することができる。
本発明の凝集物は、0.1〜3000μmの中央粒径を有する固体微粒子 70〜99重量部と、5〜250μmの中央粒径を有するバインダー 1〜30重量部とを含む。ここで、バインダーは、式：
(R1 3SiO1/2) w (R1 2SiO2/2) x (R1SiO3/2) y (SiO4/2) z
（式中、R1はそれぞれ独立に、水素、ヒドロカルビル、置換ヒドロカルビル、-O=NR2R3、-OR2、-O-R4-OR2、およびエポキシ基で置換された有機基から選択され、R2はC1〜C8のヒドロカルビルであり、R3はR2または-Hであり、R4はヒドロカルビレンであり、w+x+y+z=1であり、y/(w+x+y+z)は少なくとも0.67である）
のシロキサン樹脂を含み、かつ、前記シロキサン樹脂は30〜115℃の軟化点を有する。
凝集物の固体微粒子およびバインダーは、本発明のシロキサン組成物に対して上記により定義および例示したものと同じである。
凝集物は、以下に説明するこれを製造するための方法次第で、様々な形状および大きさを有することができる。例えば、凝集物は、練炭、シート、ペレットの形態、またはその他の造形品の形態をとることができる。
本発明の凝集物は、シロキサン組成物を圧縮して凝集物を形成させる工程によって製造することができる。ここで、前記組成物は、0.1〜3000μmの中央粒径を有する固体微粒子 70〜99重量部と、5〜250μmの中央粒径を有するバインダー 1〜30重量部とを含み、前記組成物は粉末であり、前記バインダーは式：
(R1 3SiO1/2) w (R1 2SiO2/2) x (R1SiO3/2) y (SiO4/2) z
（式中、R1はそれぞれ独立に、水素、ヒドロカルビル、置換ヒドロカルビル、-O=NR2R3、-OR2、-O-R4-OR2、およびエポキシ基で置換された有機基から選択され、R2はC1〜C8のヒドロカルビルであり、R3はR2または-Hであり、R4はヒドロカルビレンであり、w+x+y+z=1であり、y/(w+x+y+z)は少なくとも0.67である）
のシロキサン樹脂を含み、かつ、このシロキサン樹脂は30〜115℃の軟化点を有する。本方法のシロキサン組成物は、上記により定義および例示したものと同じである。
シロキサン組成物は、従来の機器（例えば、ロールプレス（ブリケッターまたは圧縮機など）、混練機、および型押しと押型等）を用いて圧縮することができる。例えば、典型的にはダブルロールプレスを用いて、シートまたは練炭を製造することができる一方、混練機を用いてペレットを製造することができる。型押しと押型を用いて様々な形状および大きさを有する凝集物を製造することができる。
シロキサン組成物を、本発明の凝集物を形成させるために十分な圧力を用いて圧縮する。圧縮圧力は、固体微粒子の組成および大きさ；シロキサン樹脂の組成、大きさ、および軟化点；ならびに組成物を圧縮する機器の種類を含むいくつかの要因に依存する。シロキサン組成物は、典型的には、3.4〜136MPa、あるいは6.8〜102MPa、あるいは34〜68MPa、のゲージ圧を用いて圧縮する。ここで、用語「ゲージ圧」は、実際の大気圧をゼロ点として用いる圧力測定の値をいう。具体的なシロキサン組成物に好ましい圧力および機器は、日常的な実験によって容易に決定することができる。
本方法は、さらに、圧縮工程の前に、シロキサン組成物を押型またはルールプレスのローラーに仕込む工程を含むことができる。組成物は、スクリューフィーダまたは重力供給装置を用いて仕込むことができる。スクリューフィーダは、高い送り込み密度に対して、入ってくる材料を事前に圧縮し脱気する利点がある。これらはまた、入ってくる粒子を圧搾して、圧縮工程の前により好ましい大きさにそろえることができる。いくつかの場合において、スクリューフィーディングプロセスによって生成した熱が、例えばバインダーを凝集前に軟化させることにより、役に立つ場合がある。また、シロキサン樹脂が中程度から高程度の軟化点（例えば少なくとも50℃）を有する場合、フィーダおよび／またはローラーを樹脂の軟化点に近い温度（例えば軟化点から10℃の範囲内の温度）に加熱して凝集を容易にすることが望ましい。
本発明のシロキサン組成物は、圧縮して様々な形状および大きさを有する凝集物にすることができる。本組成物は、室温よりかなり高い軟化点（Ts）を有するシロキサン樹脂バインダーを含む。このため、室温では粉末形態であるこのバインダーが、圧縮下で軟化して固体微粒子の凝集物を形成する。同様に、従来の有機バインダー（例えば、コールタール、粘土、デンプン、ワックス、およびリグニン廃棄物など）と比較して、本組成物のこのシロキサン樹脂バインダーは、不純物（例えば、金属、ホウ素、およびリンなど）の含有量が非常に低い。さらに、有機バインダーと比較して、このシロキサン樹脂バインダーは炭化率が高く、その分解温度より高く加熱されると固体微粒子との高い接着強さをもたらす。
本発明の凝集物は、輸送および取扱いを可能にする十分な未処理強度を有する。さらに、本凝集物は、様々な形状および大きさを有することができる。さらに、シロキサン樹脂バインダーの分解温度（約500℃）を超えて加熱された場合に、本凝集物はその形状を維持し、高い接着強度を示す。これにより、凝集物は高温溶融プロセスでの使用に好適なものになる。
凝集物の製造方法は、従来の機器（例えばロールプレス（例えば圧縮およびブリケッティングシステム）、型押しと押型、ペレットミル等）を用いて都合良く実施することができる。特に、ロールプレスは、大容量の凝集物の製造に好適である。本方法は、機器の選択次第で、練炭、シート、またはペレットなどの様々な形態を有する凝集物の製造に用いることができる。さらに、本方法は、溶媒、外部加熱、または圧縮後の乾燥の助けなしに実施することができる。重要なことには、本方法は、製造プロセスから固体微粒子廃棄物を回収するために用いることができる。
本発明の凝集物は、固体微粒子の性質次第で多様な用途を有する。特に、凝集物は、製造プロセスにおける原材料源として使用することができる。例えば、廃棄物を含む凝集物、例えば鋳鉄紛は、製鉄業および鋳物業における二次原材料として使用することができる。また、凝集物は、微粉化した固体廃棄物を安全に取扱、輸送、または処分するために用いることができる。さらに、木製品または炭素を含有する凝集物は、燃料源として使用することができる。
以下の実施例を、本発明のシロキサン組成物、凝集物および方法をよりよく例証するために提示するが、添付の請求項に記載された発明を限定するものと解されるべきではない。注記がない限り、実施例中の部およびパーセントはいずれも重量による。以下の方法および材料を実施例で採用した。
未紛砕シリカ（US.Silica社（Berkeley Springs, WV）からFine Meltの名で入手可能）は、（質量による）中央粒径250μm、硬度（モース）7、融点1704℃、および比重2.65を有する二酸化ケイ素（99.8%）である。
紛砕シリカ（US.Silica社（Berkeley Springs, WV）からSIL-CO-SIL 250の名で入手可能）は、（質量による）中央粒径45μm、中央メッシュサイズ325（USA Standard Sieve）、硬度（モース）7、融点1704℃、および比重2.65を有する二酸化ケイ素（99.8%）である。
カーボンブラックA（Cancarb Ltd.（Alberta、カナダ）からThermax Florform N-990の名で入手可能）は、ふるい残分（最大325メッシュ、%（ppm））0.0015、窒素表面積7〜12m2/g、DBP（ジブチルフタレート）の吸収44cm3/g（最大）、灰分0.2%、pH 9〜11、および平均最大ペレット硬度（14x18メッシュ）30gを有する炭素のペレットからなる。
カーボンブラックB（Cabot Corporation（Alpharetta、GA）からREGAL 85の商標名で入手可能）は、窒素表面積21m2/g、ヨウ素価21mg/g、およびDBP（ジブチルフタレート）の吸収34ml/100gを有する、表面積が低く、低次構造のファーネスカーボンブラックである。
カーボンブラックC（Cabot Corporation（Alpharetta、GA）からSTERLING NS-1の商標名で入手可能）は、窒素表面積31m2/g、ヨウ素価28mg/g、およびDBP（ジブチルフタレート）の吸収64ml/100gを有する、ペレット化されたファーネスカーボンブラックである。
カーボンブラックD（Cabot Corporation（Alpharetta、GA）からSTERLING Vの商標名で入手可能）は、窒素表面積35m2/g、ヨウ素価36mg/g、およびDBP（ジブチルフタレート）の吸収90ml/100gを有する、半強化性グレードのカーボンブラックである。
バインダーは、式(PhSiO3/2)0.7(n-C3H7SiO3/2)0.3を有するシロキサン樹脂粉末である。ここで、前記樹脂は、軟化点40℃、中央粒径150μm、重量平均分子量（Mw）2900、数平均分子量（Mn）1700、およびケイ素に結合したヒドロキシ基6%（w/w）を有する。この粉末は、固体樹脂の塊をコーヒーグラインダーまたはピンミル（Munson Machinery Company、Utica、NY）を用いて微粉砕することにより製造した。微粉砕されていないバインダーは、Dow Corning Corporation（Midland、MI）からDow Corning 208 Flake Resinの名で入手可能である。
バインダーの軟化点は、DuPont Model 941 Thermomechanical Analyzerを用いて以下の手順で決定した：アルミニウム秤量皿中に微粉砕した樹脂を置き、融点より少し高い温度に樹脂を加熱し、次いでその樹脂を室温に冷却することにより、0.5〜2.0mm厚さのバインダーの薄い試験片を調製した。系を、流量10ml/分の窒素で絶え間なくパージした。ヒーターを石英の試料容器上に設置し、この系の温度を、バインダーの予想される軟化点より少なくとも15℃低い温度に調節する。ヒーターを取り外し、直径2.5〜3.0mm、質量10±2gを有し、ロッドに等しい直径を有する半球形のチップを備えた石英ロッドプローブの下に試料片をセットした。ヒーターを再び設置し、変位検出器を0.012±0.002mmの変位に合うように調整した。試料を1℃/分の速度で加熱した。変位が0.012mmに等しくなる温度を軟化点として記録した。
実施例１〜１３のシロキサン組成物を、表１に示した成分をガラスジャー中で混合することにより調製した。次いで、内容物を約1分間手で激しく振とうした。実施例１４のシロキサン組成物は、表１に示した成分を5ガロン容器中で混合することにより調製した。次いで、内容物を、ドラムローラーを用いて混合した。
シリカおよびバインダーの（質量による）中央粒径は、Beckmann Coulter LS 230 Laser Diffraction Particle Size Analyzer（Beckmann Coulter社、Fllerton、CA）を用いて測定した。
炭化された練炭の圧縮強度は、Sintech 1/S Test System（MTS Systems Corporation 、Cary、NC）を用いて測定した。圧縮強度として報告した値は、同じ組成物から調製した３つの練炭に対する平均の結果を表す。
炭化された練炭の空隙率は、QuantaChrome MPY-2 Helium Pycnometer（QuantaChrome Instruments社、Boynton Beach、FL）を用いて測定した。空隙率として報告した値は、同じ組成物から調製した３つの練炭に対する平均の結果を表す。
炭化された円筒状の練炭の密度は、練炭の質量と体積を測定することにより決定した。練炭の質量は、関係式：V=πr2h（式中、Vはcm3での体積、rはcmでの半径、hはcmでの高さである）を用いて算出した。この体積は微粒子の容積のみならず細孔容積も含むため、得られた密度は「バルク密度」とも称されることがある。密度として報告した値は、同じ組成物から調製した３つの練炭に対する平均の結果を表す。
バインダーの炭化率は、関係式：炭化率＝炭化後の練炭の質量／炭化前の練炭の質量×100 を用いて算出した。この計算において、炭化後の練炭の質量損失は、バインダーのみによると見なした。炭化率として報告した値は、同じ組成物から調製した３つの練炭に対する平均の結果を表す。
［実施例１〜１３］
実施例１〜１３のそれぞれにおいて、表１に示したシロキサン組成物をそれぞれ用いて炭化した練炭を調製した。組成物（2.8g）を、5000 lbf（22,241 N）の圧力下、プランジャ／圧縮機中、油圧プレスで圧縮して、直径1.91cm、高さ0.81cmの円筒状の練炭を形成させた。次いで、練炭をLindbergチューブ加熱炉中、750℃で2時間、窒素気流下で炭化させた。炭化した練炭の物理的性質を表２に示した。
［実施例１４］
表１に示したシロキサン組成物を、Komarek DM-100 Briquetting Machine中、2.5rpmの送り速度、および6.89MPa（1000psig）のローラーゲージ圧を用いて圧縮することにより調製した。練炭３つは室温に保ち；練炭３つは空気中、175℃で30分加熱し；練炭３つは空気中、215℃で30分加熱した。各練炭は、2.44mの高さから硬い表面（リノリウムを敷いた床）に落下させた。破片を集め、直径6mmの円形の穴を有するふるいを通してふるい分けをした。ふるい上に保持された割合を、次の関係：
保持%=ふるい上に保持された破片の質量／もとの練炭の質量×100
に従って各練炭について算出した。室温に保った練炭、175℃に加熱した練炭、および215℃に加熱した練炭の保持%の平均値は、それぞれ98±2、99±2、および99±4であった。
Figure 0005531037
Figure 0005531037

Claims (6)

  1. シロキサン組成物を圧縮して凝集物を形成させる工程と、前記凝集物を炭化させる工程とを含む、炭化した凝集物の製造方法であって、
    前記シロキサン組成物が、0.1〜3000μmの中央粒径を有する固体微粒子 70〜99重量部と、5〜250μmの中央粒径を有するバインダー 1〜30重量部とを含み、
    前記組成物が粉末であり、
    前記バインダーが、式：
    (R 1 3 SiO 1/2 ) w (R 1 2 SiO 2/2 ) x (R 1 SiO 3/2 ) y (SiO 4/2 ) z
    （式中、R 1 はそれぞれ独立に、ヒドロキシおよび炭素原子１〜１０個を有するヒドロカルビルから選択され、w+x+y+z=1であり、y/(w+x+y+z)は少なくとも0.67である）
    のシロキサン樹脂を含み、前記シロキサン樹脂中の基R 1 の少なくとも70mol%がアリールであり、かつ、前記シロキサン樹脂が30〜115℃の軟化点を有する、方法。
  2. 前記固体微粒子が、カーボンブラック、またはカーボンブラックとケイ砂との混合物である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記シロキサン樹脂がR1SiO3/2単位（式中、R1は、それぞれ独立に、ヒドロキシおよび炭素原子１〜１０個を有するヒドロカルビルから選択される）からなる、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記シロキサン樹脂がPhSiO3/2単位およびn-C3H7SiO3/2単位からなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 炭化した凝集物が、練炭、シート、およびペレットから選択される形態である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 請求項５の方法により製造された、炭化した凝集物。
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