KR101368591B1 - 저구조 카본 블랙 및 그의 제조 방법 - Google Patents

저구조 카본 블랙 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

I2 값이 30 mg/g 내지 200 mg/g이고 DBP가 20 cc/100g 내지 40 cc/100g인 카본 블랙.
카본 블랙, 요오드 값, DBP, 착색도

Description

저구조 카본 블랙 및 그의 제조 방법{LOW STRUCTURE CARBON BLACK AND METHOD OF MAKING SAME}
본 발명은 저구조 카본 블랙 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
카본 블랙은 예를 들어, 토너, 잉크젯 잉크 및 잉크젯용 컬러 필터를 비롯한 다양한 범위의 매질에서 안료로서 사용된다. 이들 블랙의 구조 및 표면적은 매트릭스 중의 카본 블랙의 특정 적재 수준이 가능하고 매질의 전도성 및 전하 축적이 감소되도록 선택된다. 증가된 적재 수준은 물질의 불투명도 척도인 매질의 광학 밀도 (OD)를 증가시키나, 매질을 생성하는데 사용되는 코팅 조성물의 점도를 또한 증가시킨다. 성분 카본 블랙의 구조를 감소시킬 경우, 점도가 감소하여 매질의 보다 얇은 막이 결함 없이 침착될 수 있게 하나, 소정의 점도에서 보다 많은 카본 블랙이 혼입되어, 보다 높은 광학 밀도가 형성될 수 있다.
노 (furnace) 카본 블랙의 구조를 조절하는 하나의 방법은 탄소질의 공급원료를 소성하는 동안 알칼리 이온을 노에 첨가하는 것이다. 예를 들어, 미국 특허 제5,456,750호에서는, 카본 블랙 노에 칼륨의 첨가를 감소시킴으로써 생성된 블랙의 구조를 감소시킨다. 그러나, 생성된 카본 블랙 중의 금속 성분은 전도성을 증가시킬 수 있고, 매질 중의 비-탄소 물질은 광학 밀도에 기여하지 않는다. 또한, 표면적을 증가시킴으로써 광학 밀도 또는 착색도는 증가될 수 있으나, 표면적이 증가할수록 구조를 감소시키는 것은 점점 더 어려워진다. 예를 들어, 750 특허에서는, DBP (디부틸 프탈레이트 흡수)가 가장 낮은 카본 블랙은 DBP가 40보다 큰 카본 블랙보다 착색도가 또한 비교적 더 낮다. 보다 낮은 착색도는 목적하는 광학 밀도를 얻기 위해 특정 매질 중 카본 블랙의 보다 큰 농도가 요구됨을 의미하고, 카본 블랙의 보다 높은 농도는 종종 분산이 어렵기 때문에, 매질에 대한 비용이 증가하고 생산이 어려워진다. 또한, 칼륨 및 기타 금속 원소가 노에 첨가되는 경우, 생성된 블랙은 표면에 보다 많은 하전된 기를 가지고 있어서 보다 산성 및 친수성이다. 보다 친수성 또는 산성 블랙 (예를 들어, pH 6 미만)은 넓은 범위의 중합체 및 기타 성분과 상용성이 아닐 수 있어, 코팅 또는 인쇄 용도로의 사용에 바람직하지 않다. 따라서, 저구조를 갖지만 적은 양의 알칼리 금속 및 낮은 산성도 및 친수성을 갖고 카본 블랙이 혼입된 코팅, 토너 또는 잉크 조성물에서의 광학 밀도 및 점도를 손상시키지 않는 카본 블랙을 제조하는 방법을 발견하는 것이 요구된다.
발명의 개요
한 측면에서, 본 발명은 I2 값이 30 mg/g 내지 200 mg/g이고, DBP가 20 cc/100g 내지 40 cc/100g이고, μg/g 단위의 IA족 및 IIA족 원소의 총 농도가 최대 y + (15*I2 값)이고, 여기서 y는 250, 100, -50, -150 또는 -350인 카본 블랙을 포함한다. 예를 들어, 카본 블랙은 DBP 값이 20 내지 40 cc/100g, 20 내지 30 cc/100g, 30 내지 39 cc/100g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지 어진 임의의 범위일 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 카본 블랙은 요오드 값이 30 내지 200 mg/g, 30 내지 45 mg/g, 45 내지 100 mg/g, 70 내지 100 mg/g, 100 내지 150 mg/g, 150 내지 200 mg/g, 70 내지 200 mg/g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다. 카본 블랙은 1 내지 1.25 미만의 M-비; 6 내지 10의 pH; 최대 6 mJ/m2의 수확장압 (water spreading pressure); 또는 수학식 착색도 = x + 0.44*I2 값 (여기서, x는 45 내지 90, 예를 들어 60 내지 90 또는 75 내지 90임)을 따르는 착색도 중 하나 이상을 특징으로 할 수 있다. 카본 블랙은 산화 카본 블랙, 열 처리 카본 블랙 또는 부착된 유기기를 포함하는 개질 카본 블랙일 수 있다.
또다른 측면에서, 본 발명은 I2 값이 30 mg/g 내지 200 mg/g이고, DBP가 20 cc/100g 내지 40 cc/100g이고, M-비가 1.00 내지 1.25 미만인 카본 블랙을 포함한다. 예를 들어, 카본 블랙은 DBP 값이 20 내지 40 cc/100g, 20 내지 30 cc/100g, 30 내지 39 cc/100g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 카본 블랙은 요오드 값이 30 내지 200 mg/g, 30 내지 45 mg/g, 45 내지 100 mg/g, 70 내지 100 mg/g, 100 내지 150 mg/g, 150 내지 200 mg/g, 70 내지 200 mg/g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다. 카본 블랙은 6 내지 10의 pH; 최대 y + (15*I2 값)인 μg/g 단위의 IA족 및 IIA족 원소의 총 농도 (여기서 y는 250, 100, -50, -150 또는 -350임); 최대 6 mJ/m2의 수확장압; 또는 수학식 착색도 = x + 0.44*I2 값 (여기서, x는 45 내지 90, 예를 들어 60 내지 90 또는 75 내지 90임)을 따르는 착색도 중 하나 이상을 특징으로 할 수 있다. 카본 블랙은 산화 카본 블랙, 열 처리 카본 블랙 또는 부착된 유기기를 포함하는 개질 카본 블랙일 수 있다.
또다른 측면에서, 본 발명은 I2 값이 30 mg/g 내지 200 mg/g이고, DBP가 20 cc/100g 내지 40 cc/100g이고, 수확장압이 최대 6 mJ/m2이고, M-비가 1.00 내지 1.25 미만인 카본 블랙을 포함한다. 예를 들어, 카본 블랙은 DBP 값이 20 내지 40 cc/100g, 20 내지 30 cc/100g, 30 내지 39 cc/100g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 카본 블랙은 요오드 값이 30 내지 200 mg/g, 30 내지 45 mg/g, 45 내지 100 mg/g, 70 내지 100 mg/g, 100 내지 150 mg/g, 150 내지 200 mg/g, 70 내지 200 mg/g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다. 카본 블랙은 6 내지 10의 pH; 최대 y + (15*I2 값)인 μg/g 단위의 IA족 및 IIA족 원소의 총 농도 (여기서 y는 250, 100, -50, -150 또는 -350임); 또는 수학식 착색도 = x + 0.44*I2 값 (여기서, x는 45 내지 90, 예를 들어 60 내지 90 또는 75 내지 90임)을 따르는 착색도 중 하나 이상을 특징으로 할 수 있다. 카본 블랙은 산화 카본 블랙, 열 처리 카본 블랙 또는 부착된 유기기를 포함하는 개질 카본 블랙일 수 있다.
또다른 측면에서, 본 발명은 I2 값이 70 mg/g 내지 200 mg/g이고, DBP가 20 cc/100g 내지 50 cc/100g이고, 수확장압이 최대 6 mJ/m2인 카본 블랙을 포함한다. 예를 들어, 카본 블랙은 DBP 값이 20 내지 40 cc/100g, 20 내지 50 cc/100g, 20 내지 45 cc/100g, 20 내지 30 cc/100g, 30 내지 39 cc/100g, 30 내지 45 cc/100g, 40 내지 45 cc/100g, 45 내지 50 cc/100g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 카본 블랙은 요오드 값이 70 내지 100 mg/g, 100 내지 150 mg/g, 150 내지 200 mg/g, 70 내지 200 mg/g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다. 카본 블랙은 1 내지 1.25 미만의 M-비; 6 내지 10의 pH; 최대 y + (15*I2 값)인 μg/g 단위의 IA족 및 IIA족 원소의 총 농도 (여기서 y는 250, 100, -50, -150 또는 -350임); 또는 수학식 착색도 = x + 0.44*I2 값 (여기서, x는 45 내지 90, 예를 들어 60 내지 90 또는 75 내지 90임)을 따르는 착색도 중 하나 이상을 특징으로 할 수 있다. 카본 블랙은 산화 카본 블랙, 열 처리 카본 블랙 또는 부착된 유기기를 포함하는 개질 카본 블랙일 수 있다.
또다른 측면에서, 본 발명은 I2 값이 30 mg/g 내지 200 mg/g이고, DBP가 20 cc/100g 내지 40 cc/100g인 카본 블랙을 포함한다. 예를 들어, 카본 블랙은 DBP 값이 20 내지 40 cc/100g, 20 내지 30 cc/100g, 30 내지 39 cc/100g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다. 대안으로 또 는 추가로, 카본 블랙은 요오드 값이 30 내지 200 mg/g, 30 내지 45 mg/g, 45 내지 100 mg/g, 70 내지 100 mg/g, 100 내지 150 mg/g, 150 내지 200 mg/g, 70 내지 200 mg/g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다. 방법은 예열된 공기 스트림을 연료와 반응시켜 연소 기체의 스트림을 형성하는 단계, 축 평면에서 소정 수의 지점에서 공급원료를 연소 기체의 스트림에 도입하여 유출물을 형성하고 유출물 중 공급원료의 열분해를 시작하는 단계, 축 평면에서 소정 수의 지점에서 보조 탄화수소를 연소 기체의 스트림에 도입하는 단계 (여기서 공급원료 및 보조 탄화수소의 주입 지점은 축 평면에서 교호함), 하나 이상의 IA족 또는 IIA족 원소 또는 이들의 조합을 함유하는 하나 이상의 물질을 연소 기체의 스트림에 추가로 도입하는 단계, 및 역삼투 처리한 물을 사용하여 열분해를 켄칭시키는 단계를 포함하며, 여기서 μg/g 단위의 카본 블랙 생성물 중 IA족 및 IIA족 원소의 총 농도는 최대 y + (15*I2 값) (여기서 y는 250, 100, -50, -150 또는 -350임)이다. 전체 연소율은 26％ 초과일 수 있다. 소정 수는 3일 수 있다. 보조 탄화수소는 탄화수소일 수 있고 보조 탄화수소의 탄소 함량이 반응기에 주입되는 모든 연료 스트림의 총 탄소 함량의 최대 약 20 중량％의 양으로 주입될 수 있다. 보조 탄화수소는 기체 형태일 수 있다. 카본 블랙은 1 내지 1.25 미만의 M-비; 6 내지 10의 pH; 최대 6 mJ/m2의 수확장압; 또는 수학식 착색도 = x + 0.44*I2 값 (여기서, x는 45 내지 90, 예를 들어 60 내지 90 또는 75 내지 90임)을 따르는 착색도 중 하나 이상을 특징으로 할 수 있다. 상기 방법은 카본 블랙의 표 면 화학 또는 미세구조를 변형시키는 단계를 또한 포함할 수 있다. 상기 방법은 유기기를 표면에 부착하여 카본 블랙을 개질하는 단계, 카본 블랙을 산화시키는 단계 또는 카본 블랙을 열처리하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
상기 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명 모두는 단지 대표적이고 예시적인 것이며, 청구된 바와 같은 본 발명을 추가로 설명하고자 한 것임을 이해하여야 한다.
본 발명을 몇몇 도면을 참조하여 기재한다.
도 1은 본 발명의 대표적인 실시양태에 사용하기 위한 카본 블랙을 제조하는데 이용될 수 있는 노 카본 블랙 반응기의 한 유형의 일부의 단면이다.
도 2는 소정의 샘플에서의 스토크 직경 (Stokes Diameter)에 대한 카본 블랙 샘플의 응집체의 중량 분율의 샘플 히스토그램이다.
도 3은 본 발명의 대표적인 실시양태에 따른 카본 블랙 및 상업적으로 입수가능한 카본 블랙을 사용하여 제조된 밀베이스의 점도를 나타내는 그래프이다.
본 발명자들은 저구조, 예를 들어 DBP가 20 cc/100g 내지 40 cc/100g 또는 50 cc/100g인 카본 블랙이 특정 조건 하에, 예를 들어 보조 탄화수소의 첨가와 증가된 전체 연소율로 작동되는 카본 블랙 노에 알칼리 및/또는 알칼리 토류 염을 첨가하는 것의 조합에 의해 중간 내지 높은 표면적, 예를 들어, 요오드 값이 30 mg/g 또는 70 mg/g 내지 200 mg/g으로 수득될 수 있음을 발견하였다 (하기에 보다 상세히 기재됨). 생성된 카본 블랙은 중성 내지 약 염기성 pH이고 또한 사용되는 반응 조건으로부터 예상될 수 있는 것보다 더 소수성이다. 구조의 수준은 알칼리 또는 알칼리 토류 첨가 또는 보조 탄화수소 단독의 사용을 통해 달성될 수 있는 것보다 훨씬 낮다. 또한, 카본 블랙 중의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 양은 중간 내지 높은 표면적을 갖는, 예를 들어 요오드 값이 30 내지 200 m2/g인 보다 낮은 구조의 카본 블랙에 대해 통상적으로 발견되는 것보다 낮다. 저구조임에도 불구하고, 카본 블랙은 착색도가 비교적 높다. 또한, 카본 블랙은 유사한 표면적 또는 구조의 종래 기술 블랙보다 낮은 M-비를 나타낸다.
하나의 실시양태에서, 카본 블랙은 DBP가 20 cc/100g 내지 40 cc/100g이고, I2 값이 30 mg/g 내지 200 mg/g이다. 예를 들어, 카본 블랙은 DBP 값이 20 내지 40 cc/100g, 20 내지 30 cc/100g, 30 내지 39 cc/100g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 카본 블랙은 요오드 값이 30 내지 200 mg/g, 예를 들어 30 내지 45 mg/g, 45 내지 100 mg/g, 70 내지 100 mg/g, 100 내지 150 mg/g, 150 내지 200 mg/g, 70 내지 200 mg/g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 고정된 다공도에서, 증가된 표면적은 보다 작은 1차 입자 크기와 관련된다.
대안의 실시양태에서, 카본 블랙은 DBP가 50 cc/100g 미만이고, I2 값이 70 mg/g 내지 200 mg/g일 수 있다. 예를 들어, 카본 블랙은 DBP 값이 20 내지 40 cc/100g, 20 내지 50 cc/100g, 20 내지 45 cc/100g, 20 내지 30 cc/100g, 30 내지 39 cc/100g, 30 내지 45 cc/100g, 40 내지 45 cc/100g, 45 내지 50 cc/100g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 카본 블랙은 요오드 값이 70 내지 100 mg/g, 100 내지 150 mg/g, 150 내지 200 mg/g, 70 내지 200 mg/g이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위일 수 있다.
본원에 기재된 임의의 실시양태에서, 카본 블랙 1차 입자는 본질적으로 전체적으로 구형의 형태에 가까울 수 있다.
카본 블랙은 하기에 보다 자세히 논의되는 다음의 특성 중 하나 이상을 추가로 가질 수 있다. μg/g 단위의 알칼리 및 알칼리 토류 원소 (예를 들어, IA족 및 IIA족 원소)의 총 농도는 최대 (y + 15*I2 값)일 수 있고, 여기서 y는 250, 100, -50, -150 또는 -350이다. 카본 블랙 샘플의 스토크 직경 모드에 대한 중간 스토크 직경의 비인 M-비는 1.0 내지 1.25 미만, 예를 들어, 1.22 내지 1.24이거나 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 규정되는 임의의 범위일 수 있다. 카본 블랙의 착색도는 수학식 착색도 = x + 0.44 * I2 값으로 규정될 수 있고, 여기서, x는 45 내지 90, 예를 들어 60 내지 90 또는 75 내지 90일 수 있다. 카본 블랙은 pH가 6 내지 10, 예를 들어 6 내지 8, 8 내지 10, 7 내지 9이거나, 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 규정되는 임의의 범위일 수 있다. 카본 블랙 표면과 수증기 사이의 상호작용 에너지의 척도인 수확장압 (WSP)은 최대 6 mJ/m2, 예를 들어 최대 5 mJ/m2, 최대 4 mJ/m2, 2 내지 6 mJ/m2, 2 내지 5 mJ/m2, 3 내지 6 mJ/m2, 3 내지 5 mJ/m2이거나 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 규정되는 임의의 범위일 수 있다.
본 발명자들은 높은 표면적을 가지나 기존에 사용된 것보다 낮은 양의 IA족 및 IIA족 금속 원소를 사용하여 카본 블랙 생성물 중 이들 금속의 양을 감소시킨 저구조 카본 블랙이 생성되게 하는 작업 조건을 확인하였다. 일반적으로, 소정의 표면적을 갖는 카본 블랙에 대하여, 구조는 금속 원소의 첨가에 의해 단지 특정 정도 낮출 수 있으며, 이후 추가적인 금속 원소의 첨가는 더이상 구조에 영향을 주지 않는다. 그러나, 본 발명자들은 높은 표면적의 블랙은 물론, 중간 표면적의 블랙에 대해 기존에 달성할 수 있는 것보다 상당히 낮은 구조, 예를 들어 디부틸프탈레이트 흡수 (DBP) 값이 20 cc/100g 내지 40 cc/100g 또는 20 cc/100g 내지 50 cc/100g인 카본 블랙을 제조하였다. 대표적인 기구 및 반응 조건은 하기 및 실시예에 기재되어 있다. 본 발명의 다양한 실시양태에 따른 카본 블랙은 또한 예를 들어, 미국 특허 제5,456,750호, 제4,391,789호, 제4,636,375호, 제6,096,284호 및 제5,262,146호에 기재된 기구를 비롯한 다양한 기타 기구를 사용하여 제조할 수 있다. 당업자는 본 발명의 다양한 실시양태에 카본 블랙을 기타 기구에서 제조하기 위해 하기 기재된 반응 조건을 조정하는 방법을 인지할 것이다.
하나의 실시양태에서, 카본 블랙은 도 1에 묘사된 바와 같은, 수렴 직경 영역 (11) 및 반응 영역 (19), 전이 영역 (12), 입구 부분 (18)을 갖는 연소 영역 (10)을 갖는 모듈 노 (modular furnace) 카본 블랙 반응기 (2)에서 제조된다. 수렴 직경 영역 (11)이 시작하는 지점까지 연소 영역 (10)의 직경을 D-1로, 영역 (12)의 직경을 D-2로, 계단형 입구 부분 (18)의 직경을 D-4, D-5, D-6 및 D-7로, 영역 (19)의 직경을 D-3으로 나타낸다. 수렴 직경 영역 (11)이 시작하는 지점까지 연소 영역 (10)의 길이를 L-1로 나타내고, 수렴 직경 영역의 길이를 L-2로 나타내고, 전이 영역의 길이를 L-3으로 나타내고, 반응기 입구 부분 (18)의 계단 길이를 L-4, L-5, L-6 및 L-7로 나타낸다.
카본 블랙을 제조하기 위하여, 고온 연소 기체를 액체 또는 기체상 연료와 공기, 산소 또는 공기와 산소의 혼합물 등과 같은 적합한 산화제 스트림을 접촉시킴으로써 연소 영역 (10) 내에서 발생시킨다. 고온 연소 기체를 발생시키기 위해 연소 영역 (10) 내에서 산화제 스트림을 접촉시키는데 사용하기에 적합한 연료는 임의의 용이하게 연소가능한 기체, 증기 또는 액체 스트림, 예컨대 천연 가스, 수소, 일산화탄소, 메탄, 아세틸렌, 알콜 또는 케로센 중 임의의 것이다. 그러나, 일반적으로 탄소-함유 성분, 특히 탄화수소가 높은 함량으로 포함된 연료를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 카본 블랙을 제조하기 위해 사용되는 공기 대 천연 가스의 부피비는 바람직하게는 약 10:1 내지 약 100:1일 수 있다. 고온 연소 기체의 발생을 용이하게 하기 위해, 산화제 스트림을 예열할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 전체 연소 비율은 26％ 이상, 예를 들어, 26％ 내지 35％, 28％ 내지 35 ％, 30％ 내지 35％, 28％ 이상 또는 30％ 이상이다.
고온 연소 기체 스트림은 영역 (10) 및 (11)에서 영역 (12), (18) 및 (19)로 하류로 흐른다. 고온 연소 기체의 유동 방향은 도면 내에 화살표로 나타낸다. 카본 블랙-산출 공급원료 (30)은 지점 (32) (영역 (12)에 위치함) 및/또는 지점 (70) (영역 (11)에 위치함)에 도입된다. 반응 조건 하에 용이하게 휘발될 수 있는 본 발명에서 사용하기에 적합한 카본 블랙-산출 탄화수소 공급원료로서는 아세틸렌과 같은 불포화 탄화수소; 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌과 같은 올레핀; 벤젠, 톨루엔 및 크실렌과 같은 방향족; 일정 포화 탄화수소; 및 케로센, 나프탈렌, 테르펜, 에틸렌 타르, 방향족 환형 공급원 등과 같은 기타 탄화수소가 있다.
수렴 직경 영역 (11)의 말단에서 지점 (32)까지의 거리를 F-1로 나타낸다. 일반적으로, 카본 블랙-산출 공급원료 (30)은 고온 연소 기체 스트림의 내부 영역으로 침투하는 다수의 스트림의 형태로 주입되어, 공급원료가 신속하고 완벽하게 분해되어 카본 블랙으로 전환시키기 위한 고온 연소 기체에 의한 카본 블랙-산출 공급원료의 높은 혼합 및 전단 속도를 보장한다.
보조 탄화수소는 지점 (70)에서 탐침 (72)를 통해 또는 카본 블랙 형성 공정의 영역 (12)의 경계를 형성하는 벽 내의 보조 탄화수소 통로 (75)를 통해 또는 카본 블랙 형성 공정의 영역 (18) 및/또는 (19)의 경계를 형성하는 벽 내의 보조 탄화수소 통로 (76)를 통해 도입된다. 본원에 사용된 용어 "보조 탄화수소"는 수소, 또는 수소-대-탄소 몰비가 공급원료의 수소-대-탄소 몰비보다 큰 임의의 탄화수소를 지칭하며 기체상 또는 액체일 수 있다. 대표적인 탄화수소는 연료 및/또는 공급원료로서 사용하기에 적합한 것으로 본원에 기재된 물질을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 특정 실시양태에서, 보조 탄화수소는 천연 가스이다. 반응하지 않은 보조 탄화수소가 결국 반응 영역에 들어가는 한, 보조 탄화수소는 제1 단계 연료의 초기 연소 반응 직후의 시점과 카본 블랙의 형성의 종결 직전의 시점 사이의 임의의 위치에서 도입될 수 있다. 특정 바람직한 실시양태에서, 보조 탄화수소는 공급원료와 동일한 축 평면에서 도입된다. 하기 기재된 실시예에서, 보조 탄화수소는 카본 블랙 산출 공급원료 스트림과 동일한 축 평면에서 3개의 오리피스를 통해 도입된다. 오리피스는 바람직하게는 하나의 공급원료, 다음의 보조 탄화수소 등이 부분 (12)의 외부 주변에 균등하게 이격되는 교차적인 패턴으로 배열된다. 보조 탄화수소의 탄소 함량이 반응기에 주입되는 모든 연료 스트림의 총 탄소 함량의 약 20 중량％ 이하, 예를 들어 약 1 내지 약 5％, 약 5％ 내지 약 10％, 약 10％ 내지 약 15 ％, 약 15％ 내지 약 20％이거나 이들 경계값 중 임의의 경계값에 의해 경계지어진 임의의 범위이도록, 반응기에 첨가되는 보조 탄화수소의 양이 조절될 수 있다. 특정 바람직한 실시양태에서, 보조 탄화수소의 탄소 함량은 반응기에 주입되는 모든 연료 스트림의 총 탄소 함량의 약 3％ 내지 약 6 중량％이다.
지점 (32)부터 지점 (70)까지의 거리는 H-1으로 나타낸다.
몇몇 실시양태에서, 특정 알칼리 또는 알칼리 토류 물질은 생성된 카본 블랙 중 알칼리 또는 알칼리 토류 물질의 총 농도가 낮게 되는 양으로 카본 블랙에 구조 개질제로서 첨가된다. 바람직하게는, 물질은 하나 이상의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 함유한다. 특정 대표적인 실시양태에서, 칼륨 이온은 공급원료에 첨가되고 결국 IA족 및 IIA족 원소의 총 농도를 낮게 유지하면서 카본 블랙에 혼입된다. IA족 및 IIA족 원소의 다른 예에는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프란슘, 칼슘, 바륨, 스트론튬 또는 라듐 또는 이들 중 둘 이상의 임의의 조합이 포함된다. 물질은 고체, 용액, 분산액, 기체 또는 임의의 이들의 조합물일 수 있다. 동일하거나 상이한 IA족 또는 IIA족 원소를 갖는 하나 초과의 물질이 사용될 수 있다. 다수의 물질이 사용되는 경우, 물질은 함께, 개별적으로, 순차적으로 또는 상이한 반응 위치에서 첨가될 수 있다. 본 발명을 위해, 물질은 금속 (또는 금속 이온) 자체, 하나 이상의 이들 원소를 함유하는 염을 비롯한, 하나 이상의 이들 원소를 함유하는 화합물 등일 수 있다. 대표적인 염에는 유기 염 및 무기 염, 예를 들어 임의의 클로라이드, 아세테이트 또는 포르메이트와의 나트륨 및/또는 칼륨의 염 또는 2종 이상의 이러한 염의 조합이 포함된다. 바람직하게는, 물질은 금속 또는 금속 이온을 카본 블랙 생성물이 형성되는 반응이 진행되는 중에 도입할 수 있다. 예를 들어, 물질은 제1 단계의 카본 블랙 산출 공급원료의 도입 이전; 제1 단계의 카본 블랙 산출 공급원료의 도입 동안; 제1 단계의 카본 블랙 산출 공급원료의 도입 후; 보조 탄화수소의 도입 이전, 동안 또는 직후; 또는 완결된 켄칭 이전의 임의의 단계를 비롯한, 완결된 켄칭 이전의 임의의 시점에 첨가될 수 있다. 하나를 초과하는 시점에서 물질을 도입할 수 있다. 금속-함유 물질의 양은 카본 블랙 생성물이 생성될 수 있는 한 임의의 양일 수 있다. 상기 기재된 바와 같이, 물질의 양은 μg/g 단위의 IA족 및/또는 IIA족 원소의 총 양 (즉, 카본 블랙에 함유된 IA족 및/또는 IIA족 원소의 총 농도)이 최대 y + (15*I2 값) (여기서 y는 250, 100, -50, -200 또는 -350일 수 있음)인 양으로 첨가될 수 있다. 특정 실시양태에서, 물질은 IA족 원소를 도입할 수 있고; 예를 들어, 물질은 칼륨 또는 칼륨 이온을 도입할 수 있다. 물질은 임의의 통상적인 수단을 비롯한 임의의 방식으로 첨가될 수 있다. 즉, 물질은 카본 블랙 산출 공급원료가 도입되는 방식과 동일한 방식으로 첨가될 수 있다. 물질은 기체, 액체 또는 고체 또는 임의의 이들의 조합물로서 첨가될 수 있다. 물질은 하나의 지점 또는 여러 지점에서 첨가될 수 있고 단일 스트림 또는 다수의 스트림으로 첨가될 수 있다. 물질은 이들의 도입 이전 및/또는 동안 공급원료, 연료 및/또는 산화제와 혼합될 수 있다.
특정 실시양태에서, 하나 이상의 IA족 또는 IIA족 원소를 함유하는 물질은 염 용액을 공급원료에 혼입함으로써 공급원료에 도입된다. 특정 바람직한 실시양태에서, 염 용액은 모든 알칼리 금속 및/또는 알칼리성 금속 이온의 농도가 약 0 내지 약 1 중량％가 되도록 공급원료와 혼합된다. 연소 시, 금속 이온은 카본 블랙에 혼입될 수 있다.
카본 블랙-산출 공급원료 및 고온 연소 기체의 혼합물은 하류로 영역 (12)를 통해 영역 (18)로, 이후 영역 (19)로 흐른다. 지점 (62)에 위치하고, 물일 수 있는 켄칭 유체 (50)을 주입하는 켄치 (quench) (60)은 카본 블랙 형성시 화학 반응을 정지시키는데 사용된다. 지점 (62)는 열분해를 정지시키는 켄치의 위치를 선택하기 위해 당업계에 공지되어 있는 임의의 방식으로 결정될 수 있다. 열분해를 정지시키는 켄치의 위치를 결정하기 위한 하나의 방법은 카본 블랙에 대해 허용가능한 스펙트로닉 20 값에 이르는 지점을 결정하는 것에 의한다. Q는 영역 (18)의 시작 부분에서부터 켄치 지점 (62)까지의 거리이며, 켄치 (60)의 위치에 따라 변화할 것이다. 몇몇 실시양태에서, 추가의 금속, 및 켄칭 동안 카본 블랙에 첨가되는 기타 원소의 양을 최소화하기 위해, 역삼투수가 켄칭 유체로서 사용된다.
고온 연소 기체 및 카본 블랙-산출 공급원료의 혼합물이 켄칭된 후, 냉각된 기체는 하류로 임의의 통상적인 냉각 및 분리 수단을 거치게 되고, 그에 따라 카본 블랙이 회수된다. 기체 스트림으로부터의 카본 블랙의 분리는 침전제, 사이클론 분리기 또는 백 필터 (bag filter)와 같은 통상적인 수단에 의해 용이하게 수행된다. 이 분리에 뒤이어 예를 들어 습윤 펠렛성형기를 사용하는 펠렛화를 할 수 있다.
특정 실시양태에서, 카본 블랙은 유기기를 표면에 부착하여 개질되거나 산화되거나 열처리될 수 있다. 카본 블랙은 비활성 분위기에서 열처리되어 카본 블랙의 흑연 함량을 증가시킬 수 있다. 당업자는 열처리의 시간 및 온도를 조정하여 흑연화의 목적한 양을 달성할 수 있음을 인지할 것이다.
산화 카본 블랙은 표면에 극성, 이온성 및/또는 이온화가능 기를 도입하기 위해 산화제를 사용하여 산화된다. 이 방식으로 제조된 카본 블랙은 표면에 산소-함유기의 정도가 보다 높다는 것을 발견하였다. 산화제에는 산소 기체, 오존, (NO2 및 공기의 혼합물을 비롯한) NO2, 과산화물, 예컨대 과산화수소, 나트륨, 칼륨 또는 암모늄 과황산염을 비롯한 과황산염, 나트륨 히포클로라이트와 같은 히포할라이트, 할라이트, 할레이트 또는 퍼할레이트 (예컨대, 나트륨 클로라이트, 나트륨 클로레이트 또는 나트륨 퍼클로레이트), 질산과 같은 산화산 및 과망간산염, 오스뮴 테트라옥시드, 크롬 산화물 또는 세릭 암모늄 질산염과 같은 전이금속 함유 산화제가 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 산화제의 혼합물, 특히 산소 및 오존과 같은 기체상 산화제의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 또한, 카본 블랙은 이온성 또는 이온화가능 기를 안료 표면에 도입하는 기타 표면 개질 방법, 예컨대 염소화 및 술포닐화를 사용하여 제조한 카본 블랙을 또한 사용할 수 있다.
개질된 카본 블랙은 유기 화학기를 카본 블랙에 부착하는 당업자에게 공지되어 있는 임의의 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 개질된 카본 블랙은 그 기재 내용이 본원에 참조로서 완전히 인용되는 미국 특허 제5,554,739호, 제5,707,432호, 제5,837,045호, 제5,851,280호, 제5,885,335호, 제5,895,522호, 제5,900,029호, 제5,922,118호 및 제6,042,643호 및 PCT 공개 제WO 99/23174호에 기재된 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 방법은 예를 들어, 중합체 및/또는 계면활성제를 사용하는 분산제 유형 방법과 비교하여 더 안정한 카본 블랙 상에의 기의 부착을 제공한다. 개질된 카본 블랙을 제조하기 위한 기타 방법에는 예를 들어, 본원에 참조로서 그 전체가 인용되는 미국 특허 제6,723,783호에 기재된 바와 같은, 이용가능한 관능기를 갖는 카본 블랙을 유기기를 포함하는 시약과 반응시키는 것이 포함된다. 이러한 관능성 카본 블랙은 상기 인용된 참조문헌에 기재된 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 또한 부착된 관능기를 함유하는 개질된 카본 블랙은 또한 본원에 참조로서 그 전체가 또한 인용되는 미국 특허 제6,831,194호 및 제6,660,075호, 미국 특허 공개 제2003-0101901호 및 제2001-0036994호, 캐나다 특허 제2,351,162호, 유럽 특허 제1 394 221호 및 PCT 공개 제WO 04/63289호 뿐만 아니라, 문헌 [N. Tsubokawa, Polym. Sci. , 17, 417, 1992]에 기재된 방법에 의해 제조될 수 있다.
노에서, 연소기 천연 가스 속도, 공급원료 속도, 금속 염 농도 및 보조 탄화수소 속도 및 위치를 동시에 조정함으로써 카본 블랙의 특정 요오드 값 및 DBP를 조절하여 원하는 특성을 달성할 수 있다. 요오드 값은 연소기 천연 가스 속도를 증가시킴으로써, 공급원료 속도를 증가시킴으로써, 금속 염 농도를 증가시킴으로써 및/또는 보조 탄화수소 속도를 감소시킴으로써 증가될 수 있다. DBP는 연소기 천연 가스 속도를 증가시킴으로써, 공급원료 속도를 (기타 요인에 따라) 증가시키거나 감소시킴으로써, 금속 염 농도를 감소시킴으로써 및/또는 보조 탄화수소 속도를 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 예를 들어 반응기 중 총 탄소 함량의 8％ 또는 10％ 초과로 제공되도록, 보조 탄화수소가 증가하는 경우, 반응기 중 공급원료의 양을 감소시켜 생성된 카본 블랙의 표면적을 유지하거나 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 이들 조건 하에, 저구조는 또한 알칼리 또는 알칼리 토류 물질의 보다 낮은 양으로 달성될 수 있다. 본원에 논의되는 변수는 또한 착색도, WSP, pH, M-비 및 잔류 금속 함량과 같은 카본 블랙의 기타 특성에 영향을 준다. 목적하는 특성을 갖는 카본 블랙을 생성하기 위해 요구되는 각각의 변수의 정확한 수준은 반응기의 형태 및 반응기에 각각의 종을 주입하는 방법에 따라 좌우된다. 예는 하기에 보다 상세히 기재된다.
본 발명자들은 놀랍게도 감소된 주입 오리피스 직경, 증가된 공급 속도, 및 공급원료 중 알칼리 및/또는 알칼리 토류 원소의 특정 농도와 카본 블랙 산출 공급원료와 동일한 축 평판에서의 보조 기체의 주입 뿐만 아니라, 다양한 연소 영역의 특정 직경 및 길이를 비롯한, 보조 기체를 도입하는 특정 조건이 저구조 및 높은 표면적 모두를 갖는 카본 블랙을 생산할 수 있게 한다는 것을 발견하였다. 또한, 카본 블랙은 중간 또는 높은 표면적의 블랙에 대해 이전에 달성할 수 있었던 구조, 예를 들어 30 내지 200 m2/g 또는 70 내지 200 m2/g보다 훨씬 낮은, 예를 들어 20 cc/100g 내지 40 cc/100g 또는 50 cc/100g의 구조이다. 카본 블랙 중의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 양은 중간 내지 높은 표면적을 갖는 보다 낮은 구조의 카본 블랙에 대해 통상적으로 발견되는 것보다 낮다. 생성된 카본 블랙은 분산을 용이하게 하고 카본 블랙이 혼입되는 매질의 점도를 감소시키는 낮은 DBP를 가져, 카본 블랙으로부터 제조되는 장치에서 광학 밀도를 감소시킬 수 있는 표면적의 감소 없이 생산을 용이하게 한다. 또한, 알칼리 및 알칼리 토류 물질의 낮은 수준은 낮은 DBP의 블랙이 저항률의 희생없이 전기 응용에 사용될 수 있게 한다. 이들 카본 블랙에 의해 나타나는 증가된 착색도는 목적하는 광학 밀도를 달성하기 위해 담체 중에 사용되어야 하는 카본 블랙의 양을 감소시킨다.
본 발명자들은 놀랍게도 1.25 미만의 M-비를 갖는 카본 블랙의 사용은 상기 카본 블랙이 혼입된 물질의 광학 밀도를 동일한 구조 및 표면적을 가지나 보다 높은 M-비를 갖는 카본 블랙에 비하여 증가시킨다는 것을 발견하였다. 이는 보다 적은 양의 카본 블랙을 사용하여 소정의 광학 밀도를 얻을 수 있어, 이러한 물질을 제조하는데 사용되는 카본 블랙 함유 밀베이스 및 기타 유체 매질의 점도를 감소시킬수 있다.
산성 pH보다는 중성 pH 또는 약염기성의 pH인 카본 블랙은 특정 중합체, 및 코팅, 잉크, 토너 및 기타 매질을 제조하는데 사용될 수 있는 기타 물질과 보다 상용성일 수 있으며, 이는 이들 용도를 위해 카본 블랙과 배합될 수 있는 조성물의 범위를 확장시킨다. 또한, 이러한 카본 블랙은 산성 카본 블랙과 비교하여 블랙 매트릭스의 제조에 통상적으로 사용되는 알칼리성 현상제와 다르게 상호작용할 것이며 레지스트, 블랙 매트릭스, 및 알칼리성 현상제를 사용하는 기타 코팅의 현상 특성을 개선시킬 수 있다.
보다 낮은 WSP는 유사한 표면적 또는 구조를 가지나 종래 기술의 방법으로 제조된 카본 블랙보다 소수성인 이들 카본 블랙에 의해 나타난다. 수확장압이 낮은 카본 블랙, 예를 들어 상기 기재된 범위의 카본 블랙은 특정 중합체, 및 코팅, 잉크, 토너 및 기타 물질을 제조하는데 사용될 수 있는 기타 물질과 보다 상용성일 수 있으며, 이는 이들 용도를 위한 카본 블랙과 배합될 수 있는 조성물의 범위를 확장시킨다. 또한, 이러한 카본 블랙은 보다 친수성인 카본 블랙과 비교하여 블랙 매트릭스의 제조에 통상적으로 사용되는 알칼리성 현상제와 다르게 상호작용할 것이며 레지스트, 블랙 매트릭스, 및 알칼리성 현상제를 사용하는 기타 코팅의 현상 특성을 개선시킬 것이다.
분산물, 코팅, 및 카본 블랙을 포함하는 장치의 성능은 다양한 요인에 따라 좌우될 것이다. 본 발명자들은 낮은 수준의 구조, 예를 들어 20 cc/100g 내지 40 cc/100g 또는 50 cc/100g의 DBP를 갖는 하나 이상의 카본 블랙 및 수지를 포함하는 분산물을 뉴토니안 유동을 유지하면서 카본 블랙의 보다 높은 적재로 제조할 수 있다는 것을 발견하였다. 또한, 이러한 분산물은 동일한 수지, 및 동일하거나 유사한 표면적을 갖는 보다 높은 구조의 카본 블랙을 포함하는 코팅과 비교하여 개선된 전자 및 광학 특성을 나타내는 코팅을 제조하는 데 사용할 수 있다.
카본 블랙 적재를 증가시키는 능력은 토너, 잉크, 블랙 매트릭스, 포토레지스트 및 이들 및 다른 제품을 제조하기 위한 밀베이스와 같은 물질에 다른 이점을 제공한다. 카본 블랙의 농도가 증가하였을 때, 경화성, 현상성 (developability), 패턴화능 (patternability) 및 유리에 대한 접착성이 영향을 받는다. 많은 경우에, 이들 특성 중 하나가 코팅 중에서 허용가능한 카본 블랙의 보다 높은 농도를 제한하여, 달성 가능한 필름의 광학 밀도에 대한 상한을 제한한다. 본 발명의 특정 실시양태에 따른 저구조 카본 블랙을 사용할 경우, 높은 저항률 및 필름 평활도를 유지하면서 카본 블랙의 보다 높은 적재를 갖는 필름을 제조할 수 있다.
하기 시험 절차는 카본 블랙의 분석적 및 물리적 특성을 평가하는데 사용한다. 카본 블랙의 요오드 흡착 값 (I2 값)은 ASTM 시험 절차 (Test Procedure) D-1510-08에 따라 측정한다. 카본 블랙의 착색력 (착색도)은 ASTM 시험 절차 D3265-07에 따라 측정한다. 카본 블랙의 DBP (디부틸 프탈레이트 값)은 ASTM D2414-08에 설명된 절차에 따라 측정한다. 질소 표면적 및 STSA 표면적은 ASTM D6556-07에 따라 측정한다. 재 (ash) 함량은 ASTM D 1506-99에 따라 측정한다. pH는 물 중에 알고 있는 양의 카본 블랙을 분산시키고 수성 상의 pH는 pH 탐침을 사용하여 측정함 (ASTM D1512-05)으로써 측정한다. 스펙트로닉 20은 ASTM D1618-99에 따라 측정한다. Na 및 K 함량은 유도 결합 플라즈마 (ICP) 분석을 통해 측정한다.
중간 및 모드 스토크 직경은 도 2에 나타내고 미국 특허 제5,456,750호에 기재된 바와 같이, 카본 블랙 응집체의 스토크 직경에 대한 카본 블랙의 중량 분율의 히스토그램으로부터 측정한다. 간단히 말하면, 히스토그램을 작성하는데 사용되는 데이터는 조이스 로블사 (Joyce Loebl Co. Ltd., 영국 타인위어 소재) 제조의 디스크 원심분리기를 사용하여 측정한다.
하기 절차는 1985년 2월 1일에 출판된 조이 로블 디스크 원심분리기 파일 참조 DCF 4.008의 사용 설명서 (교시 내용은 본원에 참조로서 인용됨)에 기재된 절차를 변형한 것으로, 데이터를 측정하는데 사용한다. 카본 블랙 샘플 10 mg (밀리그램)을 칭량 용기에서 칭량하고, 이어서 10％ 무수 에탄올 및 90％ 증류수의 용액 50 cc에 첨가하여 0.05％ NONIDET P-40 계면활성제 (NONIDET P-40은 쉘 케미칼사 (Shell Chemical Co.)에 의해 제조되고 시판되는 계면활성제의 등록 상표임)를 생성한다. 생성된 현탁액은 히트 시스템스 울트라소닉 인크 (Heat Systems Ultrasonics Inc., 미국 뉴욕주 파밍데일 소재)에 의해 제조되고 시판되는 소니파이어 (Sonifier) 모델 W 385를 사용하여 15분 동안 초음파 에너지로 분산한다.
디스크 원심분리기를 작동하기 전에 하기 데이터를 디스크 원심분리기로부터의 데이터를 기록하는 컴퓨터에 입력한다.
1. 카본 블랙의 비중, 1.86 g/cc으로 측정됨;
2. 물 및 에탄올의 용액 중에 분산된 카본 블랙의 용액의 부피, 이 경우에 0.5 cc임;
3. 스핀 유체의 부피, 이 경우에 물 10 cc임;
4. 스핀 유체의 점도, 이 경우에 23℃에서 0.933 cp임;
5. 스핀 유체 밀도, 이 경우에 23℃에서 0.9975 g/cc임;
6. 디스크 속도, 이 경우에 8000 rpm임;
7. 데이터 샘플링 간격, 이 경우에 1초임. 디스크 원심분리기는 스트로보스코프 (stroboscope)를 작동시키면서 8000 rpm에서 작동시킨다. 증류수 10 cc를 스핀 유체로서 스피닝 디스크에 주입한다. 혼탁도 수준을 0으로 설정하고, 10％ 무수 에탄올 및 90％ 증류수의 용액 1 cc를 완충 액체로서 주입한다. 이후 스핀 유체와 완충 액체 사이의 완만한 농도 구배를 얻기 위해 디스크 원심분리기의 중지 및 상승 버튼를 작동시키고 구배를 시각적으로 모니터한다. 두 유체 사이에 구별할 수 있는 경계가 없는 완만한 구배가 형성된 경우, 수성 에탄올 용액 중에 분산된 카본 블랙 0.5 cc를 스피닝 디스크에 주입하고 데이터 수집을 즉시 시작한다. 스트리밍 (streaming)이 발생하는 경우 작동을 중지한다. 수성 에탄올 용액 중에 분산된 카본 블랙을 주입한 다음 디스크를 20분 동안 회전시킨다. 20분 동안 회전한 다음, 디스크를 정지시키고, 스핀 유체의 온도를 측정하고, 작동 시작시에 측정한 스핀 유체의 온도와 작동 종결시에 측정한 스핀 유체의 온도의 평균을 디스크 원심분리기로부터 데이터를 기록하는 컴퓨터에 입력한다. 데이터를 표준 스토크 식 (standard Stokes equation)에 따라 분석하고 하기 정의를 사용하여 나타낸다.
카본 블랙 응집체 - 최소의 분산가능한 단위인 불연속적이고 단단한 콜로이드 물질; 이는 광범위하게 유착된 입자로 구성된다.
스토크 직경 - 스토크 식에 따른 원심 또는 중력장에서 점성 매질 중에서 침전하는 구의 직경. 카본 블랙 응집체와 같은 비-구형 물질도 또한 밀도 및 침전 속도가 상기 물질과 동일한 매끈하고 단단한 구와 같이 거동하는 것으로 간주되는 경우에 스토크 직경으로 표현될 수 있다. 통상적인 단위는 나노미터 직경으로 표현된다.
모드 (기록 목적을 위한 D모드) - 스토크 직경에 대한 분포 곡선의 피크의 지점 (본원의 도 2의 지점 A)에서의 스토크 직경.
중간 스토크 직경 - (기록 목적을 위한 Dst) 샘플의 50 중량％가 보다 크거나 보다 작은 스토크 직경의 분포 곡선 상의 지점. 따라서 이는 측정의 중간 값으로 나타낸다.
수확장압은 샘플이 조절된 대기로부터 물을 흡착할 때 샘플의 질량 증가를 관찰함으로써 측정한다. 시험에서, 샘플 주변 대기의 상대 습도 (RH)는 0％ (순수한 질소)에서 약 100％ (물-포화 질소)로 증가한다. 샘플 및 대기가 항상 평형을 이루는 경우, 샘플의 수확장압 (πe)은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112009071683413-pct00001
상기 식에서 R은 기체 상수, T는 온도, A는 샘플의 질소 표면적, Γ는 샘플 상에 흡착된 물의 양 (mol/gm로 전환됨), P는 대기 중 물의 분압, Po는 대기 중 포화 증기압이다. 실제로, 표면 상의 물의 평형 흡착은 하나 또는 (바람직하게는) 수개의 별개의 분압에서 측정되고 적분을 곡선 아래 쪽의 영역에 의해 추정한다.
하기 절차를 수확장압을 측정하는데 사용할 수 있다. 분석 전, 분석할 카본 블랙 100 mg을 125℃ 오븐에서 30분 동안 건조시킨다. 표면 측정 시스템 (Surface Measurement Systems) DVS1 기기 (SMS 인스트루먼츠 (SMS Instruments, 미국 캘리포니아주 모나크 비치 소재)에 의해 제공됨) 내의 인큐베이터를 25℃에서 2시간 동안 안정화시킨 후, 샘플 컵을 샘플 및 대조 챔버 모두에 둔다. 컵을 건조시키고 안정한 질량 기준을 설정하기 위해 목적 RH를 10분 동안 0％로 설정한다. 저울을 안정된 상태로 두고 용기 중량을 잰 후, 카본 블랙 약 8 mg을 샘플 챔버 내의 컵에 첨가한다. 샘플 챔버를 밀봉한 후, 샘플이 0％ RH에서 평형이 되도록 한다. 평형 후, 샘플의 초기 질량을 기록한다. 이어서 시스템이 각각의 RH 수준에서 20분 동안 평형이 되도록 하면서, 질소 공기의 상대 습도를 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 78, 87 및 92％ RH의 수준으로 순차적으로 증가시킨다. 각각의 습도 수준에서 흡착된 물의 질량을 기록하고, 그로부터 상기 식을 이용해 수확장압을 계산한다.
본 발명은 본질적으로 단지 예시를 의도한 하기 실시예에 의해 보다 명백해 질 것이다.
실시예 1
카본 블랙을 표 2에 기재된 반응기 조건 및 치수를 사용하여, 상기 기재하고 도 1에 나타낸 바와 같은 반응기에서 제조하였다 (실시예 C1은 비교 실시예임). 천연 가스를 연소 반응을 위한 연료 및 보조 탄화수소 모두로서 사용하였다. 칼륨 아세테이트의 수용액을 알칼리 금속-함유 물질로서 사용하였고, 반응기에 주입하기 전에 공급원료와 혼합하였다. 반응을 역삼투에 의해 정제된 물로 켄칭시켰다. 액체 공급원료의 특성을 하기 표 1에 기재하였다.
Figure 112009071683413-pct00002
Figure 112009071683413-pct00003
카본 블랙의 특성화
실시예 1에서 제조된 카본 블랙의 다양한 특성을 본원 다른 곳에 기재된 바와 같이 측정하였다. 나타낸 pH 값은, 물 30 mL 중에 물질 3 g을 분산시키고, 15분 동안 비등하고, 실온으로 냉각시키고, 수성 상의 pH를 pH 탐침으로 측정함 (ASTM D 1512-05)으로써 측정하였다. Na 및 K 함량은 유도 결합 플라즈마 (ICP) 분석을 통해 측정하였다. 하기 표 3에 나타나 있는 바와 같이, 카본 블랙은 저구조, 고순도 (낮은 추출물 및 낮은 [K+]), 중성 내지 약염기성 pH 및 낮은 WSP (예를 들어, 카본 블랙은 소수성임)를 나타내었다.
Figure 112009071683413-pct00004
점도
실시예 A 및 하기 표 4에 열거된 특성을 갖는 상업적으로 입수가능한 카본 블랙 (비교 실시예 C2)을 사용하여 PGMEA 중에서 카본 블랙 10 내지 50 wt％로 밀베이스를 제조하였다. 밀베이스는 또한 분산제 (솔스펄스 32500)를 포함하였다. 분산제 및 카본 블랙의 비를 0.2로 고정시켰다. 성분들을 스칸덱스 랩 진탕기를 사용하여 4시간 동안 분쇄하였다. 밀베이스 중 안료의 부피 평균 입자 크기를 측정하였고 기재 카본 블랙의 응집체 크기와 필적함을 발견하였다. 솔스펄스 (Solsperse) 32500는 노베온 (Noveon)으로부터 상업적으로 입수가능한 중합체 분산제이고, PGMEA는 시그마-알드리치 (Sigma-Aldrich)로부터 입수가능한 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트이다.
Figure 112009071683413-pct00005
큐벳 모형 (cuvette geometry) 및 AR-G2 (티에이 인스트루먼츠 (TA Instruments)) 유량계를 사용하여 밀베이스 제형물에 대한 점도를 측정하였다.
밀베이스 분산액은 뉴토니안 유체이었다. 50％ 적재에서, 카본 블랙 C2와의 분산액은 비-뉴토니안 거동을 나타내었으며, 반면 카본 블랙 A와의 분산액은 시험한 모든 범위의 카본 블랙 농도에서 뉴토니안이었다. 낮은 DBP의 카본 블랙의 중요한 이점은, 특히 보다 높은 카본 블랙 적재에서, 점도가 상당히 낮다는 것이며 (도 3 참조), 이는 (예를 들어, 스핀 코팅에 의한) 공정 및 필름 특성 (예를 들어, 보다 낮은 점도 코팅의 보다 양호한 평탄화로 인한 필름 평활도)에 유리하다.
본 발명의 바람직한 실시양태의 상기 기재는 예시 및 설명의 목적으로만 제시된 것이다. 이는 본 발명을 개시된 명확한 형태로 제한하거나 전적인 것을 의도한 것이 아니다. 변형 및 변화가 상기 교시를 비추어 가능하거나 본 발명의 실시로부터 달성될 수 있다. 본 발명의 원리 및 그의 실질적 응용을 설명하여 당업자가 본 발명을 다양한 실시양태로 그리고 숙고된 특정 용도에 알맞은 다양한 변형으로 이용할 수 있도록, 실시양태를 선택하고 기재하였다. 본 발명의 범위를 첨부된 청구의 범위 및 이들의 등가 범위로 규정하고자 한다.

Claims (21)

  1. I2 값이 30 mg/g 내지 200 mg/g이고, M-비가 1 내지 1.25 미만이고, 디부틸 프탈레이트 흡수(DBP)가 20 cc/100g 내지 40 cc/100g이고, 1g 카본 블랙 당 μg 단위의 IA족 및 IIA족 원소의 총 농도가 최대 y + (15*I2 값) (여기서 y는 250임)인 카본 블랙.
  2. 제1항에 있어서, 6 내지 10의 pH, 최대 6 mJ/m2의 수확장압 (water spreading pressure), 또는 수학식 착색도 = x + 0.44*I2 값 (여기서, x는 45 내지 90임)을 따르는 착색도 중 하나 이상을 특징으로 하는 카본 블랙.
  3. 제1항에 있어서, 산화 카본 블랙, 열 처리 카본 블랙 또는 부착된 유기기를 포함하는 개질 카본 블랙인 카본 블랙.
  4. I2 값이 30 mg/g 내지 200 mg/g이고, 디부틸 프탈레이트 흡수(DBP)가 20 cc/100g 내지 40 cc/100g이고, M-비가 1 내지 1.25 미만인 카본 블랙.
  5. 제4항에 있어서, 6 내지 10의 pH, 최대 y + (15*I2 값) (여기서 y는 250임)인 μg/g 단위의 IA족 및 IIA족 원소의 총 농도, 최대 6 mJ/m2의 수확장압, 또는 수 학식 착색도 = x + 0.44*I2 값 (여기서, x는 45 내지 90임)을 따르는 착색도 중 하나 이상을 특징으로 하는 카본 블랙.
  6. 제4항에 있어서, 산화 카본 블랙, 열 처리 카본 블랙 또는 부착된 유기기를 포함하는 개질 카본 블랙인 카본 블랙.
  7. I2 값이 30 mg/g 내지 200 mg/g이고, 디부틸 프탈레이트 흡수(DBP)가 20 cc/100g 내지 40 cc/100g이고, 수확장압이 최대 6 mJ/m2이고, M-비가 1 내지 1.25 미만인 카본 블랙.
  8. 제7항에 있어서, 6 내지 10의 pH, 최대 y + (15*I2 값) (여기서 y는 250임)인 μg/g 단위의 IA족 및 IIA족 원소의 총 농도, 또는 수학식 착색도 = x + 0.44*I2 값 (여기서, x는 45 내지 90임)을 따르는 착색도 중 하나 이상을 특징으로 하는 카본 블랙.
  9. 제7항에 있어서, 산화 카본 블랙, 열 처리 카본 블랙 또는 부착된 유기기를 포함하는 개질 카본 블랙인 카본 블랙.
  10. I2 값이 70 mg/g 내지 200 mg/g이고, 디부틸 프탈레이트 흡수(DBP)가 20 cc/100g 내지 50 cc/100g이고, 수확장압이 최대 6 mJ/m2인 카본 블랙.
  11. 제10항에 있어서, 1 내지 1.25 미만의 M-비, 6 내지 10의 pH, 최대 y + (15*I2 값) (여기서 y는 250임)인 μg/g 단위의 IA족 및 IIA족 원소의 총 농도, 또는 수학식 착색도 = x + 0.44*I2 값 (여기서, x는 45 내지 90임)을 따르는 착색도 중 하나 이상을 특징으로 하는 카본 블랙.
  12. 제10항에 있어서, 산화 카본 블랙, 열 처리 카본 블랙 또는 부착된 유기기를 포함하는 개질 카본 블랙인 카본 블랙.
  13. 예열된 공기 스트림을 연료와 반응시켜 연소 기체의 스트림을 형성하는 단계;
    축 평면의 지점에서 공급원료를 연소 기체의 스트림에 도입하여 유출물을 형성하고 유출물 중 공급원료의 열분해를 시작하는 단계;
    축 평면의 지점에서 보조 탄화수소를 연소 기체의 스트림에 도입하는 단계 (여기서 공급원료 및 보조 탄화수소의 주입 지점은 축 평면에서 교호함);
    하나 이상의 IA족 또는 IIA족 원소 또는 이들의 조합을 함유하는 하나 이상의 물질을 연소 기체의 스트림에 추가로 도입하는 단계; 및
    역삼투 처리한 물을 사용하여 열분해를 정지시키는 단계를 포함하며, 카본 블랙 생성물 중 IA족 및 IIA족 원소의 총 농도 (1g 카본 블랙 당 μg 단위)가 최대 y + (15*I2 값) (여기서 y는 250임)이고,
    I2 값이 30 mg/g 내지 200 mg/g이고, M-비가 1 내지 1.25 미만이고, 디부틸 프탈레이트 흡수(DBP)가 20 cc/100g 내지 40 cc/100g인 카본 블랙 생성물의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 전체 연소율이 26％ 이상인 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 축 평면의 지점의 수가 3인 방법.
  16. 제13항에 있어서, 보조 탄화수소가 탄화수소이고 보조 탄화수소의 탄소 함량이 반응기에 주입되는 모든 연료 스트림의 총 탄소 함량의 최대 20 중량％의 양으로 주입되는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 보조 탄화수소가 기체 형태인 방법.
  18. 제13항에 있어서, 6 내지 10의 pH; 최대 6 mJ/m2의 수확장압; 또는 수학식 착색도 = x + 0.44*I2 값 (여기서, x는 45 내지 90임)을 따르는 착색도 중 하나 이상을 특징으로 하는 방법.
  19. 제13항에 있어서, 카본 블랙의 표면 화학 또는 미세구조를 변형시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 유기기를 부착하여 카본 블랙을 개질하는 단계, 카본 블랙을 산화시키는 단계 또는 카본 블랙을 열처리하는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 카본 블랙과 배합된 중합체를 포함하는 토너.
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