JP6140915B2 - カーボンブラック、その製造方法およびその使用 - Google Patents

カーボンブラック、その製造方法およびその使用 Download PDF

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Description

本発明は、カーボンブラック、その製造方法ならびにその使用に関する。
カーボンブラックのストラクチャーが、カーボンブラックに対するポリマーの良好な付着を前提として、ゴム混合物中でのカーボンブラックの補強挙動に重大な影響を及ぼすことが公知である(Donnet J.−B.,Bansal R.C.,Wang M.J.(ed.),Gersbacher M:Carbon Black,Marcel Dekker Inc.,New York,(1993),ed.2,p.386)。さらに一般的には、比表面積が増大するにつれて、ヒステリシスひいてはエネルギー散逸が、周期的な力−歪み−応力にて増加することが公知である。耐摩耗性は、比表面積が増大するにつれて増加する。圧縮永久歪みは、比表面積が大きくなるにつれて一層大きくなり、このことは殊にガスケットにとって不都合である。なぜなら、これはガスケットの接触圧力の減少を伴うからである。この理由から、殊に、耐摩耗性が前面には出てこない工業用ゴム製品のために、低表面積のカーボンブラックが使用される。同様に、これらのカーボンブラックは、タイヤ基礎構造の領域で使用されることもできる。カーボンブラックの比較的僅かな比表面積は、それゆえヒステリシスの低減ひいては転がり抵抗の減少にもつながる。すでに述べた通り、補強はストラクチャーにより決定的に影響を及ぼされる。タイヤ基礎構造に起因する、より高い転がり抵抗は、より高い燃料消費ひいては、より高い二酸化炭素排出の原因となる。これは経済的および生態学的な観点から不所望である。
さらに、ポリマー中でのカーボンブラックの良好な分散は、ストラクチャー(COAN、OAN)が十分に大きい場合に得られることが公知である(Donnet,Bansal,Wang(ed.),Funt J.M.,Sifleet W.L.,Tomme M.:Carbon Black,Marcel Dekker Inc.,New York,(1993),ed.2,p.390)。
それゆえ経済的および生態学的な観点から所望されていることは、低比表面積によってタイヤ基礎構造の転がり抵抗を低減することである。さらに、改善された補強作用によって充填剤割合およびそれにより成分密度が減少され得る場合に、該成分質量を低下させることが望ましいとされる。経済的およびプロセス技術的な見地から、充填剤の改善された補強作用が前提となって、ゴム配合物中でポリマー成分を油で置き換えられ得る場合に望ましいとされる。充填剤の効果にとって、さらに分散が重要であることから、簡単に分散され得る充填剤が所望されている。
US2008/0110552A1から、90ml/(100g)より大きく、かつ150ml/(100g)より小さいCOAN、および50m2/gより大きく、かつ69m2/gより小さいBETを有するカーボンブラックが公知である。Dmodeに対するDwの比から生じる分散指数DIは1.15より大きい。これらのカーボンブラックは、ゴム混合物中で、なお高い比表面積に基づき、まだ最適なヒステリシスレベルには至らない。
US2003/0013797A1から、ポリマー導電性適用における、10〜200m2/gのSTSA、15〜250mg/gのヨウ素価、130%までのTint値、20〜450ml/(100g)のDBPA、20〜400ml/(100g)のCDBP、STSAに対するヨウ素価の比率0.4〜2.5、14〜250nmの平均粒度および1%未満の割合の揮発性成分を有するカーボンブラックが公知である。
そのうえUS005236992Aから、45〜55m2/gのCTAB比表面積、48〜58mg/gの比ヨウ素価、65〜75%のTint値、90〜100ml/(100g)のCDBPおよび122〜132ml/(100g)のDBPによって際立っているファーネスブラックが公知である。このカーボンブラックは、ファーネス−カーボン−ブラック反応器の狭小部において油を半径方向および軸方向に添加することによって製造される。
これらのカーボンブラックの欠点は、僅かなOANレベルおよびOANとCOANとの僅かな差である。さらに、このカーボンブラックは、依然として高い比表面積と、それと結び付いた欠点を有する。
さらに、JP11−302557Aから、25〜60m2/gのCTAB表面積およびDBP/(ml/100g)>0.6*CTAB/(m2/g)+120を有するカーボンブラックが公知である。さらに、
st/nm<6000m2/g/CTAB+60
に従ったストークス径がモード径のために要求される。この関係から、JP11−302557Aにおいて製造されたカーボンブラックは比較的小さいアグリゲートを有していることがわかる。
これらはカーボンブラックの最適な特性プロファイルをもたらさない。
JP07−268148から、140ml/(100g)より大きいDBPを有するカーボンブラックが公知である。粒度データは、dp=38nmもしくは42nmと記載される。
JP04−18438から、STSA<60m2/gおよびDBP≦100ml/(100g)を有するカーボンブラックが公知である。
JP01−272645において、有利には、10〜40ml/gのヨウ素価および100〜500ml/(100g)のDBPを有するカーボンブラックが使用される。
EP1783178から、カーボンブラック原料を第一のステップにおいて供給し、かつ高温ガスの流と合一して、本質的にカーボンブラックから成る前駆物質を反応流中で形成し、次にさらなるカーボンブラック原料をこの前駆物質に供給して、反応流をそれにより部分的に急冷し、引き続き反応流全体を完全に急冷する、ファーネスブラック法が公知である。高温ガスの流は、燃料と酸化性媒体、例えば空気との反応からの燃焼ガスとして発生してよく、その際、燃料に対する空気の比率は1:1(化学量論比)〜無限に変化させてよい。
US2008/0110552A1 US2003/0013797A1 US005236992A JP11−302557A JP07−268148 JP04−18438 JP01−272645
本発明の課題は、ゴム混合物中で、良好な分散性にて、非常に高い補強作用と僅かなヒステリシスとを有するカーボンブラックを提供することである。
本発明の対象は、CTAB表面積が20〜49m2/g、好ましくは30〜48m2/g、特に有利には35〜47m2/g、極めて有利には38〜46m2/gであり、COANが90ml/(100g)より大きく、好ましくは95ml/(100g)より大きく、特に有利には98ml/(100g)より大きく、殊に有利には100ml/(100g)より大きく、かつOANとCOANとからの合計が235ml/(100g)より大きく、好ましくは250ml/(100g)より大きく、特に有利には260ml/(100g)より大きく、殊に有利には270ml/(100g)より大きいことを特徴とするカーボンブラックである。
四分位比は、1.60より大きくてよく、好ましくは1.65〜2.50、特に有利には1.70〜2.50、極めて有利には1.75〜2.50、殊に有利には1.80〜2.50、非常に有利には1.85〜2.45であってよい。
本発明によるカーボンブラックのアグリゲート径分布のモード径はDst、>6000m2nm/g/CTAB+60nmであってよい。
本発明によるカーボンブラックは、造粒されていてよい。特に有利には、カーボンブラックは湿式造粒されていてよい。
本発明によるカーボンブラックは、アグリゲート径分布のモード径に対する、0.95より大きい、有利には1.0より大きい、極めて有利には1.05より大きいか、または1.05に相当するΔD−50値の比率を有してよい。
本発明によるカーボンブラックは、200nmより大きいアグリゲート径分布のDw値(質量平均粒径)を有してよい。
本発明によるカーボンブラックのTint値は、120より小さくてよく、好ましくは105より小さくてよく、特に有利には90より小さくてよく、極めて有利には75より小さくてよい。
本発明によるカーボンブラックは、1.35より大きい、好ましくは1.4より大きい、数平均直径とアグリゲート径分布のモード径とからの比率を有してよい。
本発明によるカーボンブラックは、ガスブラック、チャンネルブラック、ランプブラックまたはファーネスブラック、有利にはファーネスブラックであってよい。
本発明によるカーボンブラックは、OAN>100ml/(100g)、有利には>130ml/(100g)、特に有利には>160ml/(100g)を有してよい。
本発明によるカーボンブラックは、42nmより大きい、有利には43nmないし160nmより小さい、特に有利には43nmないし90nmの平均一次粒度を有してよい。
本発明によるカーボンブラックは、表面変性されていなくてよく、かつ後処理されていなくてよい。
本発明によるカーボンブラックのpH値は>5であってよい。
CTAB値は、ASTM D−3765−04に従って測定される。
BET比表面積およびSTSA比表面積はASTM D−6556−04に従って測定される。この際、相対圧力に関するパラメータは、10.4.4項に従って遵守される。
COAN値は、ASTM D−3493−06に従って、以下のパラメータ:油:パラフィン;終点決定法:手法Bを用いて測定される。
OANは、ASTM D 2414−00に従って測定される。
Tint値は、ASTM D−3265−06に従って、以下のパラメータ:Hoover Muller Paste Preparation,Erichsen−tint−tester−film drawdown methodを用いて測定される。
pH値は、ASTM D 1512−00に従って測定される。
一次粒度は、ASTM D 3849−07に従って測定される。
四分位比は、アグリゲート径分布から計算される。
この場合、アグリゲート径分布は、ISO規格 15825、第1版、2004−11−01に従って測定され、その際、以下の変更が適用される:
ISO規格 15825の4.6.3項における補足:モード値は、質量分布曲線(mass distribution curve)に関する。
ISO規格 15825の5.1項における補足:Brookhaven Instruments Corporation社,750 Blue Point Rd.,Holtsville,NY,11742にて全て入手可能な、装置BI−DCP Particle Sizerおよび関連評価ソフトウェアdcplw32,Version3.81が使用される。
ISO規格 15825の5.2項の補足:超音波制御装置GM2200、音響変換器UW2200、ならびにソノトロードDH13Gが使用される。超音波制御機装置、音響変換器およびソノトロードは、Bandelin electronic GmbH & Co.KG,Heinrichstrasse 3−4,D−12207(Berlin)にて入手可能である。その際、超音波制御装置により、以下の値が調整される:パワー(%)=50、サイクル=8。これは100ワットの調整された定格出力および80%の調整されたパルスに相当する。
ISO規格 15825の5.2.1項の補足:超音波時間は4.5分に定められる。
ISO規格 15825の6.3項に記載される定義とは異なって、"Surfactant"は以下の通り定義される:"Surfactant"は、Sigma−Aldrich Chemie GmbH,Industriestrasse 25,CH−9471 Buchs,SG(Switzerland)にて入手可能な、Fluka社のNonident P 40 Substitute型のアニオン性界面活性剤である。
ISO規格 15825の6.5項に記載されるスピン液の定義とは異なって、スピン液は以下の通り定義される:スピン液の製造のために、Fluka社の界面活性剤Nonident P40 Substitute 0.25g(6.3項)が脱イオン水(6.1項)により1000mlに補充される。引き続き、該溶液のpH値が、NaOH溶液0.1モル/lで9〜10に調整される。該スピン液は、その製造後に最大で1週間使用され得る。
ISO規格 15825の6.6項に記載される分散液の定義とは異なって、該分散液は以下の通り定義される:該分散液の製造のために、エタノール200ml(6.2項)、およびFluka社の界面活性剤Nonident P40 Substitute 0.5g(6.3項)が脱イオン水(6.1項)により1000mlに補充される。引き続き、該溶液のpH値が、NaOH溶液0.1モル/lで9〜10に調整される。該分散液は、その製造後に最大で1週間使用され得る。
ISO規格 15825の7項の補足:もっぱら造粒カーボンブラックのみが使用される。
ISO規格 15825の8.1項、8.2項、8.3項における指示書は、まとめると次の指示書によって置き換えられる:造粒カーボンブラックは、めのう乳鉢中で容易に破砕される。カーボンブラック20mgが、次いでビードリム容器30ml(直径28mm、高さ75mm、壁厚1.0mm)中で分散溶液20ml(6.6項)と混ぜられ、かつ冷却浴(16℃+/−1℃)中で4.5分の時間で(5.2.1項)超音波により(5.2項)処理され、ひいては該分散溶液中で懸濁される。超音波処理後に、試料が5分以内に遠心分離機中で測定される。
ISO規格 15825の9項の補足:入力されるべきカーボンブラックの密度の値は、1.86g/cm3である。入力されるべき温度の温度値は、10.11項に従って決定される。該スピン液のタイプには、オプションである"水性"が選択される。それにより、該スピン液の密度には0.997(g/cc)の値、および該スピン液の粘度には0.917(cP)の値が生じる。光散乱校正は、ソフトウェアdcplw32において選択可能なオプションを用いて行われる:ファイル=carbon.prm;Mie−Correction。
ISO規格 15825の10.1項の補足:遠心分離速度は、11000r/分に定められている。
ISO規格 15825の10.2項の補足:エタノール0.2cm3(6.2項)の代わりに、エタノール0.85cm3(6.2項)が注入される。
ISO規格 15825の10.3項の補足:正確には15cm3のスピン液(6.5項)が注入される。引き続き、エタノール0.15cm3(6.2項)が注入される。
ISO規格 15825の10.4項の指示書は完全に省かれる。
ISO規格 15825の10.7項の補足:データ記録の開始直後に、スピン液が遠心分離機中でドデカン0.1cm3の層で覆われる(6.4項)。
ISO規格 15825の10.10項の補足:測定曲線が基準線に1時間以内に再び達しない場合には、測定は正確には1時間の測定時間の後に中断される。遠心分離機回転数を変更した場合の再始動は行われない。
ISO規格 15825の10.11項の補足:測定温度を測るための指示書に記載された方法の代わりに、コンピュータープログラムに入力されるべき測定温度Tが以下の通り算出される:
T=2/3(Te−Ta)+Ta、
その際、Taは測定前の測定チャンバの温度を表し、かつTeは測定後の測定チャンバの温度を表す。温度差は4゜Kを超えないことが望ましい。
ΔD−50値およびモード値も同様に、上記ISO規格 15825に従ったアグリゲート径分布から得られる。
本発明のさらなる対象は、反応器軸に沿って燃焼ゾーン、反応ゾーンおよび中断ゾーンを含有するファーネスブラック反応器中で、燃焼ゾーンにおいて酸素を含有するガス中で燃料を燃焼させることにより高温排ガスの流を生成し、かつ排ガスを燃焼ゾーンから、狭小部を貫流せずに、反応ゾーン中に、かつ引き続き中断ゾーン中に導通し、高温排ガス中に反応ゾーンにおいてカーボンブラック原料を混入し、かつ水を噴霧することにより中断ゾーン中でカーボンブラック形成を停止することによって、本発明によるカーボンブラックを製造する方法において、半径方向にカーボンブラック原料の20〜58質量%、好ましくは30〜50質量%を反応ゾーンの初めの3分の1において噴射し、かつ該カーボンブラック原料の残量を上流で少なくとも1つのさらなる箇所で反応器中に噴射することを特徴とする方法である。
反応ゾーンは、カーボンブラックの最初の添加で始まり、かつクエンチングで終わる。
酸素を含有するガスは、酸素富化されていない空気であってよい。
反応器は第2の油添加の後方で広がってよい。これは複数の段階でまたは1段階でも行ってよい。有利なのは1段階のみの使用である。
第2の油添加の反応器断面と、流方向の下流にある反応室中での反応器断面とからの断面積比は、1.0より小さくてよく、有利には0.5より小さくてよく、特に有利には0.1より小さくてよく、非常に有利には0.05より小さくてよい。
燃料は、液状、部分的に液状かつ部分的にガス状であるか、またはガス状であってよい。
燃料噴霧器として、純粋な圧力噴霧器(一成分噴霧器)のみならず、内部混合または外部混合を伴った二成分噴霧器も使用され得る。燃料は、純粋な圧力噴霧器(一成分噴霧器)を用いてのみならず、内部混合または外部混合を伴った二成分噴霧器を用いても導入され得る。燃料が液状である場合、条件は、噴霧に際して得られる液滴径、カーボンブラック原料に衝突するまでのこれらの液滴の滞留時間および反応温度が互いに、使用される燃料質量流の80%より多くがカーボンブラック原料への衝突に際してガス状の状態で存在するように適合させられる形で選択され得る。殊に二成分噴霧器および液体燃料の使用によって、液滴径は、流量とは無関係に、幅広い範囲内で調節され得、ひいてはカーボンブラック原料に衝突するまでの燃料の滞留時間および反応時間に適合され得る。
液滴径分布は、最適な方法を用いて決定され得る。様々な商業的ノズルメーカーが、これらの測定をサービスとして提供しており、例えばDuesen-Schlick GmbH,D−96253 Untersiemau/Coburg(ドイツ)が挙げられる。プロセスにおける液滴の滞留時間および反応温度は、コンピュータ補助による流体力学的なシミュレーション計算を手かがりして決定され得る。例えばFluent社(Fluent Deutschland GmbH,64295 Darmstadt)の商業的ソフトウェア"Fluent",Version 6.3は、使用されるファーネス反応器を表示し、かつ測定される液滴径分布を含んだ供給される全てのプロセス流の入力後に、基礎となる化学モデルを用いて燃料液滴の滞留時間および蒸発速度および反応温度を算出することが可能である。
カーボンブラック原料は半径方向ランスによって噴射され得る。2〜32、好ましくは3〜16、特に有利には3〜8の半径方向ランスが使用され得る。
カーボンブラック原料は、反応ゾーンの初めに軸状に導入され得る(第一のカーボンブラック原料の添加)。
カーボンブラック原料は、液状、ガス状または部分的に液状かつ部分的にガス状であってよい。
液状のカーボンブラック原料は、圧力、蒸気、ガス、例えば圧縮空気、またはガス状のカーボンブラック原料によって噴霧され得る。
液状のカーボンブラック原料として、液状の脂肪族または芳香族の、飽和または不飽和の炭化水素、炭化水素含有化合物、例えば液体バイオマスまたは再生可能な原料、またはこれらの混合物、コールタール、コールタールからの留出物または石油留分の接触分解に際してもしくはナフサまたは軽油の接触によるオレフィン製造に際して生じる残油が使用され得る。
ガス状のカーボンブラック原料として、ガス状の脂肪族の、飽和または不飽和の炭化水素、これらの混合物または天然ガスが使用され得る。
空気過剰を特徴付ける測定値として、頻繁にいわゆるK因子が使用される。K因子は、燃料の化学量論的燃焼に必要とされる空気量対実際に燃焼に供給される空気量の比率である。1のK因子は、つまり化学量論的燃焼を意味する。空気過剰の場合、K因子は1より小さい。本発明による方法の場合、K因子は0.2から1.0までの間にあってよい。有利には、K因子は0.3から0.9までの間に、特に有利には0.3から0.8までの間にあってよい。
上記の方法は、特定の反応器形状に制限されていない。むしろ様々な反応器タイプおよび反応器サイズに適合され得る。
カーボンブラック原料の噴霧器として、純粋な圧力噴霧器(一成分噴霧器)のみならず、内部混合または外部混合を伴った二成分噴霧器も使用され得る液状のカーボンブラック原料のための噴霧媒体として、ガス状のカーボンブラック原料のみならず、蒸気およびガス、例えば空気も使用され得る。
液状のカーボンブラック原料の噴霧のために二成分噴霧器が使用され得る。一成分噴霧器の場合、流量の変化が液滴径の変化にもつながり得る一方で、二成分噴霧器の場合、液滴径は流量とはほぼ無関係に影響が及ぼされ得る。
液状のカーボンブラック原料およびガス状のカーボンブラック原料、例えばメタンが同時に使用される場合、ガス状のカーボンブラック原料は液状のカーボンブラック原料とは別個に固有の一対のガスランスにより高温排ガスの流中に噴射され得る。
本発明によるカーボンブラックは、充填剤、補強充填剤、UV安定剤、導電性カーボンブラックまたは顔料として使用され得る。本発明によるカーボンブラックは、ゴム、プラスチック、印刷用インキ、インキ、インクジェットインキ、トナー、ラッカー、ペイント、ペーパー、ペースト、バッテリー、化粧品、ビチューメン、コンクリート、耐火物およびその他の建築材料中で使用され得る。本発明によるカーボンブラックは、冶金学における還元剤として適用され得る。
本発明によるカーボンブラックは、ゴム混合物における補強カーボンブラックとして使用され得る。
本発明のさらなる一対象は、少なくとも1つのゴム、有利には少なくとも1つのジエンゴム、特に有利には少なくとも天然ゴム、および少なくとも1つの本発明によるカーボンブラックを含有することを特徴とするゴム混合物である。
本発明によるカーボンブラックは、使用されるゴムの量に対して10〜250phr(parts per hundred rubber)、有利には20〜200phr、特に有利には30〜170phr、極めて有利には30〜150phrの量で使用され得る。
本発明によるゴム混合物は、シリカ、好ましくは沈降シリカを含有してよい。本発明によるゴム混合物は、オルガノシラン、例えばビス(トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィドまたは(メルカプトオルガニル)アルコキシシランを含有してよい。
本発明によるゴム混合物は、ゴム助剤を含有してよい。
本発明によるゴム混合物の製造のために、天然ゴム以外に合成ゴムも適している。有利な合成ゴムは、例えばW.Hofmann,Kautschuktechnologie,Genter Verlag,Stuttgart 1980に記載されている。それらは、なかでも
− ポリブタジエン(BR)、
− ポリイソプレン(IR)、
− スチレン/ブタジエン共重合体、例えばエマルジョンSBR(E−SBR)または溶液SBR(L−SBE);好ましくは、全体のポリマーに対して1〜60質量%、特に有利には2〜50質量%のスチレン含有率を有する、
− クロロプレン(CR)、
− イソブチレン/イソプレン共重合体(IIR)、
− ブタジエン/アクリロニトリル共重合体、好ましくは、全体のポリマー(NBR)に対して5〜60質量%、好ましくは10〜50質量%のアクリロニトリル含有率を有する
− 部分水素化または完全に水素化されたNBRゴム(HNBR)、
− エチレン/プロピレン/ジエン共重合体(EDPM)
− エチレン/プロピレン共重合体(EPM)または
− 付加的に官能基、例えばカルボキシ基、シラノール基またはエポキシ基を有する上述のゴム、例えばエポキシ化NR、カルボキシ官能化NBRまたはシラノール−(−SiOH)もしくはシロキシ官能化(−Si−OR)SBR、
ならびにこれらのゴムの混合物を包含する。
トラックタイヤ下部構造の製造のために、好ましくは天然ゴムならびにジエンゴムとのこの混合物が使用され得る。
乗用車タイヤ下部構造の製造のために、好ましくはSBRゴムならびにその他のジエンゴムとのこの混合物が使用され得る。
本発明によるゴム混合物は、さらなるゴム助剤、例えば反応促進剤、老化防止剤、熱安定剤、光保護剤、オゾン化防止剤、加工助剤、可塑剤、粘着性付与剤、発泡剤、染料、顔料、ワックス、増量剤、有機酸、遅延剤、金属酸化物ならびに活性化剤、例えばジフェニルグアニジン、トリエタノールアミン、ポリエチレングリコール、アルコキシ末端化ポリエチレングルコールまたはヘキサントリオールを含有してよく、これらはゴム工業において公知である。
ゴム助剤は、なかでも使用目的に応じた通常の量で使用され得る。通常の量とは、例えば、ゴムに対して0.1〜50phrの量であってよい。
架橋剤として、硫黄、有機硫黄供与体、放射線またはラジカル形成剤を用いてよい。そのうえ本発明によるゴム混合物は加硫促進剤を含有してよい。
適した加硫促進剤のための例は、メルカプトベンズチアゾール、スルフェンアミド、グアニジン、チウラム、ジチオカルバメート、チオ尿素およびチオカーボネートであってよい。
加硫促進剤および架橋剤は、ゴムに対して0.1〜10phr、有利には0.1〜5phrの量で使用され得る。
ゴムと充填剤、場合によってはゴム助剤および場合によってはオルガノシランとのブレンドは、通常の混合ユニット、例えばロール、内部混合機および混合押出機において実施され得る。通常、そのようなゴム混合物は内部混合機中で製造され得、その際、まず1つまたは複数の連続した熱機械混合ステップにおいて、ゴム、本発明によるカーボンブラック、場合によりシリカおよび場合によりオルガノシランおよびゴム助剤が100〜170℃にて混入される。その際、個々の成分の添加順序および添加時点は、得られた混合物特性に決定的に作用を及ぼし得る。次いで、そのようにして得られたゴム混合物は、通常、内部混合機中でまたはロールで40〜130℃、有利には50〜120℃にて架橋化学物質と混合され得、かつ後続の処理工程、例えば形状付与および加硫のために、いわゆる粗製混合物へと加工され得る。
本発明によるゴム混合物の加硫は、80〜200℃、有利には130〜180℃の温度、場合によっては10〜200barの加圧下で行われ得る。
本発明によるゴム混合物は、成形体の製造、例えば空気タイヤ、タイヤ基礎構造、ケーブル外装、チューブ、ドライブベルト、コンベヤベルト、ロール被覆、タイヤ、靴底、シールリング、形材および減衰部材の製造に適している。
本発明によるカーボンブラックは、非常に高い剪断弾性率と共にゴム混合物における僅かな損失弾性率の利点を有する。さらに、それはポリマーのダイスウェルを大いに抑制するという点で際立っている本発明によるカーボンブブラックは、ポリマー中で非常に良好な分散性を示す。
ファーネス反応器を貫く縦断面を示す図
実施例1:(カーボンブラック製造):
本発明によるカーボンブラックを、図1に示されるカーボンブラック反応器中で製造する。
図1は、ファーネス反応器を貫く縦断面を示す。カーボンブラック反応器は燃焼室5を有し、そこでカーボンブラック油の熱分解のための高温処理ガスが過化学量論的な燃料の燃焼によって作り出される。本発明によるカーボンブラックの製造のために、ガス状または液状の燃料を使用することができる。
燃焼空気の供給は、燃料装填部に対して同心状に取り付けられている複数の開口部2を介して行う。燃料は、燃焼室の前端部に据え付けられているバーナを介して添加する。
付加的に油ランス1が燃焼室内に挿入されており、それを介してカーボンブラック原料が反応器中に導入される。油ランスは、本発明による処理操作の最適化のために軸方向に位置をずらすことができる。燃焼室は円錐状で狭小部6に通じている。カーボンブラック原料は、半径方向ランス3を介して狭小箇所にもしくは狭小箇所より前に噴射する。狭小箇所を通り抜けた後、反応混合物は反応室7に向かって流れる。
L3およびL5は、油ランス1および3によって高温プロセスガス中にカーボンブラック油を噴射するための様々な位置を表している。油ランスは、そのヘッドに適した噴霧ノズルが備え付けられている。各々の噴射位置には少なくとも4つの噴射器が反応器の周囲にわたって割り当てられている。
中断ゾーンにおいて、急冷水ランス4によって水を吹き付ける。
燃焼ゾーン、反応ゾーンおよび中断ゾーンは、図1の中でローマ数字I〜IIIによって表されている。それらの正確な軸状の広がりは、燃焼ランス、油ランスおよび急冷水ランスのそのつどの位置決めに依存する。反応ゾーンは、カーボンブラック原料の最初の添加で始まり、かつL4での水添加で終わる。
使用した反応器の寸法は、次のリストに従う:

燃焼室の最も大きい直径D1: 930mm
燃焼室から狭小箇所までの長さL1: 1670mm
燃焼室の円錐部の長さL2: 1300mm
狭小箇所の直径D2: 114mm
狭小箇所の長さL6: 80mm
反応室の直径D3: 875mm
油ランスの位置 L5 40mm
L3 1300mm
急冷水ランスの最大位置L4 8290mm
本発明によるカーボンブラックの製造のために、天然ガスが燃料として、かつカーボンブラック原料として91質量%の炭素含有率および6質量%の水素含有率を有するカーボンブラック油を使用することができる。
比較カーボンブラックとして、Evonik Degussa GmbHにて得られるCorax(R)N550およびCorax(R)N660が考慮される。
本発明によるカーボンブラックを製造するための反応器パラメータは、第1表に列挙している。
製造したカーボンブラックは、特性決定およびゴム混合物中への組み込み前に通常の方法に従って湿式造粒する。
Figure 0006140915
製造したカーボンブラックのカーボンブラック分析による特性データは、第2表に列挙している:
Figure 0006140915
実施例2(天然ゴムにおけるゴム技術的試験):
天然ゴム混合物のために使用した配合は、次の第3表に記載している。この場合に単位phrは、使用される粗製ゴム100部に対する質量部を意味する。
ゴム混合物およびそれらの加硫物を製造するための一般的な方法は、教本:"Rubber Technology Handbook",W.Hofmann,Hanser Verlag 1994に記載されている。
Figure 0006140915
天然ゴムSMR10 ML4=60〜70は、混合導入処理前に通常の方法に従ってロールミルで素練りされ、かつ素練り後に少なくとも24時間、しかしながら、せいぜい一週間室温で中間貯蔵されるSMR10である。その際、素練りされたSMR10のML1+4(100℃)値は、60〜70の範囲にある。ML1+4値は、DIN53523/3に従って測定される。天然ゴムは、Lanxess社から入手可能である。
Vulkanox(R)4020は、Rhein−Chemie GmbH社の老化防止剤6PPDである。Vulkanox(R)HSは、Lanxess AG社の老化防止剤TMQである。Protektor(R)G3108は、Paramelt B.V.社のオゾン防止ワックスである。Rhenogran(R)TBBS−80は、Bayer AG社の作用物質80%を含有する、TBBSタイプの加硫促進剤である。
ステアリン酸は、Caldic Deutschland GmbH社のEDENOR ST1である。
ZnOは、Arnsperger Chemikalien GmbH社,50858 Koeln(Germany)のZnO RS RAL 844 Cである。
加硫剤の硫黄は、Laborchemie Handelsgesellschaft Sankt Augustin(Germany)の粉砕硫黄 80/90 KMSである。
使用されるカーボンブラックは、比較カーボンブラック1(CORAX(R)N550)または本発明によるカーボンブラック"カーボンブラック1"のいずれかである。比較カーボンブラック1は、Evonik Degussa GmbHにて入手可能である。
ゴム混合物は、第4表における混合規定に応じて内部混合機中で製造する。
Figure 0006140915
第5表には、ゴム試験のための方法がまとめられている。これらは同様に以下の実施例にも適用される。
Figure 0006140915
抵抗測定用のサンプル準備は、以下の通りである:
スリッター(Φ=82mm)を用いて、サンプルを2mmの厚さの加硫ゴムシートから打ち抜き、イソプロパノール−アルコールでグリース除去する。サンプル体の厚さを、キャリパー(Φ=30mm)を用いて数カ所で正確に0.01mm刻みで測定する。平均的なサンプル厚さ値を、比体積抵抗率の算出のために出す。
円形テンプレートおよびシルバーマーカーを用いて、導電性銀200で覆われるべき箇所に印を付ける。導電性銀を塗布し、かつ1時間の乾燥時間後にはサンプル体の測定準備が整っている。電気体積抵抗率および電気表面抵抗率の測定を、Fischer Elektronik社の装置Milli−TO3を用いて実施する。
見掛け粘度を、Goettfert社、D74711(Buchen)の高圧細管レオメーター Rheograph 6000を用いて100℃の温度で測定する。
トルク割合S'およびS''を測定するための動的剪断応力を、Alpha Technologies社 UK,74078(Heilbronn)の装置RPA 2000を用いて実施する。
第6表は、ゴム技術的試験の結果を示す。混合物の加硫時間は150℃にて15分である。
Figure 0006140915
DIN摩耗(mm3)の値が高ければ高いほど、それだけゴム混合物の摩耗抵抗性は悪化する。従って摩耗抵抗指数は、そのつどのカーボンブラックのグループ内での各カーボンブラックについて次のように算出される:
摩耗抵抗指数=(参照カーボンブラックのDIN摩耗/DIN摩耗)*100。
従って摩耗抵抗指数>100は、そのつどの参照カーボンブラックを基準として、改善された摩耗抵抗を意味し、<100の値は摩耗抵抗が悪化したことを意味する。
ニードル温度(Einstichtemperatur)(℃)の値が高ければ高いほど、それだけ発熱およびそれに伴いゴム混合物中での動的応力によるヒステリシスが高まり、それゆえに期待されるべき転がり抵抗が悪化する。
転がり抵抗指数=(参照カーボンブラックのニードル温度/ニードル温度)*100。
従って転がり抵抗指数>100は、そのつどの参照カーボンブラックを基準として、改善された、それゆえ低下した転がり抵抗を意味し、<100の値は転がり抵抗が悪化したことを意味する。
表6の結果は、本発明によるカーボンブラックが、比較カーボンブラックと比べて、より高度なストラクチャーに基づき、より高い剛性を剪断実験ならびに引張試験においても有することを示す。これによって、比較カーボンブラックの補強レベルにカーボンブラック割合を減少させることによって混合物の密度を低下させることができる。さらに、同じ一次粒径でのより高度なストラクチャーに基づき、より大きなアグリゲートが生じる。これは最終的にtan(δ)値の低下につながる。比較カーボンブラック1の匹敵する硬度レベルにカーボンブラック割合を相応して減少させることにより、tan(δ)値のさらなる低下につながる。
実施例3(EPDMにおけるゴム技術的試験):
EPDM混合物のために使用した配合は、次の第7表に示している。
Figure 0006140915
LIPOXOL 4000は、Brenntag GmbH社の分子量4000g/モルを有するポリエチレングリコールである。
BUNA EP G 5455は、Rhein−Chemie GmbH(Germany)のEPDM ゴムである。
SUNPAR 150は、Schill & Seilacher.GmbHのパラフィン油である。
PERKAZIT TBZTD PDR Dは、Weber & Schaer社のTBZTD 加硫促進剤である。
ステアリン酸は、Caldic Deutschland GmbH社のEDENOR ST1である。
加硫促進剤 Vulkacit(R)Merkapto Cは、Rhein−Chemie GmbH社の2−メルカプトベンゾチアゾールである。
Rhenocure TP/Sは、Rhein−Chemie GmbH社の加硫促進剤である。
ZnOは、Arnsperger Chemikalien GmbH社,50858 Koeln(Germany)のZnO RS RAL 844 Cである。
加硫剤の硫黄は、Laborchemie Handelsgesellschaft Sankt Augustin(Germany)の粉砕硫黄 80/90 KMSである。
使用されるカーボンブラックは、比較カーボンブラック1(CORAX(R)N550)または本発明によるカーボンブラック"カーボンブラック1"のいずれかである。比較カーボンブラック1は、Evonik Degussa GmbHにて入手可能である。
ゴム混合物は、第8表における混合規定に応じて内部混合機中で製造する。
Figure 0006140915
第9表は、ゴム技術的試験の結果を示す。混合物の加硫時間は、170℃で16分である。
Figure 0006140915
第9表の結果は、本発明によるカーボンブラックが、より高い硬度、より低いtan(δ)、より高い反発弾性、より低い圧縮永久歪みおよびより高い弾性率300、より高いS'値および明らかにより良好な分散性をもたらすことを示す。SUNPAR油の添加により、特性プロファイルは低下する。60phr〜70phrの油を添加する場合、参照混合物と類似した特性プロファイルが生じる。しかし、それにも関わらず、良好な分散特性が、高い油割合においても得られる。未架橋混合物(SUNPAR油 50phr)の粘度は、参照混合物と比較可能である。油割合が上昇するにつれて、期待した通り、混合物の粘度は下がり、これはより良好な加工特性を伴う。
実施例4(NR/SBRにおけるゴム技術的試験):
NR/SBR混合物のために使用した配合は、次の第10表に記載している。
Figure 0006140915
Krynol 1712は、Rhein Chemie社のSBR ゴムである。
加硫促進剤 Vulkacit(R)DM/MG−Cは、Rhein−Chemie社のMBTSである。
NR RSS 1は、Krahn Chemieより入手可能な天然ゴムである。
Vulkanox HS/LGは、Rhein ChemieのTMQである。
老化防止剤であるVulkanox(R)4020/LGは、Lanxess AG社の6PPDである。
ステアリン酸は、Caldic Deutschland GmbH社のEDENOR ST1である。
加硫促進剤であるVulkacit(R)CZ/EG−Cは、Lanxess AG社のCBSである。
ZnOは、Arnsperger Chemikalien GmbH社,50858 Koeln(Germany)のZnO RS RAL 844 Cである。
加硫剤の硫黄は、Kali Chemie AG,Hannover(Germany)の粉砕硫黄100%である。
使用されるカーボンブラックは、比較カーボンブラック1(CORAX(R)N550)、比較カーボンブラック2(CORAX(R)N660)または本発明によるカーボンブラック"カーボンブラック1"のいずれかである。比較カーボンブラックCorax(R)N550およびCorax(R)N660は、Evonik Degussa GmbHにて入手可能である。
ゴム混合物は、第11表における混合規定に応じて内部混合機中で製造する。混合物の加硫時間は、150℃で20分である。
Figure 0006140915
Figure 0006140915
第12表は、ゴム技術的試験の結果を示す。
Figure 0006140915
第12表の結果は、NR/E−SBR−混合物(混合物8)における本発明によるカーボンブラック(カーボンブラック1)が、比較混合物7におけるより高い硬度、60℃でのより低いtan(δ)値、より高い反発弾性、より高い弾性率 300およびより高い動的弾性率E*をもたらすことを示す。
本発明によるカーボンブラックのカーボンブラック割合が44phrに減少される場合(混合物10)、混合物7における値と同様の硬度および動的弾性率E*が生じる。その一方で、60℃でのtan(δ)は参照混合物7と比べて明らかに低下しており、これは例えば、混合物がタイヤ基礎構造において使用される場合、転がり抵抗の減少をもたらす。比較としてCORAX(R)N660が引き合いに出される場合(これは、その低い比表面積に基づき同様に低いtan(δ)値(60℃)を有する(混合物7および混合物11))、同じ硬度および同じ動的弾性率(混合物12)において、本発明によるカーボンブラックを用いて製造される混合物(混合物10)と比較して、より高いtan(δ)値(60℃)が生じる。
I 燃焼ゾーン、 II 反応ゾーン、 III 中断ゾーン、 L1 燃焼室から狭小箇所までの長さ、 L2 燃焼室の円錐部の長さ、 D2 狭小箇所の直径、 L6 狭小箇所の長さ、 D3 反応室の直径、 L5、L3 油ランスの位置、 L4 急冷水ランスの最大位置、 1、3 油ランス、 2 開口部、 4 急冷水ランス、 5 燃焼室、 6 狭小部、 7 反応室

Claims (8)

  1. CTAB表面積が30〜48m2/gであり、COANが90/ml(100g)より大きく、OANとCOANとからの合計が250ml/(100g)より大きく、四分位比が1.85〜2.50であり、かつモード径が、Dst>6000m2nm/g/CTAB+60nmであり、かつ、アグリゲート径分布のモード径に対する、0.95より大きいΔD−50値の比率を有することを特徴とする、ゴム混合物用ファーネスブラック。
  2. アグリゲート径分布の質量平均粒径が200nmより大きいことを特徴とする、請求項1記載のゴム混合物用ファーネスブラック。
  3. 反応器軸に沿って燃焼ゾーン、反応ゾーンおよび中断ゾーンを有するファーネスブラック反応器中で請求項1記載のゴム混合物用ファーネスブラックを製造する方法であって、燃焼ゾーンにおいて酸素を含有するガス中で燃料を燃焼させることにより高温排ガスの流を生成し、かつ前記排ガスを燃焼ゾーンから、狭小部を貫流させずに反応ゾーン中に導通し、引き続き中断ゾーン中に導通し、反応ゾーンにおいて前記高温排ガス中にカーボンブラック原料を混入し、かつ中断ゾーンにおいて水を噴霧することによりカーボンブラック形成を停止することによって請求項1記載のゴム混合物用ファーネスブラックを製造する方法において、半径方向にカーボンブラック原料の20〜58質量%を反応ゾーンの初めの3分の1において噴射し、かつ前記カーボンブラック原料の残量を上流で少なくとも1つのさらなる箇所で反応器中に噴射することを特徴とする、ファーネスブラック反応器中で請求項1記載のゴム混合物用ファーネスブラックを製造する方法。
  4. 充填剤、補強充填剤、UV安定剤、導電性カーボンブラックまたは顔料としての、請求項1記載のゴム混合物用ファーネスブラックの使用。
  5. ム中での、請求項1記載のゴム混合物用ファーネスブラックの使用。
  6. 少なくとも1つのゴムおよび請求項1記載の少なくとも1つのゴム混合物用ファーネスブラックを含有することを特徴とする、ゴム混合物。
  7. 前記ゴムがジエンゴムであることを特徴とする、請求項6記載のゴム混合物。
  8. 前記ジエンゴムが、天然ゴム、EPDMゴムまたはSBRゴムであることを特徴とする、請求項7記載のゴム混合物。
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