KR100232684B1 - 카본 블랙 및 이를 함유하는 고무 조성물 - Google Patents

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Abstract

카본 블랙 및 이를 함유하는 고무 조성물
고무 조성물 내에 혼입시켰을 때 증가된 내마모성 및 보다 낮은 이력을 제공하는 신규의 카본 블랙이 개시된다. 또한, 이 신규의 카본 블랙을 함유하는 고무 조성물이 개시된다.

Description

[발명의 명칭]
카본 블랙 및 이를 함유하는 고무 조성물
[발명의 상세한 설명]
[발명의 분야]
본 발명은 다양한 용도에 적합하고, 특히 고무 조성물에서 사용하기에 적합한 새롭고 신규한 퍼네이스(furnace) 카본 블랙류에 관한 것이다. 본 발명의 카본 블랙은 이들이 포함되어 있는 고무 조성물, 특히 승용차 타이어에 대한 이력 손실 및 내마모성의 개선을 제공한다.
[발명의 배경]
카본 블랙은 일반적으로 퍼네이스형 반응기에서 탄화수소 원료를 고온의 연소 가스로 열분해시켜서 입자 카본 블랙을 함유하는 연소 생성물을 얻음으로써 제조된다.
카본 블랙은 안료, 충진제, 보강제 및 각종 다른 용도를 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 카본 블랙은 고무 조성물의 혼합 및 제조에 있어서 충진제 및 보강 안료로서 광범위하게 사용된다.
고무 용도를 위한 카본 블랙은 그들의 성질에 따라서 다양한 등급을 갖고, 일반적으로 표면적 및 구조(DBP 흡수성) 등을 포함하는 분석 특성에 따라 분류된다. 카본 블랙의 표면적을 측정하는 방법에는 전자 현미경법, BET, 방법에 따른 질소 표면적(N2SA), 계면 활성제로서 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)의 흡착에 따른 CTAB 표면적 및 요오드 흡착가(I2가)가 포함된다. 카본 블랙의 구조는 응집으로 인한 카본 블랙 인자들의 결합을 나타낸다. 응집도가 클수록, 이러한 구조의 값은 더 커진다.
카본 블랙의 등급의 성질은 카본 블랙이 포함된 고무 조성물의 다양한 성능을 결정하는데 있어서 중요한 요인이 된다. 카본 블랙은 타이어를 제조하는데 사용하기 위한 고무 가황물의 제조에 효과적이다. 타이어에 높은 수준의 내마모성 및 낮은 수준의 내회전성을 제공하는 카본 블랙을 사용하는 것이 일반적으로 타이어의 제조에 바람직하다. 카본 블랙의 보강성은 일반적으로 고무 조성물에 부여되는 내마모성의 수준에 관련된다. 일반적으로, 보강성이 증가된 카본 블랙은 내마모성이 증가된 타이어를 생성하는 결과를 가져온다.
타이어 트레드(tread) 용도로 주로 사용되는 카본 블랙의 등급은 HAF(고마모성 퍼네이스), ISAF(중간 초마모성 퍼네이스) 및 SAF(초마모성 퍼네이스)로 분류되고, SAF 카본 블랙은 ISAF 카본 블랙보다 더 큰 표면적을 갖고, ISAF 카본 블랙은 HAF 카본 블랙보다 더 큰 표면적을 갖는다. 내마모성은 일반적으로 표면적이 증가함에 따라 개선된다.
카본 블랙 등급의 성질은 카본 블랙이 포함된 고무 조성물의 다양한 성능을 결정하는데 중요한 요인이 된다. 일반적으로, ISAF보다 더 큰 비표면적을 갖는 카본 블랙은 천연 고무가 주성분으로서 사용되는 트럭 및 버스의 타이어 트레드 용도로 사용된다. HAF류의 카본 블랙은 일반적으로 스티렌 부타디엔 고무(SBR)와 같은 합성 고무가 주성분으로서 사용되는 승용차 타이어 트레드 용도로 사용된다.
표면적인 큰 카본 블랙은 타이어에 내마모성의 개선을 제공한다. 그러나, 비표면적이 클수록, 고무 화합물의 열 축적이 더 많아지고 이력이 더 커진다. 화합물의 이력이란 고무 화합물을 변성시키는데 사용되는 에너지와 고무 화합물이 그의 최초의 변성되지 않은 상태로 복원되는 때에 방출되는 에너지의 차이를 나타낸다. 낮은 이력 값을 갖는 타이어는 내회전성을 감소시키므로, 타이어를 사용하는 수송 수단의 연료 소모를 감소시킨다.
따라서, 고무 화합물에 내마모성의 개선 및 이력의 감소 두가지 모두를 제공하게 된 카본 블랙을 개발하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 카본 블랙으로 제조된 타이어는 타이어를 사용하는 수송 수단의 연료 경제성을 개선하기 위하여 낮은 내회전성을 갖고, 타이어의 트레드 마모를 감소시키기 위하여 개선된 내마모성을 갖을 것이다.
본 발명의 목적은 카본 블랙을 포함하는 천연 고무, 합성 고무 및 천연 및 합성 규모의 블렌드(blend)에 내마모성의 증가 및 이력성의 감소를 제공하는 신규 카본 블랙을 제조하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 신규 카본 블랙을 포함하는 타이어, 특히 승용차 타이어로서 사용하기에 유익한 신규 고무 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다음의 상세한 설명 및 특허 청구 범위로부터 자명할 것이다.
[발명의 요약]
본 발명자들은 100m2/g(그램 당 평방미터) 이상의 질소 표면적(N2SA), 105cc/100g(100그램 당 입방 센티미터) 이상의 CDBP(분쇄된 카본 블랙의 디부틸 프탈레이트 흡수치), 약 90 내지 약 140의 TINT(착색가), TINT와 다음의 관계를 갖는 Dmode[원심 분리 침강법에 따른 카본 블랙 응집체의 모우드(mode) 직경] : Dmode(nm≥218-1.12(TINT), (nm=나노미터=미터×10-9), 바람직하게는 Dmode(nm)×221-1.12(TINT), 및 약 0.6 내지 약 0.8의 △D50/Dmode 비(원심 분리 침강법에 따른 카본 블랙 응집체의 반높이 나비 대 모우드 직경의 비)를 갖는 신규의 카본 블랙을 발견하였다. 본 발명자들은 또한 이러한 카본 블랙을 함유하는 새로운 고무 조성물을 발견하였다.
본 발명의 카본 블랙과 관련하여, N2SA가 100m2/g 이상일 경우, 그 카본 블랙은 ISAF 및 SAF 분류에 제한을 받는다.
CDBP가 105cc/100g 미만인 경우에, 고무 조성물에 카본 블랙에 의하여 제공되는, 특히 승용차 타이어로서 사용하기에 유리한 보강성 및 이력 사이의 균형은 일반적으로 만족스럽지 못하다.
TINT가 90 미만인 경우에, 고무 조성물에 카본 블랙에 의하여 제공되는, 특히 승용차 타이어로서 사용하기에 유리한 보강성은 일반적으로 만족스럽지 못하다. TINT가 140을 초과하는 경우에, 카본 블랙은, 특히 승용차 타이어로서 사용하기에 유리한 고무 조성물의 제조시 혼합하는 동안에 분산성이 불량하다.
Dmode가 TINT로부터의 계산치보다 작은 경우에, 고무 조성물에 카본 블랙에 의하여 제공되는, 특히 승용차 타이어로서 사용하기에 유리한 이력 효과에서의 개선이 감소되어 불리하게 된다.
△D50/Dmode비가 0.8을 초과하는 경우에, 고무 조성물에 카본 블랙에 의하여 제공되는, 특히 승용차 타이어로서 사용하기에 유리한 보강성이 감소되어 불리하게 된다. 본 발명자들은 특정 이론과 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 이러한 감소는 더 광범위한 응집체의 크기 분포 때문에 발생하는 것으로 믿어진다. △D50/Dmode비가 0.6 미만인 경우에, 특히 승용차 타이어로서 사용하기에 유리한 카본 블랙을 포함하는 고무 조성물의 이력 손실 값이 더 커져 불리하게 된다.
그러나, 본 발명자들은 특정 범위 내의 분석 특성을 갖는 본 발명의 카본 블랙이 천연 고무, 합성 고무 또는 그의 혼합물을 사용하여 제조되는 고무 조성물에 보강성의 개선 및 이력 손실의 감소를 제공한다는 것을 발견하였다. 상기한 바와 같이, 카본 블랙의 보강성의 개선은 고무 조성물에 대한 내마모성의 개선을 제공한다.
본 발명의 카본 블랙은 제1(연소) 대역, 전이 대역 및 전이 대역에 가장 가까운 반응 대역 부분의 직경이 전이 대역의 보다 하향의 반응 대역 부분의 직경보다 더 작은 단계식 반응 대역을 갖는 퍼네이스 카본 블랙 반응기에서 제조될 수 있다. 카본 블랙 생산 원료는 당업계에 공지된 특정 방식으로 고온 연소 가스 흐름에 주입된다. 생성된 고온의 연소 가스 및 원료의 혼합물은 반응 대역을 통과한다. 카본 블랙 생산 원료의 열분해는 본 발명의 카본 블랙이 형성되었을 때 혼합물을 급냉시킴으로써 정지된다. 바람직하게는, 열분해는 급냉 유체를 주입하는 급냉에 의하여 정지된다. 본 발명의 카본 블랙을 제조하는데 사용하기 위한 적합한 반응기는 일반적으로 본 명세서에 선행 기술 문헌으로서 인용되는 미합중국 특허 제3,922,335호에 기재되어 있다. 이하, 본 발명의 신규 카본 블랙의 제조 방법을 더욱 상세하게 기술한다.
본 발명의 신규 카본 블랙이 보강제로서 효과적인 고무에는 천연 및 합성 고무가 포함된다. 일반적으로, 상당한 정도의 보강성을 제공하기 위해서는, 고무 100중량부에 대하여 카본 블랙 제품은 약 10 내지 약 250 중량부의 양으로 사용될 수 있다. 그러나, 고무 100 중량부 당 카본 블랙 약 20 내지 약 200 중량부 범위의 양을 사용하는 것이 바람직하고, 특히 고무 100부 당 카본 블랙 약 30 내지 약 100부를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명이 카본 블랙과 함께 사용하기에 적합한 고무 중에는 천연 고무 및 염소화 고무와 같은 그의 유도체; 약 10 내지 약 70중량%의 스티렌 및 약 90 내지 약 30중량%의 부타디엔으로 이루어진 공중합체, 예를 들면 스티렌 19부 및 부타디엔 81부의 공중합체, 스티렌 30부 및 부타디엔 70부의 공중합체, 스티렌 43부 및 부타디엔 57부의 공중합체 및 스티렌 50부 및 부타디엔 50부의 공중합체; 폴리부타디엔, 폴리이소프렌 및 폴리클로로프렌 등의 공액 디엔의 중합체 및 공중합체, 및 이러한 공액 디엔과 스티렌, 메틸 스티렌, 클로로스티렌, 아크릴로니트릴, 2-비닐-피리딘, 5-메틸-2-비닐피리딘, 5-에틸-2-비닐피리딘, 2-메틸-5-비닐피리딘, 알킬 치환 아크릴레이트, 비닐 케톤, 메틸 이소프로페닐 케톤, 메틸 비닐 에테르, 알파메틸렌 카르복실산, 및 아크릴산 및 디알킬아크릴산 아미드와 같은 그의 에스테르 및 아미드 등의 상기 공액 디엔과 공중합 가능한 에틸렌성 기 함유단량체와의 공중합체가 있고, 또한 본 발명에 사용하기에 적합한 것으로는 에틸렌과 프로필렌, 부텐-1 및 펜텐-1과 같은 다른 고알파 올레핀과의 공중합체가 있고, 특히 바람직한 것으로는 에틸렌 함량이 20 내지 90중량부 범위의 에틸렌-프로필렌 공중합체가 있고, 또한 추가로 디시크로펜타디엔, 1,4-헥사디엔 및 메틸렌 노르보르넨과 같은 제3의 단량체를 함유하는 에틸렌-프로필렌 중합체가 있다.
본 발명의 카본 블랙의 장점은 이것이 본 발명의 카본 블랙이 포함된 천연 고무, 합성 고무 또는 그의 블렌드를 함유하는 조성물에 내마모성의 증가 및 이력의 감소를 제공한다는 점이다.
본 발명의 고무 조성물의 장점은 이 고무 조성물이, 특히 승용차 타이어로서 사용하기에 적합하다는 점이다.
본 발명의 다른 장점은 이하의 본 발명의 상세한 설명에 의하여 자명하게 될 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 카본 블랙을 제조하는데 사용될 수 있는 일종의 퍼네이스 카본 블랙 반응기의 일부의 단면도이다.
제2도는 스토크스(stokes) 직경 분산 곡선의 예를 나타낸 그래프이다.
[발명의 상세한 설명]
본 발명의 카본 블랙은 100m2/g 이상의 N2SA(N2SA≥100m2/g); 105cc/100g 이상의 CDBP(CDBP≥105cc/100g); dir 90 내지 약 140의 TINT, Dmode(nm)≥218-1.12(TINT), [218-(1.12×TINT)] 이상의 Dmode(nm), 바람직하게는 Dmode(nm)×221-1.12(TINT); 및 약 0.6 내지 약 0.8의 △D50/Dmode를 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명자들은 또한 이러한 카본 블랙을 함유하는 신규의 고무 조성물을 발견하였다.
본 발명의 카본 블랙은 “단계식” 퍼네이스 카본 블랙 반응기라고도 불리우는 한 모듀올(module)에서 제조될 수 있다. 본 발명의 카본 블랙을 제조하는데 사용될 수 있는 대표적인 퍼네이스 카본 블랙 반응기의 단면은 제1도에 나타낸다.
제1도와 관련하여, 본 발명의 카본 블랙은 수렴 직경 대역(11)을 갖는 연소 대역(10), 전이 대역(12) 및 제한 직경 대역(16)을 갖는 반응 대역(18)로 이루어진 퍼네이스 카본 블랙 반응기(2)에서 제조될 수 있다. 연소 대역(10)의 직경은 수렴 직경 대역(11)이 시작되는 점까지를 D-1로서, 대역(12)의 직경을 D-2로서, 대역(16)의 직경을 D-3로서, 대역(18)의 직경을 D-4로서 나타낸다. 연소 대역(10)의 길이는 수렴 직경 대역(11)이 시작되는 점까지를 L-1로서, 수렴 직경 대역의 길이를 L-2로서 나타내고, 전이 대역의 길이를 L-3로서 나타내고, 대역(16)의 길이를 L-4로서 나타낸다.
본 발명의 카본 블랙을 제조하기 위하여, 고온 연소 가스는 액체 또는 가스 연료를 공기, 산소, 또는 공기 및 산소의 혼합물 등의 적합한 산화제 흐름과 접촉시킴으로써 연소 대역(10)에서 생성된다. 고온 연소 가스를 생성하기 위하여 연소 대역(10)에서 산화제 흐름을 접촉시키는데 사용하기에 적합한 연료 중에는 천연 가스, 수소, 일산화탄소, 메탄, 아세틸렌, 알코올 또는 케로센과 같은 용이하게 연소 가능한 가스, 증기 또는 액체 흐름이 포함된다. 그러나, 탄소 함유 성분, 특히 탄화수소를 고함량으로 함유하는 연소를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 카본 블랙을 제조하기 위하여 사용되는 천연 가스에 대한 공기의 비율은 약 10:1 내지 약 30:1일 수 있다. 고온의 연소 가스의 생성을 용이하게 하기 위하여, 산화제 흐름은, 예를 들면 500℃ 내지 900℃의 온도로 미리 가열될 수 있다. 연소 가스 흐름 내에는 탄산칼륨(K2CO3)이 일반적으로 원료 1ℓ당 0.017g 내지 0.15g의 비율로 도입될 수 있다.
고온 연소 가스 흐름은 대역(10 및 11)로부터 대역(12,16 및 18)로 하향 유동한다. 고온 연소 가스의 유동 방향은 도면에서 화살표로 나타낸다. 카본 블랙 생산 원료(30)은 대역(12) 내에 위치한 지점(32)에서 도입된다. 카본 블랙 생산 원료(30)은 지점(34)에서 프로브(probe)(14)를 통하여 동시에 상향 도입된다.
수렴 직경 대역(11)의 말단으로부터 지점(32)까지의 거리는 F-1로서 나타내고, 지점(32)로부터 상향 지점(34)까지의 거리는 F-2로서 나타낸다. 본 발명의 카본 블랙을 제조하기 위하여, 원료는 지점(32)에서 약 40 내지 약 85중량%의 양으로 도입될 수 있고, 전체 원료량의 나머지 약 15 내지 약 60중량%는 지점(34)에서 도입될 수 있다. 바람직하게는 전체 원료량의 약 50 내지 약 65중량%가 지점(32)에서 도입, 원료 전체량의 나머지 약 35 내지 약 50중량%는 지점(34)에서 도입된다. 본 명세서에 기재된 실시예에서는 카본 블랙 생산 원료(30)을, 이 원료가 신속하고 완전하게 분해되어 본 발명의 신규 카본 블랙을 전환되도록 고온의 연소 가스 및 카본 블랙 생산 원료의 혼합 및 전단 속도를 고속으로 유지하기 위하여 고온의 연소 가스 흐름의 내부 영역 내로 침투하는 다수의 제트(jet) 형태로 도입시켰다.
카본 블랙 생산 원료 및 고온의 연소 가스의 혼합물은 대역(12)를 통하여 대역(16 및 18)로 유동한다. 지점(42)에 위치한 급냉 유체(50)(실시예에서는 물)을 주입하는 냉각기(40)이 본 발명의 신규 카본 블랙이 형성되었을 때 카본 블랙 생산 원료의 열분해를 정지시키기 위하여 사용된다. 지점(42)는 열분해를 정지시키기 위하여 급냉 위치를 선택하기 위한 당업게에 공지된 특정 방식으로 결정될 수 있다. 열분해를 정지시키기 위하여 급냉 위치를 결정하기 위한 하나의 방법은 본 발명의 신규 카본 블랙에 대하여 허용되는 톨루엔 추출물 수준이 얻어지는 점을 결정하는 것이다. 톨루엔 추출물 수준은 ASTM 시험 D1618-83 “카본 블랙 추출가능물-톨루엔 변색”을 사용함으로써 측정될 수 있다. Q는 대역(16)으로부터 급냉 지점(42)까지의 거리이고, 급냉 위치에 따라 변화될 것이다. 일반적으로, 급냉 위치에서 연소 가스 흐름의 온도는 600℃ 내지 900℃로 저하된다.
고온의 연소 가스 및 카본 블랙 생산 원료의 혼합물을 냉각시킨 후에, 냉각된 가스는 통상적인 냉각 및 분리 장치를 하향 통과함으로써 카본 블랙이 회수된다. 카본 블랙을 가스 흐름으로부터 분리시키는 것은 침전기, 사이클론(cyclone) 분리기 또는 백 필터(bag filter)와 같은 통상적인 장치에 의하여 용이하게 달성된다. 이러한 분리 후에는, 예를 들면 습식 펠릿화기를 사용하는 펠릿화가 수반될 수 있다.
다음의 시험 방법은 본 발명의 카본 블랙의 분석 특성 및 본 발명의 카본 블랙을 포함하는 고무 조성물의 물성을 측정 및 평가하는데 사용된다.
카본 블랙의 질소 표면적(N2SA)은 ASTM D3037-88에 따라 측정하였다. 분쇄된 DBP 흡수치(CDBP)는 ASTM D3493-88에 따라 측정하였다. TINT(착색 강도)는 ASTM D3265-85a에 따라 측정하였다.
카본 블랙의 △D50 및 Dmode는 다음과 같이 측정하였다. 히스토그램(histogram)은 카본 블랙 시료의 응집체의 스토크스 직경 대 주어진 시료 중에서 이들의 상대적인 발생 빈도로 이루어진다. 제2도에 나타낸 바와 같이, 선(B)는 히스토그램의 정점(A)로부터 Y축과 평행한 방향으로 히스토그램의 X축으로 그어지고, 점(C)에서 끝난다. 얻어진 선(B)의 중간점(F)가 결정되고, 선(G)는 그의 중간점(F)를 통과하여 X축과 평행하게 그어진다. 선(G)는 2점 D 및 E에서 히스토그램의 분산 곡선과 교차한다. 점 D 및 E에서의 카본 블랙 입자의 2개의 스토크스 직경 차이의 절대값이 △D50 값이다. 히스토그램을 얻는데 사용되는 데이터는 영국 타인 앤드 웨어(Tyne and Wear)에 소재한 죠이스 로에블 코. 엘티디.(Joyce Loebl Co. Ltd.)에 의하여 제조되는 것과 같은 디스크 원심 분리기를 사용함으로써 측정된다. 다음의 방법은 본 명세서에 선행 기술 문헌으로서 인용한 1985년 2월 1일에 발간된 죠이스 로에블 디스크 원심분리기 파일 참조 DCF 4.008의 지침서에 기재된 방법을 변형시킨 것으로, 데이터를 측정하는데 사용하였다.
이 방법은 다음과 같다. 카본 블랙 시료 10mg(밀리그램)을 청량병에서 칭량한 후에, 0.5% NONIDET P-40 계면활성제[NONIDET P-40은 셀 케미칼사(Shell Chemical Co.)에 의하여 제조되고 시판되는 계면활성제의 등록 상표임)]로 이루어진 10% 무수 에탄올 및 90% 증류수의 용액 50cc에 첨가한다. 생성된 현탁액을 뉴욕주 파밍데일(Farmingdale) 소재의 히트 시스템스 울트라소닉스사(Heat Systems Ultrasonics Inc.)에 의하여 제조 시판되는 소니화이어(Sonifier) 모델 No. W385를 사용하여 15분 동안 초음파 에너지로 분산시킨다.
디스크 원심 분리를 수행하기 전에, 다음의 데이터를 디스크 원심 분리로부터 얻어지는 데이터를 기록하기 위한 컴퓨터 내에 입력시킨다.
1. 카본 블랙의 비중은 1.86g/cc이다.
2. 물 및 에탄올의 용액 중에 분산되는 카본 블랙의 용액 부피는, 이 경우에 0.5cc이다.
3. 스핀(spin) 유체의 부피는, 이 경우에 물 10cc이다.
4. 스핀 유체의 점도는, 이 경우에 23℃에서 0.933센티포이즈(centipoise)이다.
5. 스핀 유체의 밀도는, 이 경우에 23℃에서 0.9975g/cc이다.
6. 디스크의 속도는 이 경우에 8000rpm이다.
7. 데이터 샘플링 간격은 이 경우에 1초이다.
디스크 원심 분리기는 스트로보스코프(stroboscope)가 작동되는 동안에 8000rpm으로 작동된다. 증류수 10cc를 스핀 유체로서 회전하는 디스크 내에 주입시킨다. 혼탁도 수준을 0으로 고정시키고, 무수 에탄올 10% 및 증류수 90%의 용액 1cc를 완충 액체로서 주입한다. 이어서, 디스크 원심 분리기의 커트(cut) 버튼 및 부스트 버튼(boost button)을 작동시켜 스핀 유체 및 완충 액체 사이에 완만한 농도 구배를 형성하고, 이 구배를 시각적으로 모니터한다. 구배가 두 유체 사이의 경계를 구분할 수 없을 정도로 완만해졌을 때, 수성 에탄올 용액 중에 분산된 카본 블랙 0.5cc를 회전하는 디스크 내에 주입하고, 즉시 데이터 수집을 개시한다. 흐름이 발생하는 경우에는, 측정이 실패하게 된다. 수성 에탄올 용액중에 분산된 카본 블랙의 주입에 이어서 디스크를 20분 동안 회전시킨다. 20분 동안 회전시킨 후에, 디스크를 정지시키고, 스핀 유체의 온도를 측정하고, 측정 초기에 측정된 스핀 유체의 온도 및 측정 종기에 측정된 스핀 유체의 온도의 평균을 디스크 원심 분리기로부터 얻어지는 데이터를 기록하는 컴퓨터 내에 입력시킨다. 데이터를 표준 스토크스 식에 따라 분석하고 다음의 정의를 사용하여 나타낸다.
카본 블랙 응집체-분리된 경질 콜로이드성 실체로서 최소 분산 단위이며 광범위하게 합체되는 입자로 이루어진다.
스토크스 직경-스토크스 식에 따라 원심력장 또는 중력장에서 점성 매질 중에 침전하는 구형체의 직경, 카본 블랙 응집체와 같은 비구형체도 또한 그것이 비구형체와 동일한 밀도 및 침강 속도를 갖는 완만하고 경질의 구형체로서 거동하는 것으로 간주되는 경우에는 스토크tm 직경으로 나타낼 수 있다. 통상적인 단위는 나노미터 직경으로 표시된다.
모우드(기록 목적상 Dmode)-스토크스 직경의 분산 곡선의 정점(본 명세서의 제2도의 점 A)에서의 스토크스 직경.
중간 스토크스 직경(기록 목적상(Dst)-시료의 50중량%가 더 크거나 또는 더 작은 스토크스 직경의 분산 곡선 상의 점(본 명세서 제2도의 점 H). 그러므로, 이것은 측정의 중간 값을 나타낸다.
고무 조성물의 마모 데이터는 람본(Lambourn)형 기계에 기초한 마모 시험기를 사용하여 측정하였다. 마모율(입방 센티미터(센티미터 이동거리)은 7%, 13% 및 21% 미끄러짐(slip)에서 측정하였다. 미끄러짐은 미끄러짐의 각도보다는 오히려 판의 상대 속도를 근거로 한다. 다음의 실시예에서, 마모 지수는 동일한 미끄러짐에서 N220 카본 블랙인 매사추세츠주 윌트햄 소재의 캐보트 코포레이션(Cabot Corporation)의 카본 블랙의 상표명인 불칸(VULCAN) 6 카본 블랙을 함유하는 대조 조성물의 마모율을 본 발명의 특정 카본 블랙을 사용하여 제조되는 조성물의 마모율로 나눈 비율이다. N220 카본 블랙의 분석 특성은 ASTM D1765-90에 기재되어 있다.
고무 조성물의 탄성률, 인장 강도 및 신도는 ASTM D412에 기재된 방법에 따라 측정하였다. 인장 강도 값은 카본 블랙의 보강성에 관한 것이다. 큰 인장 강도 값은 높은 보강성을 나타낸다.
리바운드(rebound) 데이터는 ASTM D1054에 따라 천연 및 합성 고무 조성물에 대하여 측정하였다[굳이어(Goodyear)/헐리(Healy) 시험법].
리바운드 데이터는 미합중국 06088 코넥티커트주, 이스트 윈저, 포스트 오피스 박스 997에 소재하는 즈윅 오브 아메리카, 인크.(Zwick of America, Inc.)에 의하여 제조되는 즈윅 리바운드 리실리언스 테스터 모델 5109(Zwick Rebound Resilience Tester Model 5109)를 사용하여 모든 도로 시험용 배합 고무 조성물에 대하여 측정하였다. 리바운드 값을 측정하기 위한 지시 사항은 장치에 수반되어 있다. 리바운드 값은 고무 조성물의 이력 손실에 관한 것이다. 높은 리바운드 값은 낮은 이력 손실을 나타낸다.
본 발명의 효과 및 장점은 다음의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 예시될 것이다.
[실시예 1-2]
본 발명의 신규 카본 블랙의 2 실시예를 표 2에 나타낸 반응기 조건 및 결합 구조를 사용하여, 제1도에 도시한 반응기에서 본 명세서에 일반적으로 기재된 카본 블랙 생산 방법으로 제조하였다. 각각의 실시예에 있어서 연소 반응에 사용되는 연료는 천연 가스이었다. 각각의 실시예에 사용된 원료의 성질을 표 1에 나타내었다.
[표 1]
[표 2]
이어서, 제조된 카본 블랙을 본 명세서에 기재된 방법에 따라 분석하였다. 실시예 1 및 2로부터 얻은 카본 블랙의 분석 특성을 표 3에 나타내었다.
[표 3]
[실시예 3]
이 실시예는 천연 고무 조성물 중에 본 발명의 신규 카본 블랙의 사용을 나타낸다.
실시예 1에서 제조된 본 발명의 신규 카본 블랙 및 IRB #6(산업용 고무 블랙값 6, 공지된 대조 카본 블랙)을 함유하는 천연 고무 조성물을 다음의 방법에 따라 제조하였다.
각각의 천연 고무 조성물을 145℃에서 30분 동안 경화시켰다.
천연 고무 조성물 A는 실시예 1의 카본 블랙을 사용하여 제조하였다. 천연 고무 조성물 B는 IRB #6 카본 블랙을 사용하여 제조하였다.
이어서, 천연 고무 조성물의 정직 성질을 본 명세서에 기재된 ASTM 방법에 따라서 평가하였다. 결과를 표 4에 나타내었다.
[표 4]
[실시예 4]
이 실시예는 합성 고무 조성물 중에 본 발명의 신규 카본 블랙의 사용을 나타낸다. 실시예 1에서 제조된 본 발명의 신규 카본 블랙 및 IRB #6을 함유하는 합성 고무 조성물을 다음의 ASTM D3191 방법에 따라 제조하였다.
각각의 합성 고무 조성물을 145℃에서 30분 동안 경화시켰다.
합성 고무 조성물 C는 실시예 1의 카본 블랙을 사용하여 제조하였다. 합성 고무 조성물 D는 대조 IRB #6 카본 블랙을 사용하여 제조하였다.
이어서, 합성 고무 조성물의 정적 특성을 본 명세서에 기재된 ASTM 방법에 따라 평가하였다. 결과를 표 5에 나타내었다.
[표 5]
[실시예 5]
이 실시예는 또한 천연 고무 조성물 중에 본 발명의 신규 카본 블랙의 사용을 나타낸다.
실시예 2에서 제조된 본 발명의 신규 카본 블랙 IRB #6을 함유하는 천연 고무 조성물을 다음의 방법에 따라서 제조하였다.
각각의 천연 고무 조성물을 145℃에서 30분 동안 경화시켰다.
천연 고무 조성물 E는 실시예 2의 카본 블랙을 사용하여 제조하였다. 천연 고무 조성물 F는 IRB #6 카본 블랙을 사용하여 제조하였다.
이어서, 천연 고무 조성물의 정적 특성을 본 명세서에 기재된 ASTM 방법에 따라 평가하였다. 결과를 표 6에 나타내었다.
[표 6]
[실시예 6]
이 실시예는 또한 합성 고무 조성물 중에 본 발명의 신규 카본 블랙의 사용을 나타낸다. 실시예 2에서 제조된 본 발명의 신규 카본 블랙 및 IRB #6을 함유하는 합성 고무 조성물을 다음의 ASTM D3191 방법에 따라 제조하였다.
각각의 합성 고무 조성물을 145℃에서 30분 동안 경화시켰다.
합성 고무 조성물 G는 실시예 2의 카본 블랙을 사용하여 제조하였다. 합성 고무 조성물 H는 대조 IRB #6 카본 블랙을 사용하여 제조하였다.
이어서, 합성 고주 조성물의 정적 특성을 본 명세서에 기재된 ASTM 방법에 따라 평가하였다. 결과를 표 7에 나타내었다.
[표 7]
[실시예 7]
이 실시예는 VULCAN 6 카본 블랙(N220 카본 블랙), VULCAN K 카본 블랙(N351 카본 블랙), 및 VULCAN 10H 카본 블랙(N134) 카본 블랙)을 사용하여 제조되는 고무 조성물을 비교하여, 승용차 레이디얼(radial) 타이어에 사용되는 고무 조성물과 유사한 도로 시험용 배합 고무 조성물 중에 실시예 1의 신규 카본 블랙의 사용을 나타낸다. N220, N351 및 N134 카본 블랙의 분석 특성은 ASTM D1765-90에 기재되어 있다. VULCAN은 미합중국 매사추세츠주 윌트햄에 소재하는 캐보트 코포레이션에 의하여 제조·시판되는 카본 블랙의 상표명이다. 고무 조성물 I는 실시예 1에서 제조된 본 발명의 카본 블랙을 사용하여 제조하였다. 고무 조성물 J는 VULCAN 6 카본 블랙을 사용하여 제조하였다. 고무 조성물 K는 VULCAN K 카본 블랙을 사용하여 제조하였다. 고무 조성물 L은 VULCAN 10H 카본 블랙을 사용하여 제조하였다. 고무 조성물 I, J, K 및 L은 하기 표 8에 나타낸 고무 배합 방법에 따라 각각의 카본 블랙 시료를 함유시켜 제조하였다.
[표 8]
각각의 고무 조성물의 실험용 마모 지수 및 리바운드 %를 본 명세서에 기재된 바와 같이 평가하였다. 결과는 다음과 같았다.
실험용 마모 지수 데이터는 본 발명의 카본 블랙을 함유하는 고무 조성물 I가 대조 카본 블랙을 포함하는 고무 조성물 J, K 및 L보다 13% 및 21% 미끄럼짐 값에서 더 높은 내마모성을 나타낸다는 것을 보여준다.
[실시예 8]
이 실시예는 VULCAN 6 카본 블랙(N220 카본 블랙), VULCAN K 카본 블랙(N351 카본 블랙), 및 VULCAN 10H 카본 블랙(N134 카본 블랙)을 사용하여 제조되는 고무 조성물과 비교하여, 승용차 레이디얼(radial) 타이어에서 사용되는 고무 조성물과 유사한 도로 시험용 배합 고무 조성물 중에 실시예 2의 신규 카본 블랙의 사용을 나타낸다. N220, N351 및 N134 카본 블랙의 분석 특성은 ASTM D1765-90에 기재되어 있다. VULCAN은 미합중국 매사추세츠주 월트햄에 소재하는 캐보트 코포레이션에 의하여 제조·시판되는 카본 블랙의 상표면이다. 고무 조성물 M은 실시예 2에서 제조된 본 발명의 카본 블랙을 사용하여 제조하였다. 고무 조성물 N은 VULCAN 6 카본 블랙을 사용하여 제조하였다. 고무 조성물 O는 VULCAN K 카본 블랙을 사용하여 제조하였다. 고무 조성물 P는 VULCAN 10H 카본 블랙을 사용하여 제조하였다. 고무 조성물 M, N, O 및 P는 하기 표 8에 나타낸 고무 배합 방법에 따라 각각의 카본 블랙 시료를 함유시켜 제조하였다.
[표 9]
상기 결과는 본 발명의 카본 블랙으로부터 제조된 고무 조성물 M의 정적 성질이 대조 카본 블랙으로부터 제조된 고무 조성물 N, O, 및 P의 정적 성질과 비교됨을 보여준다.
각각의 고무 조성물의 실험용 마모 지수 및 리바운드 %를 본 명세서에 기재된 바와 같이 평가하였다. 결과는 다음과 같았다.
실험용 마모 지수 데이터는 본 발명의 카본 블랙을 함유하는 고무 조성물 M이 대조 카본 블랙을 포함하는 고무 조성물 J, K 및 L보다 21% 미끄러짐 값에서 더 높은 내마모성을 나타낸다는 것을 보여준다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시 형태들은 단지 에시적이고, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아님이 명백히 이해되어야 한다. 본 발명은 다음의 특허 청구 범위 내에서의 모든 변형을 포함한다.

Claims (8)

100m2/g 이상이고, 140m2/g 미만인 N2SA, 105cc/100g 이상의 CDBP, 약 90 이상이고, 약 125 미만인 TINT(착색가), Dmode(nm)≥218-1.12(TINT), 및 약 0.6 내지 약 0.8의 △D50/Dmode비를 갖는 카본 블랙.
제1항에 있어서, Dmode(nm)≥221-1.12(TINT)인 카본 블랙.
제1항에 있어서, N2SA가 115m2/g이고, CDBP가 109cc/100g이고, TINT가 120이고, Dmode가 88nm이고, △D50/Dmode비가 0.80인 카본 블랙.
제1항에 있어서, N2SA가 127m2/g이고, CDBP가 107cc/100g이고, TINT가 122이고, Dmode가 82nm이고, △D50/Dmode비가 0.76인 카본 블랙.
고무 약 100중량부와, 100m2/g 이상이고, 140m2/g 미만인 N2SA, 105cc/100g 이상의 CDBP, 약 90 이상이고, 약 125 미만인 TINT(착색가), Dmode(nm)≥218-1.12(TINT), 및 약 0.6 내지 약 0.8의 △D50/Dmode비를 갖는 카본 블랙 약 10 내지 약 250 중량부로 이루어진 고무 조성물.
제5항에 있어서, Dmode(nm)≥221-1.12(TINT)인 고무 조성물.
제5항에 있어서, 카본 블랙의 N2SA가 115m2/g이고, 카본 블랙의 CDBP가 109cc/100g이고, 카본 블랙의 TINT가 120이고, 카본 블랙의 Dmode가 88nm이고, 카본 블랙의 △D50/Dmode비가 0.80인 고무 조성물.
제5항에 있어서, 카본 블랙의 N2SA가 127m2/g이고, 카본 블랙의 CDBP가 107cc/100g이고, 카본 블랙의 TINT가 122이고, 카본 블랙의 Dmode가 82nm이고, 카본 블랙의 △D50/Dmode비가 0.76인 고무 조성물.
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