KR19980703479A - 카본블랙 및 카본블랙을 포함하는 조성물 - Google Patents

카본블랙 및 카본블랙을 포함하는 조성물

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KR19980703479A
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Abstract

본 발명은 요오드 흡수 수치(I2No.)가 50 - 112 mg/g이고, ASTM 시험법 D 3849-89의 방법에 따라 측정된 제1 입경(이후, 제1 입경이라 칭함)이 25 nm 이하인 것을 특징으로 하는 신규한 종의 카본블랙에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 임의의 카본블랙은 CDBP(분쇄된 카본블랙의 디부틸 흡수도)가 DBP 102 cm3/ 카본블랙 100 g (cc/100g) 이하인 것을 추가의 특징으로 한다. 본 발명은 I2No.가 65-95 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 신규한 카본블랙을 제공한다. 또한, I2No.가 100-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙을 개시 및 청구한다. 또한, 본 발명은 I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDPB가 102 cm2/카본블랙 100g(cc/100 g) 이하인 신규한 카본블랙을 제공한다. 또한, I2No.가 50-70 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하인 카본블랙을 개시 및 청구한다. 또한, 본 발명은 I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDPB가 96 cc/100 g이하인 카본블랙을 제공한다. 본 발명의 카본 블랙은 카본블랙은 중합체 조성물의 제조에 사용하기에 특히 적합하다. 또한, 신규한 카본 블랙을 포함하는 중합체 조성물이 개시 및 청구된다.

Description

카본블랙 및 카본블랙을 포함하는 조성물
카본블랙은 일반적으로 퍼니스(furnace)형 반응기에서 고온의 연소 가스로 탄화수소 공급 원료를 열분해시킴으로써 미립자형 카본블랙을 포함하는 연소 생성물을 형성시켜 제조된다.
카본블랙은 중합체 조성물에서 안료, 충전제 및(또는) 강화제로 이용될 수 있다. 여기서 중합체란 천연 고무, 합성 고무, 엘라스토머, 플라스토머 및(또는) 그의 블렌드 또는 혼합물을 의미한다.
또한, 카본블랙은 중합체 조성물에 전기 전도성 및 자외선 (UV)에 의한 분해에 대한 보호능을 부여하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 카본블랙은 UV 복사선에 노출되는 경우 중합체 조성물의 분해를 최소화시키는데 널리 사용된다. 이같은 UV 복사선은 태양 광선의 일 성분으로 존재한다. 일반적으로, UV에 의한 분해에 대한 보호능의 정도는 작은 입경, 예를 들면, 입경이 25 nm 이하의 입경을 갖는 카본블랙을 사용하여 향상되는 것으로 알려져있다. 일반적으로, 입경이 20 nm 이하인 카본블랙을 사용하는 경우 추가의 이점이 나타나는 것으로 알려져 있다.
카본블랙은 각종의 혼합법에 의해 중합체 조성물에 혼입된다. UV 보호능에 관련하여 만족스러운 특성을 갖는 카본블랙에 있어서, 일반적으로 가능한한 낮은 점도를 제공하여 카본블랙 중합체 조성 혼합물의 가공성을 향상시키는 카본블랙을 사용하는 것이 바람직하다. 이같은 적용에서 사용되는 카본블랙의 다른 바람직한 특성은 카본블랙 중합체 조성 혼합물 중의 카본블랙의 상대적인 함량을 실용적인 정도로 최대화시킬 수 있다는 점이다. 가소성 조성물의 수분 흡수도를 최소화시키기 위해, 혼합 수분 흡수도(CMA : Compound Moisture Absorption)가 가능한 한 낮은 카본블랙을 사용하는 것이 바람직하다. CMA는 대상이 되는 중합체 조성물에 카본블랙을 혼합시킨 후의 카본블랙의 수분 흡수도를 나타내는 지표이다.
따라서, 카본블랙이 포함된 중합체 조성물에 향상된 점도 또는 가공 특성을 부여하는 신규한 카본블랙을 제조하는 이점이 있다.
또한, 카본블랙이 포함된 중합체 조성물에 보다 낮은 혼합 수분 흡수도를 부여하는 신규한 카본블랙을 제조하는 이점이 있다.
또한, 향상된 점도 및(또는) 가공 특성, 및 보다 낮은 혼합 수분 흡수도를 갖는 신규한 중합체 조성물을 얻는 이점이 있다.
상기 및 다른 이점은 본 발명의 카본블랙 및 중합체 조성물을 사용하여 달성된다.
발명의 요약
본 발명은, 요오드 흡수 수치(I2No.)가 50 - 112 mg/g이고, ASTM 시험법 D 3849-89의 방법에 따라 측정된 제1 입경(이후, 제1 입경이라 칭함)이 25 nm 이하인 것을 특징으로 하는 신규한 종류의 카본블랙을 제공한다. 또한, 본 발명의 임의의 카본블랙은 ASTM 시험법 D 3493-86의 방법에 따라 측정된 CDBP(분쇄된 카본블랙의 디부틸 흡수도)가 DBP 102 cm3/ 카본블랙 100 g (cc/100g) 이하인 것을 추가의 특징으로 한다.
특히, 본 발명은 I2No.가 65-95 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 신규한 카본블랙을 제공한다. 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 73-94 mg/g 이고 및(또는), 제1 입경이 19 nm 이하이다. 더욱 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 85-93 mg/g이고 및(또는), 제1 입경이 19 nm 이하이다.
또한, 본 발명은 I2No.가 100-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 신규한 카본블랙을 제공한다. 바람직하게는, 카본블랙은 제1 입경이 19 nm이하이다.
또한, 본 발명은 I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDPB가 102 cc/100 g 이하인 신규한 카본블랙을 제공한다. 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이고 및(또는), CDPB가 70-100 cc/100 g이다. 더욱 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이고 및(또는), CDPB가 80-95 cc/100 g이다.
또한, 본 발명은 I2No.가 50-70 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하인 신규한 카본블랙을 제공한다. 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 55-65 mg/g이고 및(또는), 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이다.
또한, 본 발명은 I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDPB가 96 cc/100 g인 신규한 카본블랙을 제공한다. 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 55-80 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이고 및(또는), CDPB가 50-96 cc/100 g이다. 더욱 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 60-78 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이고 및(또는), CDPB가 50-96 cc/100 g이다.
또한, 본 발명은 본 발명의 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물을 제공한다. 여기에서, 중합체란 임의의 천연 고무, 합성 고무, 엘라스토머, 플라스토머 및(또는) 그의 블렌드 또는 혼합물을 광범위하게 의미한다.
본 발명의 카본블랙은 당업계에 공지된 임의의 방법에 의해 제조될 수 있다. 바람직하게는 본 발명의 카본블랙은 제1 (연소) 대역, 전이 대역 및 반응 대역으로 이루어진 노형 카본블랙 반응기에서, 카본블랙 공급 원료를 고온 연소 가스 스트림 내로 주입하고, 수득된 고온 연소 가스 및 공급 원료의 혼합물을 반응 대역내로 통과시키고, 본 발명의 카본블랙이 형성되면 혼합물을 켄치(quench)시켜 카본블랙 공급 원료의 열분해를 중단시킴으로써 제조되고, 이 때 제1 연소 정도는 300% 이상, 바람직하게는 550% 이상, 더욱 바람직하게는 650-1200%이다. 본 발명의 카본블랙을 제조하기 위한 방법에서의 총 연소 정도는 22% 이상, 바람직하는 22% 내지 35%, 더욱 바람직하게는 25% 내지 28%이다. 또한, 본 발명의 카본블랙을 제조하기 위한 방법에서 카본 블랙 형성 반응의 체류 시간은 0.55초 내지 9.9초, 더욱 바람직하게는 1.06초 내지 8.01초인 것이 바람직하다. 본 발명의 신규한 카본블랙의 제조 방법을 하기에 더욱 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 중합체 조성물로는 천연 고무, 합성 고무, 엘라스토머, 플라스토머 및(또는) 이의 블렌드 또는 혼합물이 있다. 본 발명의 중합체 조성물에서 사용되는 카본블랙의 양은 중합체 조성물의 의도된 최종 목적에 필요한 결과를 얻기에 효과적인 임의의 양이며, 이는 당업계 숙련자에게 공지되어 있고 통상적인 양이다. 일반적으로, 중합체의 각 100 중량부 당 0.5 내지 300 중량부의 카본블랙 생성물이 사용될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 중합체 100 중량부 당 0.5 내지 100 중량부, 특히 바람직하게는 0.5 내지 80 중량부의 카본블랙이 사용된다.
본 발명을 사용하기에 적합한 중합체 중에는, 천연 고무, 폴리이소프렌 및 폴리부탄디엔과 같은 합성 고무, 염화 고무와 같은 그의 유도체, 19부의 스티렌 및 81부의 부타디엔의 공중합체, 19부의 스티렌 및 81부의 부타디엔의 공중합체, 30부의 스티렌 및 70부의 부타디엔부의 공중합체, 43부의 스티렌 및 57부의 부타디엔의 공중합체, 및 50부의 스티렌 및 50부의 부타디엔의 공중합체와 같은 약 10 내지 약 70 중량부의 스티렌 및 약 90 내지 약 30 중량부의 부타디엔의 공중합체, 폴리부티디엔, 폴리이소프렌, 폴리클로로프렌 등과 같은 공액된 디엔의 중합체 및 공중합체, 및 이들 공액된 디엔과 이와 공중합될 수 있는 에틸렌계 기 함유 단량체(예를 들면, 스티렌, 메틸 스티렌, 클로로스티렌, 아크릴로니트릴, 2-비닐-피리딘, 5-메틸-2-비닐피리딘, 5-에틸-2-비닐피리딘, 2-메틸-5-비닐피리딘, 알킬 치환된 아크릴레이트, 비닐 케톤, 메틸 이소프로페닐 케톤, 메틸 비닐 에테르, 알파메틸렌 카르복실산 그리고 아크릴산 및 디알킬아크릴산 아미드와 같은 그들의 에스테르 및 아미드)와의 공중합체가 있고, 또한 프로필렌, 부텐-1- 및 펜텐-1과 같은 다른 고급 알파 올레핀과 에틸렌의 공중합체가 사용하기에 적합하며, 에틸렌 함량이 20 내지 90 중량부인 에틸렌-프로필렌 공중합체 및 또한 디시클로펜타디엔, 1,4-헥사디엔 및 메틸렌 노르보넨과 같은 제3 단량체를 추가로 포함할 수 있는 에틸렌-프로필렌 공중합체가 특히 바람직하다. 바람직하게는, 에틸렌 함유 중합체는 에틸렌-프로필렌 공중합체 또는 에틸렌-프로필렌 삼중합체를 포함한다.
더욱 바람직하게는, 에틸렌 함유 중합체는 에틸렌 프로필렌 디엔(EPDM)을 포함한다. 또한, 0.5 내지 98 중량%의 에틸렌 단량체를 포함하는 에틸렌이 바람직하다.
추가의 바람직한 중합성 조성물로는, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀이 있다.
또한, 적합한 중합체로는,
a) 프로필렌 동종 중합체, 에틸렌 동종 중합체, 및 공단량체가 부텐, 헥센, 프로펜, 옥텐, 비닐 아세테이트, 아크릴산, 메타크릴산, 아크릴산의 C1-C8알킬 에스테르, 메타크릴산의 C1-C8알킬 에스테르, 말레산 무수물, 말레산 무수물의 반에스테르, 및 일산화탄소로부터 선택된 것인 에틸렌 공중합체 및 그라프트 중합체,
b) 천연 고무, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 랜덤 또는 블록 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리클로로프렌, 아크릴로니트릴 부타디엔, 에틸렌 프로필렌 공중합체 및 삼중합체, 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체(EPDM)로부터 선택된 엘라스토머,
c) 스티렌-, 부타디엔-스티렌 선형 및 방사형 중합체, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 및 스티렌 아크릴로니트릴(SAN)을 포함하는 동종 중합체 및 공중합체,
d) 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 아세탈을 포함하는 열가소성물질,
e) 폴리우레탄, 에폭시 및 폴리에스테르를 포함하는 열경화성 물질
이 있다.
본 발명의 카본블랙의 장점은 카본블랙이 혼입되는 중합체 조성물에 낮은 점도를 부여한다는 점이다.
본 발명의 카본블랙의 다른 장점은 카본블랙이 포함되는 중합체 조성물에 낮은 CMA(혼합 수분 흡수도)가 부여한다는 점이다.
본 발명의 카본블랙의 또 다른 장점은 중합체 조성물에 카본블랙이 높은 부가량으로 포함될 수 있다는 점이다.
본 발명의 중합체 조성물의 장점은 낮은 점도를 갖는다는 점이다.
본 발명의 중합체 조성물의 다른 장점은 낮은 CMA(혼합 수분 흡수도)를 갖는다는 점이다.
본 발명의 중합체 조성물의 또 다른 장점은 카본블랙을 높은 부가량으로 포함할 수 있다는 점이다.
본 발명의 다른 장점은 본 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명은 각종의 적용에 적합한, 특히 천연 고무, 합성 고무, 엘라스토머, 플라스토머 및(또는) 그의 블렌드 또는 혼합물에 적합한 신규하고 유용한 일 군의 카본블랙에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 카본블랙을 포함하는 신규하고 유용한 중합체 조성물(천연 고무, 합성 고무, 엘라스토머, 플라스토머, 및(또는) 그의 블렌드 또는 혼합물)에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 카본블랙을 제조하는데 사용될 수 있는 일 종의 퍼니스형 카본블랙 반응기의 부분 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 카본블랙을 제조하는데 사용될 수 있는 다른 종의 퍼니스형 카본블랙 반응기의 부분 횡단면도이다.
도 3은 주어진 시료에서 스토크(Stoke) 직경에 대한 카본블랙 시료 응집체의 중량비를 나타내는 표본 막대 그래프이다.
도 4는 실시예에 기재된, 본 발명의 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물의 용융 유동 지수에 대한 카본블랙의 부가 효과를 대조용 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물에 해당하는 데이터와 함께 도시하는 그래프이다.
도 5는 실시예에 기재된, 본 발명의 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물의 100 s-1의 전단율에서의 겉보기 점도에 대한 카본블랙의 부가 효과를 대조용 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물에 해당하는 데이터와 함께 도시하는 그래프이다.
본 발명은 카본블랙 및 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물을 제공한다.
일 측면에서, 본 발명은 I2No.가 65-95 mg/g, 바람직하게는 73-94 mg/g, 더욱 바람직하게는 85-93 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하, 더욱 바람직하게는 19 nm이하인 카본블랙을 제공한다. 더욱 상세하게는, 이들 카본블랙으로는 1a) I2No.가 65-95 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙, 2a) I2No.가 73-94 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙, 3a) I2No.가 85-93 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙, 4a) I2No.가 65-95 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하인 카본블랙, 5a) I2No.가 73-94 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하인 카본블랙, 6a) I2No.가 85-93 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하인 카본블랙이 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 I2No.가 100-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하, 더욱 바람직하게는 19 nm이하인 카본블랙을 제공한다. 더욱 상세하게는, 이들 카본블랙으로는 1b) I2No.가 100-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙, 및 2b) I2No.가 100-112 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하인 카본블랙이 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 I2No.가 65-112 mg/g, 바람직하게는 73-104 mg/g, 더욱 바람직하게는 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하, 바람직하게는 19 nm이하이며, CDBP이 102 cc/100g 이하, 바람직하게는 70-100 cc/100g, 더욱 바람직하게는 80-95 cc/100g인 카본블랙을 제공한다. 더욱 상세하게는, 이들 카본블랙으로는 1c) I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙, 2c) I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 70-100 cc/100g인 카본블랙, 3c) I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 80-95 cc/100g인 카본블랙, 4c) I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙, 5c) I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 70-100 cc/100g인 카본블랙, 6c) I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 80-95 cc/100g 이하인 카본블랙, 7c) I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙, 8c) I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 70-100 cc/100g 이하인 카본블랙, 9c) I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 80-95 cc/100g인 카본블랙, 10c) I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙, 11c) I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 70-100 cc/100g인 카본블랙, 12c) I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 80-95 cc/100g인 카본블랙, 13c) I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙, 14c) I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 70-100 cc/100g인 카본블랙, 15c) I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 80-95 cc/100g인 카본블랙, 16c) I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙, 17c) I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 70-100 cc/100g인 카본블랙, 및 18c) I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 80-95 cc/100g 이하인 카본블랙이 있다.
다른 측면으로는, 본 발명은 I2No.가 50-70 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하인 신규한 카본블랙을 제공한다. 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 55-65 mg/g이고(이거나), 제1 입경이 20 nm 내지 25 nm이다. 더욱 상세하게는, 이들 카본블랙으로는, 1d) I2No.가 50-70 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하인 카본블랙, 2d) I2No.가 50-70 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하인 카본블랙, 3d) I2No.가 55-65 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm이하인 카본블랙, 및 4d) I2No.가 55-65 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하인 카본블랙이 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP이 96 cc/100g이하인 신규한 카본블랙을 제공한다. 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 55-80 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이고 및(또는), CDBP이 50-96 cc/100g이다. 더욱 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 60-78 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이고 및(또는), CDBP이 50-96 cc/100g이다. 더욱 상세하게는, 이들 카본블랙으로는 1e) I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙, 2e) I2No.가 55-80 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙, 3e) I2No.가 60-78 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙, 4e) I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙, 5e) I2No.가 55-80 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙, 6e) I2No.가 60-78 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙, 7e) I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙, 8e) I2No.가 55-80 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙, 9e) I2No.가 60-78 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙, 10e) I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이며, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙, 11e) I2No.가 55-80 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이며, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙, 및 12e) I2No.가 60-78 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이며, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙이 있다.
본 발명의 카본블랙은 임의의 공정에 의해 제조될 수 있으나, 바람직하게는 하기의 방법에 의해 제조된다. 본 발명의 카본블랙의 제조 공정은 하기에서 일 종의 퍼니스형 카본블랙 반응기를 참조하여 기재되지만, 본 발명의 제조 공정은 다른 형의 카본블랙 반응기에서 수행될 수 있다.
특히, 본 발명의 카본블랙은 모듈식, 즉 단계화된 퍼니스형 카본블랙 반응기에서 본 발명의 방법에 따라 제조될 수 있다. 본 발명의 카본블랙을 제조하는데 사용될 수 있는 전형적인 모듈식 퍼니스형 카본블랙 반응기의 단면을 도 1에 도시한다. 전형적인 모듈식 퍼니스형 카본블랙 반응기에 대해서는 예를 들면, 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 제 3,922,335호에 포함된 상세한 설명에 상술되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 카본블랙은 직경 수렴 대역(11)을 갖는 전이연소 대역(10), 전이 대역(12), 및 반응 대역(18)을 구비한 퍼니스형 카본블랙 반응기(2)에서 제조될 수 있다. 전이 대역(12)에 가장 근접한 반응 대역(18)의 말단은 제한된 직경을 갖는 하나의 대역, 또는 대역들(17A,17B)을 구비한다. 직경 수렴 대역(11)이 시작되는 지점까지인 연소 대역(10)의 직경은 D-1로 나타내고, 대역(12)의 직경은 D-2로, 대역(17A)의 직경은 D-3A로, 대역(17B)의 직경은 D-3B로, 대역(18)의 직경은 D-4로 나타낸다. 직경 수렴 대역(11)이 시작되는 지점까지의 연소 대역(10)의 길이는 L-1로 나타내고, 직경 수렴 대역(11)의 길이는 L-2로 나타내고, 전이 대역(12)의 길이는 L-3로, 직경 제한 대역(17A)의 길이는 L-4A로, 직경 제한 대역(17B)의 길이는 L-4B로 나타낸다.
본 발명의 카본블랙을 제조하기 위해서는, 액상 또는 가스상 연료를 공기, 산소, 공기와 산소의 혼합물 등의 적합한 산화제와 반응시켜 연소 대역 (10)에서 고온 연소 가스를 생성한다. 고온 연소 가스를 형성하기 위해 연소 대역(10)에서 산화 스트림과 반응시키기에 적합하게 사용되는 연료 중에는, 천연 가스, 수소, 일산화탄소, 메탄, 아세틸렌, 알코올, 또는 등유와 같은 임의의 가연성 가스, 증기상 또는 액상 스트림이 포함된다. 그러나, 일반적으로 탄소 함유 성분, 특히 탄화 수소를 고함량으로 포함하는 연료를 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 카본블랙을 제조하기 위해 사용되는 천연 가스에 대한 공기의 비는 30:1 이상, 바람직하게는 45:1 내지 100:1이다. 고온 연소 가스 생성을 촉진하기 위해, 산화 스트림을 예열시킬 수 있다.
본 발명의 카본블랙을 제조하기 위한, 카본블랙 제조 공정의 제1 연소 정도는 300%를 초과하고, 바람직하게는 550% 이상이다. 더욱 바람직하게는, 본 발명의 카본블랙을 제조하기 위한 카본블랙 제조 방법의 제1 연소 정도는 650 내지 1200%이다.
본원에서 언급된 바의, 제1 연소 정도는 제1 단계의 탄화수소를 이산화탄소 및 물로 완전히 연소시키기 위해 필요한 산화제의 이론적인 양에 대한 다단계 공정의 제1 단계에서 사용된 공기와 같은 산화제의 양을 나타낸다. 편의상, 제1 연소 정도는 퍼센트로 표현된다.
제1 단계 탄화수소를 이산화탄소로 완전 연소시키기 위해 요구되는 산화제의 이론적인 양은 본원에서 연소 가스에 대한 공기 비라고 칭하고, 이론적인 산화제 및 제1 단계 탄화수소의 부피비로 표현한다. 산화제 및 제1 단계 탄화수소의 양은 임의의 편리하고, 일관성있는 한 세트의 단위로 표현될 수 있다.
제1 연소 정도는 하기 식에 따라 결정될 수 있다.
제1 연소 정도, % =
식 중,
실측 공기량이란 표준 온도 및 압력 조건에서 측정된, 반응기의 연소 대역에 도입된 공기의 부피 유량을 의미하고,
실측 가스량이란 표준 온도 및 압력 조건에서 측정된, 반응기의 연소 대역에 도입된 가스의 부피 유량을 의미하며,
실측 공기량, 실측 가스량 및 연소 가스에 대한 공기 비는 상호 일관성있는 한 세트의 단위로 표현된다.
본원에서 사용된, 표준 온도 및 압력 조건이란, 공기 또는 가스를 설명하는 경우 273 K의 절대 온도(켈빈 온도) 및 101.3 kPa의 압력을 의미하고, 오일 또는 공급 원료를 설명하는 경우에는 288.6 K의 절대 온도 및 101.3 kPa의 압력을 의미한다.
고온 연소 가스 스트림은 대역(10),(11)에서 대역(12),(17A),(17B) 및 (18)로 하향 유동한다. 고온 연소 가스의 유동 방향은 도 1에서 화살표로 표시되어 있다. 카본블랙 형성 공급 원료(30)는 대역(12)에 위치한 지점(32)으로 도입된다. 공급 원료는 말단(32)을 구비한 프로브(probe)(15)를 통해 도입되거나, 바람직하게는 대역(12)의 내벽 중의 지점(32)에 배치된 복수개의 개구부를 통해 내향 방사식으로 도입되거나, 이 두가지 방법이 조합된 방식으로 도입된다. 반응 조건 하에서 쉽게 휘발되는 카본블랙 형성 탄화 수소 공급 원료로 사용되기에 적합한 화합물로는, 아세틸렌과 같은 불포화 탄화수소, 에틸렌, 프로필렌, 및 부틸렌과 같은 올레핀, 벤젠, 톨루엔 및 크실렌과 같은 방향족, 임의의 포화 탄화수소 및 등유, 나프탈렌, 테르펜, 에틸렌 타르, 방향족 환 원료 등과 같은 휘발된 탄화수소가 있다.
지점(32)로부터 하류 방향으로 반응 대역의 제한 직경 대역(17A)의 시작점까지의 거리는 F-1로 도시된다. 본원에서 기재된 임의 실시예에서, 카본블랙 형성 공급 원료(30)는 대역(12)의 내벽 중의 지점(32)에 배치된 복수개의 개구부를 통해 내향 방사식으로 주입되고, 그 결과 생성되는 분출물은 고온 연소 가스 스트림의 내부 영역으로 고속으로 침투하여 공급 원료를 분해시켜 본 발명의 신규한 카본블랙으로 전환시킨다.
본원에 기재된 다른 실시예에서, 카본블랙 형성 공급 원료(30)는 프로브(15) 말단의 복수개의 개구부(34)를 통해 실질적으로 축 방향으로 하향하도록 외향 주입되고, 그 결과 생성되는 분출물은 고온 연소 가스 스트림의 외부 영역으로 고속으로 침투하여 공급 원료를 분해시켜 카본블랙으로 전환시킨다. 프로브(15)의 말단으로부터 대역(17A)의 시작 지점까지의 거리를 F-2로 나타낸다.
본 발명의 카본블랙을 제조하기 위한, 카본블랙 제조 공정의 전체 연소 정도는 바람직하게는 22% 이상, 더욱 바람직하게는 22 내지 35%, 더욱 더 바람직하게는 25 내지 28%이다.
본원에서 언급되어 있고 당업계 숙련자에게 공지된 바와 같이, 전체 연소 정도는, 이산화탄소 및 물을 형성하는 탄소 형성 공정 중에 사용된 탄화 수소 총량을 완전히 연소시키기 위해 필요한 산화제 양에 대한, 탄소 형성 공정에서 사용된 공기와 같은 산화제의 총량을 나타낸다. 전체 연소 정도는 일반적으로 퍼센트로 표시된다.
편의상, 카본블랙 형성 공급 원료를 이산화탄소 및 물로 완전히 연소시키기 위해 필요한 산화제의 양을 연소 오일에 대한 공기 비라고 칭하고, 이론적인 산화제 및 카본블랙 형성 공급 원료의 부피비로 표현한다. 산화제 및 카본블랙을 형성하는 공급 원료의 양은 임의의 편리하고, 일관성있는 한 세트의 단위로 표현될 수 있다.
전체 연소 정도는 하기 식에 따라 결정될 수 있다.
전체 연소 정도, % =
식 중,
실측 공기량이란 표준 온도 및 압력 조건에서 측정된, 반응기의 연소 대역에 도입된 공기의 부피 유량을 의미하고,
실측 가스량이란 표준 온도 및 압력 조건에서 측정된, 반응기의 연소 대역에 도입된 가스의 부피 유량을 의미하며,
실측 오일량이란 표준 온도 및 압력 조건에서 측정된, 반응기에 도입된 오일의 부피 유량을 의미하며,
실측 공기량, 실측 가스량, 실측 오일 비, 및 연소 가스에 대한 공기 비 및 연소 오일에 대한 공기 비는 상호 일관성 있는 한 세트의 단위로 표현된다.
카본블랙 형성 공급 원료 및 고온 연소 가스의 혼합물은 대역(12), (17A), (17B)을 통해 대역(18)으로 하향 유동한다. 본 발명의 신규한 카본블랙이 형성되면, 본원에 기재된 실시예에서는 물인 켄치류(50)를 주입하는, 지점(42)에 위치된 켄치부(40)을 사용하여, 카본블랙 형성 공급 원료의 열분해를 정지시킨다. 지점(42)은 열분해를 정지시키는 켄치부의 위치를 선택하는 당업계에 공지된 임의의 방법에 의해 결정될 수 있다.
열분해를 정지시키기 위해 사용되는 켄치부의 위치를 결정하는 한 가지 방법은 본 발명의 신규한 카본블랙에 대한 허용 가능한 정도의 톨루엔 추출 정도가 얻어지는 지점으로 결정하는 것이다. 톨루엔 추출 정도는 ASTM 시험법 D1618-83, 카본블랙 추출성 톨루엔 변색을 사용하여 측정될 수 있다.
본 발명의 카본블랙을 제조하기 위한 바람직한 태양에서, 켄치부의 위치는 반응기에서 카본블랙 형성 반응을 위한 결과적인 명목 체류 시간이 0.55 내지 9.9초, 바람직하게는 1.06 내지 8.01초가 되도록 결정된다. 반응기에서의 명목 체류 시간은, 산화제의 부피 유량이 표준 온도 및 압력 조건에서 정의될 때, 본원의 단계화된 반응기의 임의의 단계에서 일어나는 임의의 공정에 의해 산화제가 변화되지 않는 경우 반응기를 통해 이동하는 산화제가 카본블랙 형성 공급 원료 주입 지점에서 켄치부 지점으로 이동하는데 필요한 명목상의 시간으로 정의된다.
고온 연소 가스 및 카본블랙 형성 공급 원료의 혼합물이 켄치된 후, 냉각된 가스는 카본블랙이 회수되는 임의의 통상적인 냉각 및 분리 수단내로 하향 이동된다. 카본블랙은 침전기, 집진 분리기 또는 백 필터와 같은 통상의 수단에 의해 가스 스트림으로부터 쉽게 분리된다. 분리된 후 예를 들면, 습윤 펠렛화기를 사용하여 페렛화될 수 있다.
도 2는 본 발명의 카본블랙을 제조하기 위해 사용될 수 있고, 본원의 실시예에서 기재된 임의의 카본블랙을 제조하기 위해 사용된 다른 형태의 카본블랙 반응기의 단면도이다. 도 2에서 도시된 반응기(2)는 도 1에 도시된 반응기와 실질적으로 동일하고, 도 2에서 사용된 참조 번호는 하기의 예외 사항을 제외하고는 도 1과 동일하게 사용된다.
도 2에 도시된 반응기에서, 반응 대역은 대역(18A), (18B) 및 (18C)를 추가로 포함한다. 대역(18A)은 대역(17B)에 인접하게 위치한다. 대역(18B)은 대역(18A)에 인접하게 위치하고, 도 2에 도시된 바와 같이 Ω의 각으로 경사를 이룬다. 대역(18C)은 대역(18B)에 인접하게 위치한다. 대역(18A)의 직경은 D-4A로, 대역(18B)의 직경은 D-4B로, 대역(18C)의 직경은 D-4C로 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이 대역(18A)의 길이는 L-5A로 나타내고, 대역(18B)의 수평으로 평행한 방향의 각각의 길이는 L-5B 또는 L-5C로 나타낸다.
본 발명의 중합체 조성물은 중합체 및 본 발명의 카본블랙을 포함한다.
따라서, 일 측면에서 본 발명은, 중합체 및 I2No.가 65-95 mg/g, 바람직하게는 73-94 mg/g, 더욱 바람직하게는 85-93 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하, 더욱 바람직하게는 19 nm이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물을 제공한다. 더욱 상세하게는, 이들 중합체 조성물로는, 1a) 중합체 및 I2No.가 65-95 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 조성물, 2a) 중합체 및 I2No.가 73-94 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 조성물, 3a) 중합체 및 I2No.가 85-93 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 4a) 중합체 및 I2No.가 65-95 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 5a) 중합체 및 I2No.가 73-94 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 및 6a) 중합체 및 I2No.가 85-93 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물이 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 중합체 및 I2No.가 100-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하, 더욱 바람직하게는 19 nm이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물을 제공한다. 더욱 상세하게는, 이들 중합체 조성물로는, 1b) 중합체 및 I2No.가 110-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 및 2b) 중합체 및 I2No.가 110-112 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물이 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 중합체 및 I2No.가 65-112 mg/g, 바람직하게는 73-104 mg/g, 더욱 바람직하게는 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하, 바람직하게는 19 nm이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하, 바람직하게는 70-100 cc/100g, 더욱 바람직하게는 80-95 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물을 제공한다. 더욱 상세하게는, 이들 중합체 조성물로는, 1c) 중합체 및 I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 2c) 중합체 및 I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 70-100 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 3c) 중합체 및 I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 80-95 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 4c) 중합체 및 I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 5c) 중합체 및 I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 70-100 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 6c) 중합체 및 I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 80-95 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 7c) 중합체 및 I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 8c) 중합체 및 I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 70-100 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 9c) 중합체 및 I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 80-95 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 10c) 중합체 및 I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 11c) 중합체 및 I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 70-100 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 12c) 중합체 및 I2No.가 73-104 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 80-95 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 13c) 중합체 및 I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 14c) 중합체 및 I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 70-100 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 15c) 중합체 및 I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 80-95 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 16c) 중합체 및 I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 17c) 중합체 및 I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 70-100 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 18c) 중합체 및 I2No.가 75-99 mg/g이고, 제1 입경이 19 nm 이하이며, CDBP가 80-95 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물이 있다.
다른 측면으로는, 본 발명은 중합체 및 I2No.가 50-70 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 신규한 중합체 조성물을 제공한다. 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 55-65 mg/g이고 및(또는), 제1 입경이 20 nm보다 크고 25 nm 이하이다. 더욱 상세하게는, 이들 중합체 조성물로는, 1d) 중합체 및 I2No.가 50-70 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 2d) 중합체 및 I2No.가 50-70 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 3d) 중합체 및 I2No.가 55-65 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 및 4d) 중합체 및 I2No.가 55-65 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물이 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 중합체 및 I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP이 96 cc/100g이하인 카본블랙을 포함하는 신규한 중합체 조성물을 제공한다. 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 55-80 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이고 및(또는), CDBP이 50-96 cc/100g이다. 더욱 바람직하게는, 카본블랙은 I2No.가 60-78 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이고 및(또는), CDBP이 50-96 cc/100g이다. 더욱 상세하게는, 이들 중합체 조성물로는, 1e) 중합체 및 I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 2e) 중합체 및 I2No.가 55-80 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 3e) 중합체 및 I2No.가 60-78 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 4e) 중합체 및 I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 5e) 중합체 및 I2No.가 55-80 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 6e) 중합체 및 I2No.가 60-78 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 50-96 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 7e) 중합체 및 I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 8e) 중합체 및 I2No.가 55-80 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 9e) 중합체 및 I2No.가 60-78 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 10e) 중합체 및 I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이며, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 11e) 중합체 및 I2No.가 55-80 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이며, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물, 및 12e) 중합체 및 I2No.가 60-78 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하이며, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물이 있다.
의도한 최종 용도를 달성하기에 효과적인 카본블랙의 임의의 양이 본 발명의 중합체 조성물에서 사용될 수 있지만, 일반적으로는 각각 100 중량부의 중합체 당 약 0.5 내지 약 300 중량부의 카본블랙이 사용될 수 있다. 그러나, 100 중량부의 중합체 당 약 0.5 내지 약 100 중량부의 카본블랙을 사용하는 것이 바람직하고, 특히 바람직하게는 100 중량부의 중합체 당 약 0.5 내지 약 80 중량부의 카본블랙을 사용한다.
중합체 조성물은 경화제, 가공 첨가제, 탄화수소유, 촉진제, 공작용제, 산화방지제 등과 같은 통상의 기타 첨가제를 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 중합체에는 천연 고무, 합성 고무, 엘라스토머, 플라스토머 및(또는) 그의 블렌드 또는 혼합물이 포함된다. 본 발명의 중합체 조성물에 사용하기에 적합한 중합체의 예는 상기 목록에 포함되어 있다.
본 발명의 중합체 조성물은 중합체와 미립자 성분을 혼합하는 당업계에 공지된 임의의 방법으로 제조될 수 있다.
본 발명의 카본블랙의 분석적 특성 및 본 발명의 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물의 특성을 결정 및 평가하는데에 하기의 시험 공정이 사용되었다.
카본블랙의 CTAB(세틸 트리메틸 암모늄 브롬화물 흡착 면적)는 ASTM 시험법 D3765-85에 따라 결정되었다.
I2No.는 ASTM 시험법 D1510에 따라 결정되었다.
카본블랙의 틴트가(Tint)는 ASTM 시험법 D3265에 기술된 방법에 따라 결정되었다.
카본블랙 펠렛의 DBP(디부틸 프탈레이트 흡착가)는 ASTM 시험법 D2414에 따라 결정되었다.
카본블랙 펠렛의 CDBP(분쇄된 디부틸 프탈레이트 흡착가)는 ASTM 시험법 D3493-86에 기술된 방법에 따라 결정되었다.
카본블랙의 톨루엔 추출 정도는 ASTM 시험법 D1618에 따라 미국 뉴욕주 로케스터 소재의 밀톤 (Milton, Roy)에 의해 제조된 밀톤 로이 스펙트로닉 20 분광 광도계를 사용하여 결정되었다.
카본블랙의 입경은 ASTM 시험 공정 D3849-89에 기술된 공정에 따라 결정되었다.
카본블랙에 대한 D 모드, Dst 및 ㅿD50가는 도 3에 도시된 바와 같이, 각 카본블랙 시료의 카본블랙 응집체의 스토크 직경 대 상기 시료에서의 그들의 상대적 출현 빈도의 막대 그래프로부터 결정되었다. 막대 그래프는 카본블랙 시료의 응집체의 스토크 직경 대 제공된 시료에서의 그들의 상대적 출현 빈도로 제작된다.
실시예 1 내지 14 및 실시예 26 내지 33에 대해서 막대 그래프를 제작하기 위해 사용된 데이터를 영국 타인 앤 웨어 소재의 조이스 로우블코 엘티디(Joyce Loebl Co. Ltd.)에 의해 제조되는 것과 같은 디스크 원심분리기를 사용함으로써 결정되었다. 하기 공정은 그 개시 내용이 본원에 참조로 인용된, 죠이스 로우블 디스크 원심분리 파일 참조번호 DCF 4.008(공개일: 1985년 2월 1일)의 지시 매뉴얼에 기술된 공정의 변형된 방법으로서, 데이터 결정에 사용되었다.
공정은 하기와 같다. 10 ㎎의 카본블랙 시료를 측량 용기에서 측량한 다음, 0.05% NONIDET P-40 (Shell Chemical Co.가 제조하고 시판한 계면활성제에 대한 등록 상표) 계면활성제를 포함하는 10% 무수 에탄올 및 90% 증류수의 용액 50 ㏄에 첨가한다. 미국 뉴욕주 파밍데일 소재의 히트 시스템즈 울트라소닉스 인크(Heat Systems Ultrasonics Inc.)가 제조하고 시판하는 소니파이어(Sonifier) 모델 번호 W 385를 사용하여 15 분 동안 초음파 에너지를 발생시킴으로써 생성된 현탁액으로 분산시킨다.
디스크 원심분리를 수행하기 이전에, 하기 데이터를 디스크 원심분리로부터의 데이터를 기록하는 컴퓨터에 입력시킨다:
1. 1.86 g/㏄로 측정된 카본블랙의 비중;
2. 본 예에서는 0.5 ㏄인, 물과 에탄올의 용액 중에 분산된 카본블랙 용액의 부피;
3. 본 예에서는 물 10 ㏄인, 회전 유체의 부피;
4. 본 예에서는 23 ℃에서 0.933 센티포아즈(9.33 x 10-4파스칼-초(Pa-s))로 측정된, 회전 유체의 점도;
5. 본 예에서는 23 ℃에서 0.9975 g/㏄인, 회전 유체의 밀도;
6. 본 예에서는 8000 rpm인 디스크 속도;
7. 본 예에서는 1 초인 데이터 샘플링 간격.
스트로보스코프(stroboscope)를 작동시키면서, 디스크 원심분리를 8000 rpm으로 수행한다. 10 ㏄의 증류수를 회전 유체로서 회전 디스크로 주입한다. 불투명도 수준은 0으로 고정하고; 10% 무수 에탄올과 90% 증류수의 용액 1 ㏄를 완충액으로서 주입한다. 이어서, 디스크 원심분리기의 정지(cut) 및 부스트(boost) 단추를 작동하여, 회전 유체와 완충액 사이에 원활한 농도 구배를 형성시키고, 구배를 시각적으로 관찰한다. 구배가 완만하여 2종의 유체 사이에서 뚜렷한 경계가 없어지면, 에탄올 수용액 중에 분산된 카본블랙 0.5 ㏄를 회전 디스크에 주입하고, 데이터를 즉시 수집하기 시작한다. 스트림이 발생하는 경우, 수행을 중단한다. 에탄올 수용액 중에 분산된 카본블랙을 주입한 후 20분 동안 디스크를 회전시킨다. 20 분 동안 회전시킨 후,. 20 분 동안 회전시킨 후, 디스크를 중단시키고, 회전 유체의 온도를 측정하고, 수행 개시시 측정한 회전 유체의 온도 및 수행의 말기에 측정한 회전 유체의 온도의 평균치를 디스크 원심분리기로부터의 데이터를 기록하는 컴퓨터에 입력한다. 데이터는 표준 스토크 등식에 따라 분석하고, 하기 정의를 이용하여 나타낸다.
카본블랙 응집체 - 최소 분산성 단위인 불연속 경질 콜로이드상 실체로서, 광범위하게 합체된 입자로 이루어짐;
스토크 직경- 스토크 등식에 따른 원심분리 또는 중력장에서 점성 매질에 침강하는 구의 직경. 또한, 카본블랙 응집체와 같은 비(非) 구형 물질도, 그 물질과 동일한 밀도 및 침강 속도를 갖는 스무드한 경질 구로서 작용하는 것으로 간주되는 경우, 스토크 직경으로 나타낼 수 있다. 스토크 직경을 나타내기 위한 통상적 단위는 나노미터이다.
모드(보고시 D모드)- 스토크 직경 분포 곡선의 피크점(본원에서는 도 3의 점 A)에서의 스토크 직경.
중간 스토크 직경- (보고시 Dst) 시료의 50 중량%가 이 값보다 크거나 또는 작은 스토크 직경 분포 곡선 상의 점(본원에서는 도 3의 점 H). 따라서, 이는 측정치의 중간값을 나타낸다. 또한, 카본블랙과 같은 비 구형 물질도, 비구형 물질과 동일한 밀도 및 침강 속도를 갖는 완만한 경질 구로서 작용하는 것으로 간주되는 경우, 스토크 직경으로 나타낼 수 있다.
ㅿD50- 응집체 크기 분포의 폭의 측정치인, 모드의 최대치의 절반지점에서 측정된 매스 분포도의 폭. 이 값은 하기 방식으로 결정되었다. 도 3에 도시한 바와 같이, 선 B를 막대 그래프의 피크 A로부터 시작하여 Y축에 대한 평행 방향으로 막대 그래프의 X축 상의 점 C에서 종결되도록 그린다. 얻어진 선 B의 중간점 F를 결정하고, 중간점 F를 통과하면서 X축에 대해 평행하도록 선 G를 그린다. 선 G는 두 점 D 및 E에서 막대 그래프의 분포 곡선을 절단한다. 점 D 및 E의 카본블랙 응집체의 스토크 직경의 차이 값의 절대치가 ㅿD50 값이다.
실시예 15 내지 25에 대해서는, 브룩하븐 인스트루먼츠(Brookhaven Instruments)가 제조한 디스크 원심분리기, 모델 BI-DCP(미국 11742 뉴욕주 홀츠빌 블루 포인트 로드 750 소재의 브룩하븐 인스트루먼츠 코포레이션에 의해 제조됨)를 사용하여 상기의 막대 그래프를 얻었다. 하기 공정을 이용하였다.
10 ㎎의 카본블랙 시료를 측량 용기에서 측량한 다음, 0.025% NONIDET P-40 (Shell Chemical Co.가 제조하고 시판한 계면활성제에 대한 등록 상표) 계면활성제를 포함하는 10% 무수 에탄올 및 90% 증류수의 용액 25 ㏄에 첨가한다. 미국 뉴욕주 파밍데일 소재의 히트 시스템즈 울트라 소닉스 인크가 제조하고 시판하는 소니파이어 모델 번호 XL 2015를 사용하여 10 분 동안 초음파 에너지를 발생시킴으로써 생성된 현탁액을 분산시킨다.
디스크 원심분리 수행 이전에, 하기 데이터를 디스크 원심분리로부터인 데이터를 기록하는 컴퓨터에 입력시킨다:
1. 1.86 g/㏄로 측정된 카본블랙의 비중;
2. 본 예에서는 0.2 ㏄인, 물과 에탄올의 용액 중에 분산된 카본블랙 용액의 부피;
3. 본 예에서는 물 10 ㏄인, 회전 유체의 부피;
4. 본 예에서는 23 ℃에서 0.933 센티포아즈(9.33 x 10-4파스칼-초(Pa-s))로 측정된, 회전 유체의 점도;
5. 본 예에서는 23 ℃에서 0.998 g/㏄인, 회전 유체의 밀도;
6. 본 예에서는 4000 rpm인 디스크 속도;
7. 본 예에서는 1 초인 데이터 샘플링 간격.
스트로보스코프를 작동시키면서, 디스크 원심분리를 4000 rpm으로 수행한다. 증류수 9 ㏄와 자당 용액 1㏄의 혼합물 10 ㏄를 회전 유체로서 회전 디스크로 주입하였다. 불투명도 수준은 0으로 고정하고; 10% 무수 에탄올과 90% 증류수의 용액 1 ㏄를 완충액으로서 주입한다. 이어서, 디스크 원심분리의 정지 및 부스트 단추를 작동하여, 회전 유체와 완충액 사이에 원활한 농도 구배를 생성시키고, 구배를 시각적으로 관찰한다. 구배가 완만하여 2가지 유체 사이에서 뚜렷한 경계가 없어지면, 에탄올 수용액 중에 분산된 카본블랙 0.2 ㏄를 회전 디스크에 주입하고, 데이터를 즉시 수집하기 시작한다. 스트림이 발생하는 경우, 수행을 중단한다. 에탄올 수용액 중에 분산된 카본블랙을 주입한 후, 검출기 반응이 기준선으로 복귀하는데 필요한 바와 같은 길이의 시간 동안 디스크를 회전시킨다. 회전시킨 후, 디스크를 중단시키고, 회전 유체의 온도를 빌트인(built-in) 온도 프로브로 측정하고, 수행 개시시 측정한 회전 유체의 온도 및 수행의 말기에 측정한 회전 유체의 온도의 평균치를 디스크 원심분리로부터의 데이터를 기록하는 컴퓨터에 입력한다.
중합체와의 혼합물 중 카본블랙 함량이 35 질량% 가 되도록 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)에 카본 블랙 시료를 혼입함으로써 제조된 중합체 조성물을 사용하여 겉보기 점도 및 용융 유동 지수의 측정을 수행하였다. 카본블랙의 다른 부가량은 하기에 명기하였다. 혼합물 중의 카본 블랙 부가량이 35 질량%인 카본 블랙 및 중합체의 혼합물을 하기 과정에 따라 제조하였다. 또한, 35 질량% 이외의 카본블랙 부가량이 필요한 경우에도, 혼합물 중의 카본블랙의 목적하는 부가량을 수득하는데 필요한 수준으로 카본블랙 및 중합체의 상대적 비율을 변형하는 것을 제외하고는, 상기 공정을 수행하였다.
실시예 1 내지 14로부터의 카본블랙에 대해서는 DFDA7510으로, 그리고 실시예 26 내지 33으로부터의 카본블랙에 대해서는 GRSN7510으로 식별되는 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 781.4 g 및 카본블랙 420.7 g 모두를 부피가 1100 ㎤인 혼합실을 갖는 파렐 레버레토리 반베리(Farrel laboratory Banbury) 혼합기에 도입시켰다. DFDA7510 폴리에틸렌 및 GRSN7510 폴리에틸렌은 유니온 카바이드(Union Carbide)에 의해 제조 및 시판된다. 혼합 단계의 개시 온도는 약 120 ℉(322 K)이었고, 처음 30 초 동안에는 77 rpm에서, 다음 45 초 동안은 116 rpm에서, 그리고 나머지 혼합 시간 동안은 155 rpm에서 3분 동안 혼합이 수행되었다. 혼합 후, 생성물을 180 ℉(355 K)에서 2개의 로울 밀 상에서 두께 ⅜ 인치(0.0095 m)의 시트로 성형시켰다. 이어서, 시트를 스트립으로 절단하였고, 다이서(dicer)를 통과시켜 이들을 면당 ⅜ 인치(0.0095 m)의 입방체로 전환시켰다. 생성물을 선별하여, 균일한 크기의 조각만이 후속 시험에서 사용되도록 하였다.
겉보기 점도는 190 ℃에서 ASTM D3835-93A에 기술된 방법을 따라 측정하였다. 실시예 1 내지 14로부터의 카본블랙을 함유하는 중합체 조성물에 대해서는, 길이 30 ㎜ 및 직경 1 ㎜의 모세관을 갖는 고트페트 카필러리 레오미터(Gottfert Capillary Rheometer) 모델 1501을 이용하여 측정하였다. 실시예 26 내지 33으로부터의 카본블랙을 함유하는 중합체 조성물에 대해서는, 길이 20 ㎜ 및 직경 1 ㎜의 모세관을 갖는 몬산토 프로세서빌러티 시험기(Monsanto Processability Tester)를 이용하여 측정하였다.
흡수 계수(COA)의 측정을 위한 시료 표본을 제조하기 위해서는, 카본블랙 35 질량%를 포함하는 카본블랙과 LLDPE의 상기 혼합물을, 카본블랙 2.5 질량%를 포함하는 최종 혼합물을 수득하기 위해 필요한 양 만큼의 추가 LLDPE와 함께 밴버리 혼합기에 도입시켰다. 이어서, 상기 단계로부터의 생성 혼합물을 사용하여 COA를 측정하였다. COA는 ASTM D3349-86에 기술된 방법에 따라 측정하였다.
융용 유동 지수는 실시예 1 내지 14로부터의 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물에 대해서는 190 ℃의 온도에서, 그리고 실시예 26 내지 33으로부터의 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물에 대해서는 230 ℃의 온도에서, 21.5 ㎏의 중량으로, ASTM 시험 공정 D1238-90에 따라, 하기 사항을 적용하여 측정하였다.
유동 범위g/10 분 실린더 내의 시료의 제안 중량g 유동 시간 간격분 유량(g/10 분)수득용 계수
1.0 내지 3.5 3.0 내지 5.0 3.00 3.33
3.5 내지 10 5.0 내지 8.0 1.00 10.00
적합한 질량의 카본블랙 함유 중합체 조성물을 측량하여, 키네스(Keyness) 모델 2051의 실린더 또는 등가의 압출 플라스토미터에 도입시켰고, 압축시켰다. 피스톤에 1100g의 중량을 가하면서 피스톤을 실린더로 삽입시키고, 충전물을 시험 온도에서 6 분 동안 예열시켰다. 예열 기간이 종료된 후, 예열시 가해진 중량을 피스톤으로부터 제거하고, 표 4에 기재된 결과를 얻기 위해 시험 중량 21.5 ㎏으로 대체하였다. 피스톤 상의 노치(notch)가 실린더내로 사라지는 것과 동시에, 다이(die) 오리피스(orifice) 바닥의 압출물을 예리한 주걱 또는 칼로 절단하고, 시험 시간 간격을 개시하였다. 시험 시간 간격이 종결되었을 때, 다이 오리피스 바닥의 압출물을 절단하여 측량하였다. 이 중량을 기록하고, 이 중량에 상기 표의 적합한 계수를 곱해 융용 유동 지수 측정치로 전환시켰다.
상기의 LLDPE 중합체 35.75 g 및 카본블랙 19.25 g을 사용하여 100 ℃에서 브라벤더 플라스티코더에서 제조된 카본블랙과 중합체의 혼합물에 대해 혼합 수분 흡수도(CMA)를 측정하였다. 목적하는 온도에 도달한 후, 회전자를 60 rpm으로 회전시키고, 측량된 중합체 및 카본블랙을 30 초 기간에 걸쳐 부가 슈트(chute)를 통해 도입시켰다. 10,000 ㎏의 측량체를 슈트 램(ram)에 첨가하여 성분들을 하향 플럭스 시켰다. 플럭스후 측량체 및 슈트를 제거하였다. 회전자 속도를 60 rpm로 조정하고, 브라벤더 램을 낮추고, 화합물을 5 분 동안 혼합하였다. 상기 시간이 완결된 후, 화합물을 꺼내어, 2개의 롤 밀에 2회 통과시켰다. 생성된 시트를 CMA 시험을 위해 보다 작은 조각으로 절단하였다.
하기 공정에 따라 카본블랙 및 중합체를 포함하는 상기 혼합물에 대해 CMA 시험을 수행하였다. 시험하려는 화합물을 상기에서 언급한 바와 같이 절단한 후, 4 메쉬 및 10 메쉬의 스크린을 통과시켜, -4, +10 분획물을 사용하기 위해 취하였다. 4 ㎜의 스크린을 갖는 윌리 밀(Wiley Mill)(모델 #3 또는 등가물)을 가동시키고, 스크린된 화합물 약 25 g을 투하하였다. 과립화된 화합물을 회수하여, 밀봉된 표지 용기에 저장하였다. 깨끗한 건조 측량병 및 그 뚜껑을 아인스워쓰(Ainsworth) 모델 10 또는 그의 등가인 분석 밸런스 상에서 측량하여, 그 중량을 소수점 아래 4 자리까지 기록하였다. 과립화된 화합물 2.0 g ± 0.1 g을 상기 측량병에 위치시켰다. 뚜껑이 조금 열린 측량병을 진공 오븐에 위치시켰고, 오븐 문을 밀봉한 후, 오븐 및 진공을 가동시켰다. 온도를 140 ℉(333 K)로 설정하고, 진공을 10 인치 수은(Hg)(33.9 kPa)으로 설정하였다. 시료를 오븐에 2 시간 이상 16 시간 이하 동안 방치시켰다.
블루 M 모델 FR-251B-1 또는 등가의 습도 캐비닛을 80 ℉(300 K) 및 83% 상대 습도로 고정시켰다. 시료의 건조가 완결된 후, 진공 오븐을 끄고 진공을 방출시킨 후, 문을 신속하게 열고, 손으로 직접 만지지 않고 장갑 또는 핀셋을 사용하여 뚜껑을 시료 병 상에 위치시켰다. 시료 병을 건조제를 포함하는 플라스틱 용기에 위치시켰다. 용기를 밀봉시키고, 병을 주위 온도에서 약 30 분 동안 냉각되도록 하였다. 이어서, 병을 분석 밸런스 상에서 측량하였다. 병을 장갑 또는 핀셋만으로 취급하면서, 중량을 소수점 아래 제4 자리까지 기록하였다. 이어서, 병을 습도 캐비닛에 위치시켰다. 하나 이상의 병을 동시에 시험하는 경우, 적어도 2 인치의 공간을 챔버 벽과 시료 병 각각의 사이에 두었고, 시료 병 각각은 기타 모든 시료 병으로부터 ½ 인치 이상 떨어져 있게 하였다. 병의 뚜껑을 열고, 뚜껑을 병 위에서 조금 열린 상태로 방치하였다. 챔버의 내부 문을 닫고 밀봉하였다. 이어서, 외부 문을 닫았다. 병을 상기에서 언급한 온도 및 상대 습도에서 7일 동안 습도실에 두었다.
습도실에서 상기 시간 동안 방치한 후, 챔버 문을 열고 병을 그의 뚜껑으로 밀봉시켰다. 병을 다시, 건조제를 포함하는 플라스틱 용기에 위치시켰다. 장갑 또는 핀셋만을 사용하여 병을 취급하였다. 뚜껑이 덮힌 병 각각을 분석 밸런스 상에서 측량하였다. 시료 중량 증가분으로부터 CMA를 계산하였다.
본 발명의 카본블랙 및 중합체 조성물의 특성 및 이점을 하기 실시예로 더욱 상세히 설명한다.
실시예 1-33
표 2에 개시된 조건 및 결합구조를 이용하여, 본원에서 일반적으로 기술되고 도 1 또는 도 2에서 도시된 바와 같은 (하기에서 구체화된) 반응기 중에서 33개의 카본블랙을 제조하였다. 실시예 3-10에서 제조된 카본블랙은 본 발명의 퍼니스 카본블랙이며, 실시예 1 및 2에서 제조된 카본블랙은 상응하는 대조물이다. 실시예 12-14에서 제조된 카본블랙은 또한 본 발명의 퍼니스 카본블랙이며, 실시예 11에서 제조된 카본블랙은 상응하는 대조물이다. 실시예 15-25에서 제조된 카본블랙은 대조용 카본블랙이다. 실시예 26-29에서 제조된 카본블랙은 본 발명의 퍼니스 카본블랙이며, 실시예 30-33에서 제조된 카본블랙은 상응하는 대조물이다.
연소 반응에 이용된 연료는 천연 가스였다. 실시예 1-14에서 사용된 액체 공급 원료 유형의 대표적인 특성을 표 1에 개시한다. 실시예 15-33에서 사용된 액체 공급 원료의 특성을 표 1A에 개시한다.
실시예 1-14
수소 (중량%) 7.2
탄소 (중량%) 91.6
H/C 비율 0.94
API 중력 15.6/15.6 ℃ (60 ℉) -2.7
BMCI (Visc-Grav) 143
연소 오일에 대한 공기 비 (SCM 공기/m3오일) 10900.4
비중 15.6/15.6 ℃ (60 ℉) 1.10
SCM=표준 입방 미터, m=미터
실시예 15-33
실시예의 측정된 특성 15-25 26,30 27-29, 31-33
수소 (중량%) 7.2 7.0 7.1
탄소 (중량%) 91.5 91.1 91.4
H/C 비율 0.94 0.91 0.93
API 중력 15.6/15.6 ℃ (60 ℉) NM -3.1 -2.9
BMCI (Visc-Grav) NM 137 136
연소 오일에 대한 공기 비 (SCM 공기/m3오일) 11126.9 10999.5 11070.3
비중 15.6/15.6 ℃ (60 ℉) 1.105 1.102 1.10
SCM=표준 입방 미터, m=미터, NM=측정되지 않음
각각의 실시예에서 사용된 반응기 조건 및 결합구조는 하기 표 2에서 개시된 바와 같다. 실시예 16 부터 18에서는, 공급 원료를 주입하기 위하여 사용된 각각의 오리피스에 회전 삽입기가 구비되었다. 실시예 19 및 20에서는, 프로브 (15)의 말단 (34) (이는 본 공정의 제2 단계의 축 중간점으로부터 대략 0.8 인치 (0.02 m)가 후퇴되어 있음)으로부터 0.09 인치 (0.00229 미터) 직경 압력 분무 오일 팁을 통하여 공급 원료를 방출시켜 사실상 축 하류 방향으로 공정에 주입하였다. 오일 팁은 모나크 매뉴팩츄어링사 (미국, 펜실바니아주 필라델피아 소재)에서 제조한 팁 번호 F-94-120-45인 모나크 (Monarch) 분무 팁이었다.
실시예 1 2 3 4 5
도면 1 1 1 1 1
D-1, m 0.51 0.51 0.51 0.51 0.51
D-2, m 0.31 0.31 0.31 0.31 0.31
D-3A, m 0.46 0.46 0.46 0.46 0.46
D-3B, m 0.46 0.46 0.46 0.46 0.46
D-4, m 1.14 1.14 1.14 1.14 1.14
D-4A, m NA NA NA NA NA
D-4B, m NA NA NA NA NA
D-4C, m NA NA NA NA NA
L-1, m 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30
L-2, m 0.74 0.74 0.74 0.74 0.74
L-3, m 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30
L-4A, m 0.23 0.23 0.23 0.23 0.23
L-4B, m 0 0 0 0 0
L-5A, m NA NA NA NA NA
L-5B, m NA NA NA NA NA
L-5C, m NA NA NA NA NA
F-1, m 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
F-2, m NA NA NA NA NA
Q, m 4.57 4.57 4.57 4.57 4.57
Ωdeg NA NA NA NA NA
도면 1 1 1 1 1
오일 주입 팁 (32) (no. x 크기, cm) 12x0.198 12x0.198 12x0.211 12x0.211 12x0.211
오일 속도 (m3/s) 1.27E-03 1.27E-03 1.28E-03 1.38E-03 1.36E-03
오일 예열 (K) 478 478 478 478 478
오일 압력 (kPa) 1741 1824 1535 1762 1721
연소 공기 (SCMS) 4.019 4.019 4.019 4.019 4.019
연소 공기 예열 (K) 922 922 922 922 922
천연 가스 (SCMS) 0.060 0.060 0.042 0.060 0.060
연소 가스에 대한 공기 비 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7
공기/기체 (SCM/SCM) 67.5 67.5 96.4 67.5 67.5
제1 연소 정도 (%) 696 696 994 696 696
전체 연소 정도 (%) 27.9 27.9 27.9 25.7 26.0
K+, g K+/m3오일 11.04 8.35 10.91 10.12 10.25
체류 시간 (s) 1.06 1.06 1.06 1.06 1.06
Q에서 온도 (K) 978 1018 982 987 992
켄치 압력 (kPa) 735 708 708 694 708
m=미터; no.=번호; deg.=각도; K=켈빈 온도; 팁(들) (32, 34)= 도 1 및 2에서 32 또는 34 점; cm=센티미터; Comb.=연소; kPa=킬로파스칼; SCMS=초 당 표준 입방 미터 (273 K, 101.3 kPa); K+=칼륨; g=그램; Temp.=온도; s=초(들); Q=켄치; E(x)=지수적 (10x); NA=적용할 수 없음
실시예 6 7 8 9 10
도면 1 1 1 1 1
D-1, m 0.51 0.51 0.51 0.51 0.51
D-2, m 0.31 0.31 0.31 0.31 0.31
D-3A, m 0.46 0.46 0.46 0.46 0.46
D-3B, m 0.46 0.46 0.46 0.46 0.46
D-4, m 1.14 1.14 1.14 1.14 1.14
D-4A, m NA NA NA NA NA
D-4B, m NA NA NA NA NA
D-4C, m NA NA NA NA NA
L-1, m 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30
L-2, m 0.74 0.74 0.74 0.74 0.74
L-3, m 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30
L-4A, m 0.23 0.23 0.23 0.23 0.23
L-4B, m 0 0 0 0 0
L-5A, m NA NA NA NA NA
L-5B, m NA NA NA NA NA
L-5C, m NA NA NA NA NA
F-1, m 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
F-2, m NA NA NA NA NA
Q, m 24.38 24.38 13.72 13.72 4.57
Ωdeg NA NA NA NA NA
도면 1 1 1 1 1
오일 주입 팁 (32) (no. x 크기, cm) 12x0.211 12x0.218 12x0.211 12x0.218 12x0.218
오일 속도 (m3/s) 1.36E-03 1.38E-03 1.36E-03 1.38E-03 1.38E-03
오일 예열 (K) 478 478 478 478 478
오일 압력 (kPa) 1714 1445 1707 1452 1452
연소 공기 (SCMS) 4.019 4.019 4.019 4.019 4.019
연소 공기 예열 (K) 922 922 922 922 922
천연 가스 (SCMS) 0.060 0.042 0.060 0.042 0.042
연소 가스에 대한 공기 비 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7
공기/기체 (SCM/SCM) 67.5 96.4 67.5 96.4 96.4
제1 연소 정도 (%) 696 994 696 994 994
전체 연소 정도 (%) 26.0 26.0 26.0 26.0 26.0
K+, g K+/m3오일 10.25 9.01 6.84 6.76 6.76
체류 시간 (s) 5.85 5.85 3.27 3.27 1.06
Q에서 온도 (K) 1003 1015 1015 1020 1018
켄치 압력 (kPa) 722 749 694 673 708
실시예 11 12 13 14
도면 1 1 1 1
D-1, m 0.51 0.51 0.51 0.51
D-2, m 0.31 0.31 0.31 0.31
D-3A, m 0.46 0.46 0.46 0.46
D-3B, m 0.46 0.46 0.46 0.46
D-4, m 1.14 1.14 1.14 1.14
D-4A, m NA NA NA NA
D-4B, m NA NA NA NA
D-4C, m NA NA NA NA
L-1, m 0.30 0.30 0.30 0.30
L-2, m 0.74 0.74 0.74 0.74
L-3, m 0.30 0.30 0.30 0.30
L-4A, m 0.23 0.23 0.23 0.23
L-4B, m 0 0 0 0
L-5A, m NA NA NA NA
L-5B, m NA NA NA NA
L-5C, m NA NA NA NA
F-1, m 0.15 0.15 0.15 0.15
F-2, m NA NA NA NA
Q, m 13.72 27.43 24.38 18.29
Ωdeg NA NA NA NA
도면 1 1 1 1
오일 주입 팁 (32) (no. x 크기, cm) 12x0.198 12x0.218 12x0.218 12x0.218
오일 속도 (m3/s) 1.28E-03 1.32E-03 1.31E-03 1.32E-03
오일 예열 (K) 478 478 478 478
오일 압력 (kPa) 1686 1293 1287 1293
연소 공기 (SCMS) 4.019 4.019 4.019 4.019
연소 공기 예열 (K) 922 887 897 897
천연 가스 (SCMS) 0.060 0.042 0.045 0.042
연소 가스에 대한 공기 비 9.7 9.7 9.7 9.7
공기/기체 (SCM/SCM) 67.5 96.4 88.5 96.4
제1 연소 정도 (%) 696 994 913 994
전체 연소 정도 (%) 27.6 27.1 27.2 27.1
K+, g K+/m3오일 10.67 6.58 6.87 6.58
체류 시간 (s) 3.27 6.58 5.85 4.37
Q에서 온도 (K) 1089 1089 1078 1086
켄치 압력 (kPa) 749 701 735 728
실시예 15 16 17 18 19
도면 1 1 1 1 1
D-1, m 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18
D-2, m 0.13 0.13 0.13 0.13 0.13
D-3A, m 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25
D-3B, m 0.69 0.69 0.69 0.69 0.69
D-4, m NA 0.69 0.69 0.69 0.69
D-4A, m 0.91 NA NA NA NA
D-4B, m 0.86 NA NA NA NA
D-4C, m 0.91 NA NA NA NA
L-1, m 0.61 0.61 0.61 0.61 0.61
L-2, m 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30
L-3, m 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22
L-4A, m 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25
L-4B, m 0.09 0 0 0 0
L-5A, m 4.80 NA NA NA NA
L-5B, m 0.15 NA NA NA NA
L-5C, m 0.46 NA NA NA NA
F-1, m 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11
F-2, m NA NA NA NA 0.13
Q, m 7.71 8.02 8.02 8.02 8.02
Ωdeg 31.5 NA NA NA NA
도면 2 1 1 1 1
오일 주입 팁 (32) (no. x 크기, cm) 4x0.206 4x0.079 4x0.079 4x0.079 1x0.229 (팁 34)
오일 속도 (m3/s) 1.36E-04 1.29E-04 1.38E-04 1.48E-04 1.34E-04
오일 예열 (K) 400 402 398 399 403
오일 압력 (kPa) 253 3402 3836 4394 1604
연소 공기 (SCMS) 0.447 0.447 0.447 0.447 0.447
연소 공기 예열 (K) 755 755 755 755 755
천연 가스 (SCMS) 0.014 0.011 0.011 0.012 0.011
연소 가스에 대한 공기 비 9.68 9.68 9.68 9.68 9.68
공기/기체 (SCM/SCM) 31.9 39.2 39.2 38.5 39.0
제1 연소 정도 (%) 330 405 405 397 402
전체 연소 정도 (%) 27.2 28.7 27.2 25.4 27.9
K+, g K+/m3오일 0 0 0 0 0
체류 시간 (s) 10.39 6.31 6.31 6.31 6.31
Q에서 온도 (K) 1005 1005 1005 1005 1005
켄치 압력 (kPa) 542 701 715 722 784
실시예 20 21 22 23 24
도면 1 1 1 1 1
D-1, m 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18
D-2, m 0.13 0.13 0.13 0.13 0.13
D-3A, m 0.25 0.25 0.25 0.25 0.27
D-3B, m 0.69 0.69 0.69 0.69 0.27
D-4, m 0.69 0.69 0.69 0.69 0.34
D-4A, m NA NA NA NA NA
D-4B, m NA NA NA NA NA
D-4C, m NA NA NA NA NA
L-1, m 0.61 0.61 0.61 0.61 0.61
L-2, m 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30
L-3, m 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22
L-4A, m 0.25 0.25 0.25 0.25 1.60
L-4B, m 0 0 0 0 0
L-5A, m NA NA NA NA NA
L-5B, m NA NA NA NA NA
L-5C, m NA NA NA NA NA
F-1, m 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11
F-2, m 0.13 NA NA NA NA
Q, m 8.02 8.02 8.02 8.02 1.77
Ωdeg NA NA NA NA NA
도면 1 1 1 1 1
오일 주입 팁 (32) (no. x 크기, cm) 1x0.229 (팁 34) 4x0.206 4x0.206 4x0.206 4x0.140
오일 속도 (m3/s) 1.40E-04 1.90E-04 1.77E-04 1.86E-04 2.08E-04
오일 예열 (K) 401 400 404 404 402
오일 압력 (kPa) 1769 349 329 342 1583
연소 공기 (SCMS) 0.447 0.633 0.633 0.633 0.744
연소 공기 예열 (K) 755 755 755 755 894
천연 가스 (SCMS) 0.012 0.016 0.016 0.01 0.022
연소 가스에 대한 공기 비 9.68 9.68 9.68 9.68 9.68
공기/기체 (SCM/SCM) 38.2 38.5 38.5 68.0 34.7
제1 연소 정도 (%) 395 397 397 702 359
전체 연소 정도 (%) 26.7 27.8 29.8 29.3 29.4
K+, g K+/m3오일 0 0 0 0 2.96
체류 시간 (s) 6.31 4.45 4.45 4.45 0.14
Q에서 온도 (K) 1005 1005 1005 1005 1005
켄치 압력 (kPa) 749 391 405 411 804
실시예 25 26 27 28 29
도면 1 1 1 1 1
D-1, m 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18
D-2, m 0.13 0.16 0.16 0.16 0.16
D-3A, m 0.27 0.19 0.19 0.19 0.19
D-3B, m 0.27 0.19 0.19 0.19 0.19
D-4, m 0.34 0.69 0.69 0.69 NA
D-4A, m NA NA NA NA 0.91
D-4B, m NA NA NA NA 0.86
D-4C, m NA NA NA NA 0.91
L-1, m 0.61 0.61 0.61 0.61 0.61
L-2, m 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30
L-3, m 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22
L-4A, m 1.60 0.13 0.13 0.13 0.13
L-4B, m 0 0 0 0 3.54
L-5A, m NA NA NA NA 1.60
L-5B, m NA NA NA NA 0.15
L-5C, m NA NA NA NA 0.46
F-1, m 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11
F-2, m NA NA NA NA NA
Q, m 3.05 3.29 3.29 3.29 9.30
Ωdeg NA NA NA NA 31.5
도면 1 1 1 1 2
오일 주입 팁 (32) (no. x 크기, cm) 4x0.118 9x0.140 9x0.140 9x0.140 9x0.140
오일 속도 (m3/s) 2.00E-04 1.98E-04 1.98E-04 1.98E-04 1.98E-04
오일 예열 (K) 387 409 417 434 436
오일 압력 (kPa) 2334 384 384 377 384
연소 공기 (SCMS) 0.744 0.595 0.595 0.595 0.595
연소 공기 예열 (K) 755 755 755 755 755
천연 가스 (SCMS) 0.041 0.009 0.009 0.009 0.009
연소 가스에 대한 공기 비 9.68 9.64 9.31 9.61 9.64
공기/기체 (SCM/SCM) 18.1 67.8 67.2 67.2 67.8
제1 연소 정도 (%) 187 703 722 700 703
전체 연소 정도 (%) 28.4 26.4 26.2 26.2 26.2
K+, g K+/m3오일 0 1.35 186.24 187.13 187.13
체류 시간 (s) 0.29 1.86 1.86 1.86 8.01
Q에서 온도 (K) 1005 1006 1004 1005 1005
켄치 압력 (kPa) 708 425 446 460 329
실시예 30 31 32 33
도면 2 1 1 1
D-1, m 0.18 0.18 0.18 0.18
D-2, m 0.16 0.16 0.16 0.16
D-3A, m 0.19 0.19 0.19 0.19
D-3B, m 0.69 0.19 0.69 0.19
D-4, m NA 0.69 NA 0.69
D-4A, m 0.91 NA 0.91 NA
D-4B, m 0.86 NA 0.86 NA
D-4C, m 0.91 NA 0.91 NA
L-1, m 0.61 0.61 0.61 0.61
L-2, m 0.30 0.30 0.30 0.30
L-3, m 0.22 0.22 0.22 0.22
L-4A, m 0.13 0.13 0.13 0.13
L-4B, m 3.54 0 3.54 0
L-5A, m 1.60 NA 1.60 NA
L-5B, m 0.15 NA 0.15 NA
L-5C, m 0.46 NA 0.46 NA
F-1, m 0.11 0.11 0.11 0.11
F-2, m NA NA NA NA
Q, m 9.30 3.29 9.30 3.29
Ωdeg 31.5 NA 31.5 NA
도면 2 1 1 1
오일 주입 팁 (32) (no. x 크기, cm) 9x0.097 9x0.097 9x0.097 9x0.097
오일 속도 (m3/s) 1.69E-04 1.70E-04 1.70E-04 1.70E-04
오일 예열 (K) 428 434 432 449
오일 압력 (kPa) 942 963 908 921
연소 공기 (SCMS) 0.595 0.595 0.595 0.595
연소 공기 예열 (K) 755 755 755 755
천연 가스 (SCMS) 0.042 0.042 0.042 0.039
연소 가스에 대한 공기 비 9.35 9.35 9.32 10.30
공기/기체 (SCM/SCM) 14.0 14.1 14.0 15.1
제1 연소 정도 (%) 150 151 150 146
전체 연소 정도 (%) 26.3 26.2 26.1 26.0
K+, g K+/m3오일 188.75 188.53 188.16 188.16
체류 시간 (s) 8.01 1.86 8.01 1.86
Q에서 온도 (K) 1005 1005 1008 1005
켄치 압력 (kPa) 363 501 370 487
실시예 1-33에서 제조된 카본블랙의 분석적 특성을 본원에서 기술한 과정에 의해 분석하였다. 결과를 표 3에서 기재한다.
실시예 1 2 3 4 5
I2No (mg/g) 120.9 117.0 104.2 89.5 91.5
CTAB (m2/g) 108.9 105.8 98.2 87.0 88.5
톨. 추출 (%) 100 100 100 100 100
틴트 (%) 109.4 106.4 104.4 99.8 99.5
DBP (cc/100g) 103.9 107.1 101.2 101.4 102.3
CDBP (cc/100g) 91.8 90.7 89.0 88.9 87.9
D모드 (nm) 112 117 118 128 123
Dst (nm) 110 116 116 127 122
△D50 (nm) 96 101 102 103 101
입경 (nm) 14.67 14.99 16.34 18.45 17.92
톨.추출=톨루엔 추출 정도
실시예 6 7 8 9 10
I2No (mg/g) 98.7 85.9 96.1 85.4 72.9
CTAB (m2/g) 88.7 78.8 87.1 79.3 79.2
톨. 추출 (%) 100 100 100 100 100
틴트 (%) 99.1 91.6 96.6 90.3 93.6
DBP (cc/100g) 100.6 101.7 106.0 110.0 111.1
CDBP (cc/100g) 85.6 85.7 88.6 89.9 92.2
D모드 (nm) 127 136 125 138 129
Dst (nm) 125 137 125 143 130
△D50 (nm) 102 110 100 116 107
입경 (nm) 17.48 19.24 16.70 17.52 18.41
실시예 11 12 13 14
I2No (mg/g) 125.7 85.8 90.5 89.2
CTAB (m2/g) 98.6 77.0 76.3 75.7
톨. 추출 (%) 100 100 100 100
틴트 (%) 105.0 88.7 91.1 90.4
DBP (cc/100g) 106.0 101.0 101.1 103.7
CDBP (cc/100g) 89.8 84.9 85.7 85.5
D모드 (nm) NM NM NM NM
Dst (nm) NM NM NM NM
△D50 (nm) NM NM NM NM
입경 (nm) 15.07 19.64 18.99 16.74
NM=측정되지 않음
실시예 15 16 17 18
I2No (mg/g) 77.2 96.0 80.3 63.6
CTAB (m2/g) 69.6 83.2 72.2 59.9
톨. 추출 (%) 100 73 100 100
틴트 (%) 86.1 92.5 84.2 74.7
DBP (cc/100g) 158.6 161.5 163.3 162.1
CDBP (cc/100g) 99.8 107.1 102.1 99.3
D모드 (nm) 122 125 134 135
Dst (nm) 135 132 146 166
△D50 (nm) 101 95 106 130
입경 (nm) 29.70 16.74 23.32 33.55
실시예 19 20 21 22
I2No (mg/g) 71.3 62.5 71.2 96.2
CTAB (m2/g) 63.5 54.8 63.5 83.6
톨. 추출 (%) 100 100 95 72
틴트 (%) 74.1 69.6 80.0 92.2
DBP (cc/100g) 153.3 149.9 150.5 154.2
CDBP (cc/100g) 97.5 96.1 98.8 102.8
D모드 (nm) 146 152 119 107
Dst (nm) 177 194 158 135
△D50 (nm) 151 173 138 116
입경 (nm) 22.66 29.91 32.60 20.23
실시예 23 24 25
I2No (mg/g) 95.4 97.7 86.1
CTAB (m2/g) 85.0 100.9 85.4
톨. 추출 (%) 100 66 93
틴트 (%) 90.5 110.0 105.1
DBP (cc/100g) 159.0 127.7 140.4
CDBP (cc/100g) 109.7 103.2 102.0
D모드 (nm) 126 98 109
Dst (nm) 132 99 108
△D50 (nm) 97 69 71
입경 (nm) 21.55 19.00 25.11
실시예 26 27 28 29
I2No (mg/g) 58.6 69.8 71.5 80.6
CTAB (m2/g) 63.7 75.4 76.7 79.7
톨. 추출 (%) 82 97 90 100
틴트 (%) 79.4 106.5 105.3 104.8
DBP (cc/100g) 128.5 59.4 56.8 52.2
CDBP (cc/100g) 100.5 57.8 56.6 52.8
D모드 (nm) 173 109 105 104
Dst (nm) 174 112 112 110
△D50 (nm) 126 108 105 104
입경 (nm) 21.44 24.34 23.41 21.88
실시예 30 31 32 33
I2No (mg/g) 100.0 88.4 103.2 88.9
CTAB (m2/g) 90.3 83.3 91.0 87.7
톨. 추출 (%) 100 98 100 100
틴트 (%) 112.8 113.0 116.1 111.7
DBP (cc/100g) 77.0 75.3 67.7 68.8
CDBP (cc/100g) 72.6 71.2 66.7 68.0
D모드 (nm) 91 91 85 88
Dst (nm) 92 94 87 91
△D50 (nm) 66 67 61 64
입경 (nm) 23.50 24.75 22.22 22.95
실시예 34-55
본 발명의 카본블랙 및 중합체 조성물의 효율성 및 잇점이 본 세트의 실시예에 의해 예시된다.
종합체 조성물 A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M 및 N을 제조하여 본 발명의 카본블랙 및 대조용 카본블랙을 포함하는 실시예 1-14의 카본블랙이 혼입된 중합체 조성물의 겉보기 점도, 용융 유동 지수 및 흡수 계수 특성을 평가하였다. 중합체 조성물 O, P, Q, R, S, T, U 및 V를 제조하여 본 발명의 카본블랙 및 대조용 카본블랙을 포함하는 실시예 26-33의 카본블랙이 혼입된 중합체 조성물의 겉보기 점도 및 용융 유동 지수를 평가하였다.
실시예 1-14 및 26-33에서 제조된 각각의 카본블랙을 35 질량%의 부가량으로 중합체 조성물 내에 혼입시켰다. 중합체 조성물 A-N은 실시예 1-14에서 제조된 카본블랙을 이용하여 제조하였다. 중합체 조성물 C, D, E, F, G, H, I 및 J는 본 발명의 퍼니스 카본블랙을 포함하는 본 발명의 중합체 조성물이며, 중합체 조성물 A 및 B는 상응하는 대조물이다. 중합체 조성물 L, M 및 N은 또한 본 발명의 퍼니스 카본블랙을 포함하는 본 발명의 중합체 조성물이며, 중합체 조성물 K는 상응하는 대조물이다. 중합체 조성물 O-V는 실시예 26-33에서 제조된 카본블랙을 이용하여 제조하였다. 중합체 조성물 O, P, Q 및 R은 본 발명의 퍼니스 카본블랙을 포함하는 본 발명의 중합체 조성물이며, 중합체 조성물 S, T, V 및 U는 각각 상응하는 대조물이다.
중합체 조성물 A-V를 하기와 같이 제조하였다.
실시예 1 부터 14 (중합체 조성물 A-N)의 카본블랙에 대해서는 DFDA7510으로, 그리고 실시예 26 부터 33 (중합체 조성물 O-V)의 카본블랙에 대해서는 GRSN7510으로 식별되는 선형 저밀도 폴리에틸렌 (LLDPE) 781.4 g 및 카본블랙 420.7 g 모두를 부피가 1100 cm3인 혼합실을 갖는 파렐 레버레토리 반베리(Farrel laboratory Banbury) 혼합기에 도입시켰다. DFDA7510 폴리에틸렌 및 GRSN7510 폴리에틸렌은 유니온 카바이드 (Union Carbide)사에 의해 제조되고 시판된다. 혼합 단계의 개시 온도는 약 120 ℉ (322 K)이었고, 처음 30초는 77 rpm에서, 다음 45 초는 116 rpm에서, 나머지 혼합 시간 동안은 155 rpm에서 3분 동안 혼합이 수행되었다. 혼합 후, 생성물을 180 ℉ (355 K)에서 2개의 롤 밀 상에서 3/8 인치 (0.0095 m) 두께의 시트로 성형시켰다. 이어서, 이 시트를 스트립으로 절단하고, 다이서를 통과시켜 이들을 면당 3/8 인치 (0.0095 m)인 입방체로 전환시켰다. 생성물을 선별하여 균일한 크기의 조각만이 다음 시험에서 사용되도록 하였다.
중합체 조성물의 특성을 상기 기술된 방식으로 평가하고, 그 결과를 표 4에 보고하였다. 상기에서 기술된 바와 같이, 중합체 조성물의 특정 성질의 평가는 부가적인 LLDPE 를 이용하여 달성되는 35 % 이하의 카본블랙 부가 농도에서 수행하였다.
실시예 번호 34 35 36 37 38
중합체 조성물 A B C D E
카본 블랙 1 2 3 4 5
하기 전단율에서 겉보기 점도 (Pa-s)
100 s-1 2331 2342 2246 2211 2257
300 s-1 1122 1130 1083 1098 1068
600 s-1 688 696 668 679 679
1000 s-1 471 478 457 466 466
용융 유동 지수 (g/10 분) 3.12 3.17 3.40 4.18 4.29
COA (k Abs 단위/m) 451.4 467.7 442.4 420.7 408.4
카본 블랙=실시예 수행 번호의 카본 블랙; Pa-s=파스칼 초; s-1=/초; g=그램; min=분; k Abs 단위/m=흡수도 단위/m (x 1,000)
실시예 번호 39 40 41 42 43
중합체 조성물 F G H I J
카본 블랙 6 7 8 9 10
하기 전단율에서 겉보기 점도 (Pa-s)
100 s-1 2194 2160 2246 2240 2359
300 s-1 1070 1064 1098 1104 1136
600 s-1 663 661 678 689 697
1000 s-1 457 455 467 473 471
용융 유동 지수 (g/10 분) 6.58 7.83 5.49 7.56 3.83
COA (k Abs 단위/m) 428.0 421.3 419.6 416.0 414.4
실시예 번호 44 45 46 47
중합체 조성물 K L M N
카본 블랙 11 12 13 14
하기 전단율에서 겉보기 점도 (Pa-s)
100 s-1 2160 1966 2006 2023
300 s-1 1058 988 1001 1009
600 s-1 656 622 628 633
1000 s-1 451 429 433 436
용융 유동 지수 (g/10 분) NM NM NM NM
COA (k Abs 단위/m) 427 377 386 370
NM=측정되지 않음
실시예 번호 48 49 50 51
중합체 조성물 O P Q R
카본 블랙 26 27 28 29
하기 전단율에서 겉보기 점도 (Pa-s)
100 s-1 2795 2087 2201 2087
300 s-1 1357 1001 1047 998
600 s-1 834 618 647 615
1000 s-1 546 427 429 409
용융 유동 지수 (g/10 분) 10.80 15.90 12.56 24.54
COA (k Abs 단위/m) NM NM NM NM
NM=측정되지 않음
실시예 번호 52 53 54 55
중합체 조성물 S T U V
카본 블랙 30 31 32 33
하기 전단율에서 겉보기 점도 (Pa-s)
100 s-1 2236 2253 2236 2279
300 s-1 1073 1078 1073 1090
600 s-1 660 663 666 677
1000 s-1 455 459 451 459
용융 유동 지수 (g/10 분) 11.00 8.10 11.30 6.97
COA (k Abs 단위/m) NM NM NM NM
NM=측정되지 않음
카본블랙을 포함하는 중합체 조성물의 제조 방법은 카본블랙 및 용융 중합체의 혼합을 취급하는 하나 이상의 단계를 포함한다. 카본블랙 및 용융 중합체의 상기 혼합물의 점도는 이의 가공성의 용이함을 결정하는데 중요한 성질이다. 저점도는 카본블랙 및 용웅 중합체의 상기 혼합물의 가공성을 개선시키므로, 따라서 상기 조성물의 특히 중요하고 유용한 성질이다. 표 4에서 제공된 데이타는 본 발명의 카본블랙을 포함하는 본 발명의 중합체 조성물 C, D, E, F, G 및 H가 상응하는 대조용 조성물 A 및 B와 비교하여 특정된 전단율에서 보다 낮은 겉보기 점도를 발현한다는 것을 명백하게 보여준다. 표 4에 제공된 데이타는 또한, 본 발명의 카본블랙을 포함하는 본 발명의 중합체 조성물 L, M 및 N이 상응하는 대조용 중합체 조성물 K와 비교하여 특정된 전단 속도에서 보다 낮은 겉보기 점도를 발현한다는 것을 보여준다. 본 발명의 중합체 조성물 I 및 J는 특정된 전단율에서 상응하는 대조용 중합체 조성물 A 및 B의 점도에 필적하는 점도를 발현한다. 이는 중합체 조성물 I 및 J에 의해 발현된 점도는 각각 중합체 조성물 I 및 J에서 사용된 카본블랙 9 및 10이 각각 중합체 조성물 A 및 B에서 사용된 대조용 카본블랙 1 및 2보다 높은 구조도 (그의 DBP 값에 의해 알 수 있는 것처럼)를 갖는다는 사실로부터 기인한다고 여겨진다.
보다 높은 용융 유동 지수는 카본블랙 및 용융 중합체의 혼합물을 포함하는 조성물의 가공 특성이 개선되었다는 사실의 또 다른 지표이며, 따라서, 개선된 가공성을 얻고자 하는 경우 특히 바람직한 성질이다. 표 4에서 제공된 데이타는 본 발명의 카본블랙을 함유하는 본 발명의 중합체 조성물 C, D, E, F, G 및 H가 상응하는 대조용 중합체 조성물 A 및 B에 비교하여 보다 높은 용융 유동 지수들을 발현한다는 것을 분명하게 나타낸다. 표 4에서 제공된 데이타는 또한, 본 발명의 카본블랙을 포함하는 본 발명의 중합체 조성물 L, M 및 N이 상응하는 대조용 중합체 조성물 K와 비교하여 보다 높은 용융 지수들을 발현한다는 것을 나타낸다.
또한 표 4는 실시예 26 내지 33의 카본블랙을 함유하는 중합체 조성물에 대한 겉보기 점도 및 용융 유동 지수 데이타를 제공한다. 표 4에서 나타난 바와 같이, 실시예 27, 28 및 29의 본 발명의 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물 P, Q 및 R은 실시예 31, 33 및 32의 카본블랙이 혼입되는 각각의 대조용 조성물 T, V 및 U와 비교하여 보다 낮은 점도 및 보다 높은 용융 지수들을 갖는다. 표 4의 데이타는 실시예 26의 카본블랙을 함유하는 중합체 조성물이 실시예 30의 카본블랙을 함유하는 중합체 조성물에 비해 보다 높은 점도 및 대략 동일한 용융 유동 지수를 발현한다는 것을 보여준다. 이 결과는, 실시예 30의 카본블랙과 비교하여 구조에 영향을 미치는 시약을 매우 상이한 첨가 속도로 사용하여 제조된 실시예 26의 카본블랙의 매우 높은 구조도로부터 유발되는 것으로 여겨진다.
카본블랙 함유 중합체 조성물의 흡수 계수는 상기 조성물이 물리적 성질의 손상을 최소로 하면서 UV 노출에 대한 내성을 나타내는 지표로 간주된다. 표 4에 제공된 데이타는 본 발명의 카본블랙을 함유하는 본 발명의 중합체 조성물 C, D, E, F, G, H, I 및 J가 대조용 중합체 조성물 A 및 B의 흡수 계수에 필적하는 흡수 계수를 갖는다는 것을 나타낸다. 표 4에 제공된 데이타는 또한 본 발명의 카본블랙을 포함하는 본 발명의 중합체 조성물 L, M 및 N이 대조용 중합체 조성물 K의 흡수 계수와 필적하는 흡수 계수를 갖는다는 것을 지시한다.
실시예 56-77
본 발명의 카본블랙 및 중합체 조성물의 효율성 및 잇점은 본 세트의 실시예에 의해 예시된다.
중합체 조성물 AA, BB, CC, DD, EE, FF, GG, HH, II, JJ, KK, LL, MM, NN, OO, PP, QQ, RR, SS, TT, UU 및 VV를 제조하여 대조용 카본블랙이 혼입되는 중합체 조성물과 비교하여 본 발명의 카본블랙이 혼입되는 중합체 조성물의 혼합 수분 흡수도(CMA)를 평가하였다. 실시예 1-14 및 26-33에서 생산된 각각의 카본블랙을 중합체 조성물 중에 혼입시켰다. 중합체 조성물 CC, DD, EE, FF, GG, HH, II 및 JJ는 실시예 3-10의 본 발명의 퍼니스 카본블랙을 함유하는 본 발명의 중합체 조성물이며, 중합체 조성물 AA 및 BB는 실시예 1 및 2의 퍼니스 카본블랙을 함유하는 상응하는 대조물이다. 또한 중합체 조성물 LL, MM 및 NN은 또한 실시예 12, 13 및 14의 본 발명의 퍼니스 카본블랙을 포함하는 본 발명의 중합체 조성물이며, 중합체 조성물 KK는 실시예 10의 퍼니스 카본블랙을 함유하는 상응하는 대조물이다. 중합체 조성물 OO, PP, QQ 및 RR은 실시예 26-29의 본 발명의 퍼니스 카본블랙을 함유하는 본 발명의 중합체 조성물이며, 중합체 조성물 SS, TT, VV 및 UU는 각각 실시예 30-33의 퍼니스 카본블랙을 함유하는 상응하는 대조물이다.
중합체 조성물 AA-VV을 하기와 같이 제조하였다.
실시예 1 부터 14의 카본블랙의 경우 DFDA7510으로, 그리고 실시예 26 부터 33의 카본블랙의 경우 GRSN7510으로 식별되는 LLDPE 35.75 g 및 카본블랙 19.25 g을 사용하여 브라벤더 플라스티코더(Brabender plasticorder) 중에서 제조하였다. DFDA7510 폴리에틸렌 및 GRSN7510 폴리에틸렌은 유니온 카바이드(Union Carbide)사에 의해 제조 및 시판된다. 바람직한 온도에 도달된 후 회전자를 60 rpm으로 회전시키고, 측량된 중합체 및 카본블랙을 30 초 동안 부가 슈트를 통하여 도입시켰다. 성분들을 플럭스로 하향시키면서 10,000 kg 측량체를 슈트 램에 첨가하였다. 측량체 및 슈트를 플럭스로부터 제거하였다. 회전자 속도를 60 rpm으로 조절하고, 브라벤더 램을 낮추고, 화합물을 5 분 동안 혼합하였다. 이 시간 후에 종결하고, 화합물을 제거하고, 2개의 롤 밀에 2회 통과시켰다. 생성된 시트를 CMA 시험을 위하여 보다 작은 조각으로 절단하였다.
본원에서 기술된 과정을 이용하여 중합체 조성물의 CMA를 평가하였다. 결과를 표 5에서 나타낸다.
실시예 번호 56 57 58 59 60
중합체 조성물 AA BB CC DD EE
카본 블랙 1 2 3 4 5
CMA (%) 0.477 0.475 0.416 0.437 0.415
카본 블랙=실시예 수행 번호의 카본 블랙
실시예 번호 61 62 63 64 65
중합체 조성물 FF GG HH II JJ
카본 블랙 6 7 8 9 10
CMA (%) 0.374 0.292 0.374 0.276 0.382
실시예 번호 66 67 68 69
중합체 조성물 KK LL MM NN
카본 블랙 11 12 13 14
CMA (%) 0.465 0.243 0.288 0.265
실시예 번호 70 71 72 73
중합체 조성물 OO PP QQ RR
카본 블랙 26 27 28 29
CMA (%) 0.258 0.08 0.085 0.308
실시예 번호 74 75 76 77
중합체 조성물 SS TT UU VV
카본 블랙 30 31 32 33
CMA (%) 0.513 0.385 0.485 0.086
상기에 나타난 바와 같이, 카본블랙-함유 중합체 조성물의 혼합 수분 흡수도 (CMA)는 상기 조성물의 특히 중요한 성질이다. 표 5에서 제공된 데이터는, 본 발명의 카본블랙을 함유하는 본 발명의 중합체 조성물 CC, DD, EE, FF, GG, HH, II, JJ, LL, MM 및 NN이 상응하는 대조용 중합체 조성물 AA, BB 및 KK와 비교할 때 보다 낮은 CMA 값을 발현하는 것을 분명하게 나타낸다.
표 5는 또한 실시예 26 내지 33의 카본블랙을 함유하는 중합체 조성물의 CMA 값을 나타낸다. 본 발명의 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물 OO, PP, QQ 및 RR를 그의 각각의 대조물 (중합체 조성물 SS, TT, VV 및 UU)과 비교할때, 본 실시예 군의 경우 본 발명의 중합체 조성물이 그의 상응하는 대조물의 CMA 값 보다 낮거나 또는 그에 필적하는 CMA 값을 발현한다는 것을 관찰할 수 있을 것이다.
실시예 78 및 79
본 발명의 카본블랙 및 중합체 조성물의 효율성 및 잇점이 실시예 78 및 79에서 기재된 중합체 조성물에 의해 추가로 예시된다.
본 발명의 중합체 조성물 W 및 X는, 중합체 조성물 중의 카본블랙의 함량이 35% 이상이 되도록 실시예 수행 7에서 생산된 카본블랙을 혼입시켜 제조하였다. 사용된 중합체는 유니온 카바이드사에 의해 제조되고 시판되며 DFDA 7510으로 식별된 LLDPE이었다. 표 6은 사용된 실제 부가량 및 본원에서 기술된 과정을 이용하여 결정된 중합체 조성물의 특성을 나타낸다.
실시예 번호 78 79
중합체 조성물 W X
카본 블랙 7 7
중합체 조성물 중의 카본 블랙 부가량 (%) 38 40
하기 전단율에서 겉보기 점도 (Pa-s)
100 s-1 2445 2707
300 s-1 1193 1303
600 s-1 729 784
1000 s-1 486 517
용융 유동 지수 (g/10분) 5.30 2.98
카본블랙의 부가량만이 상이한 임의의 2개의 중합체 조성물의 경우, 중합체 조성물의 가공 특성을 비교하는 또 다른 매카니즘은 각각의 중합체 조성물의 용융 유동 지수를 비교하거나, 또는, 동일 전단율이 가해졌을 때의 각 중합체 조성물의 점도를 비교하는 것이다. 저점도 또는 보다 높은 용융 유동 지수를 발현하는 중합체 조성물은 일반적으로 가공하기에 보다 용이한 것으로 간주될 수 있다.
각 계열은 상이한 카본블랙으로부터 제조되나, 특정 계열 안의 조성물은 카본블랙의 부가량만이 상이하고 다른 점에서는 유사한 임의의 2종의 중합체 조성물 계열로 본 논의를 확장하면, 일정 전단율에서 주어진 용융 유동 지수 또는 점도에 대하여 보다 높은 카본블랙 부가량을 허용하는 계열의 조성물이 더 개선된 가공성을 갖는 것으로 간주될 것이다.
도 4 및 도 5에 나타난 결과는 본 발명의 카본블랙이 하기 이유로 본원에서 기술된 중합체 조성물에 혼입될 때 가공성이 개선된다는 것을 나타낸다.
도 4는 실시예 7에서 제조된 본 발명의 카본블랙을 점점 도 높은 부가량으로 함유하는 본 발명의 중합체 조성물 G, W 및 X의 용융 유동 지수들을 도시한다. 도 4는 또한 대조용 중합체 조성물 A 및 B의 용융 유동 지수들을 도시한다. 상기한 바와 같이, 보다 큰 크기의 용융 유동 지수는 가공성이 보다 용이한 중합체 조성물을 나타낸다. 따라서, 도 4는 본 발명의 중합체 조성물 G, W 및 X는 상응하는 대조용 중합체 조성물 A 및 B 중 어느 하나가 혼입되는 경우 달성되는 것을 넘는 부가량으로 카본블랙을 함유하는 한편, 여전히 동등한 정도의 또는 그 이상의 용융 유동 지수를 발현한다는 것을 분명하게 나타낸다.
유사한 유형으로, 도 5는 실시예 수행 7에서 생산된 본 발명의 카본블랙을 점점 더 증가하는 부가량으로 함유하는 본 발명의 중합체 조성물 G, W 및 X의 전단율 100 s-1에서의 겉보기 점도를 도시한다. 도 5는 또한 대조용 중합체 조성물 A 및 B의 전단율 100s-1에서의 겉보기 점도를 도시한다. 따라서, 도 5는 본 발명의 중합체 조성물 G, W 및 X는 상응하는 대조용 중합체 조성물 A 및 B 중 어느 하나가 혼입되는 경우 달성되는 부가량 이상의 부가량으로 카본블랙을 함유하는 반면, 여저히 동일한 정도의 또는 그 이하의 겉보기 점도를 발현한다는 것을 분명하게 나타낸다. 본 발명의 카본블랙이 통상적으로 사용되는 부가량보다 높은 부가량으로 사용될 수 있다는 것은 당업계의 숙련가에게 분명할 것이다. 이러한 고 부가량으로 본 발명의 카본블랙를 사용하면 혼합 수분 흡수도가 본 발명의 카본블랙에 의해 개선되어 사실상 불량한 혼합 수분 흡수도가 나타나지 않을 것이다.
본원에서 기술된 본 발명의 형태는 단지 예시적이며 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니라는 것이 분명하게 이해되어야 한다. 본 발명은 하기 청구 범위에 속하는 모든 변형들을 포함한다.

Claims (67)

  1. 요오드 흡수 수치(I2No.)가 65-95 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙.
  2. 제1항에 있어서, I2No.가 73-94 mg/g인 카본블랙.
  3. 제2항에 있어서, I2No.가 85-93 mg/g인 카본블랙.
  4. 제1항에 있어서, 제1 입경이 19nm 이하인 카본블랙.
  5. 제2항에 있어서, 제1 입경이 19nm 이하인 카본블랙.
  6. 제3항에 있어서, 제1 입경이 19nm 이하인 카본블랙.
  7. I2No.가 100-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙.
  8. 제7항에 있어서, 제1 입경이 19nm 이하인 카본블랙.
  9. I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, 분쇄된 카본블랙의 디부틸 흡수도(CDBP)가 102 cc/100g 이하인 카본블랙.
  10. 제9항에 있어서, CDBP가 70-100 cc/100g인 카본블랙.
  11. 제10항에 있어서, CDBP가 80-95 cc/100g인 카본블랙.
  12. 제9항에 있어서, 제1 입경이 19 nm 이하인 카본블랙.
  13. 제10항에 있어서, 제1 입경이 19 nm 이하인 카본블랙.
  14. 제11항에 있어서, 제1 입경이 19 nm 이하인 카본블랙.
  15. 제9항에 있어서, I2No.가 73-104 mg/g인 카본블랙.
  16. 제10항에 있어서, I2No.가 73-104 mg/g인 카본블랙.
  17. 제11항에 있어서, I2No.가 73-104 mg/g인 카본블랙.
  18. 제12항에 있어서, I2No.가 73-104 mg/g인 카본블랙.
  19. 제13항에 있어서, I2No.가 73-104 mg/g인 카본블랙.
  20. 제14항에 있어서, I2No.가 73-104 mg/g인 카본블랙.
  21. 제15항에 있어서, I2No.가 75-99 mg/g인 카본블랙.
  22. 제16항에 있어서, I2No.가 75-99 mg/g인 카본블랙.
  23. 제17항에 있어서, I2No.가 75-99 mg/g인 카본블랙.
  24. 제18항에 있어서, I2No.가 75-99 mg/g인 카본블랙.
  25. 제19항에 있어서, I2No.가 75-99 mg/g인 카본블랙.
  26. 제20항에 있어서, I2No.가 75-99 mg/g인 카본블랙.
  27. I2No.가 50-70 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하인 카본블랙.
  28. 제27항에 있어서, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하인 카본블랙.
  29. 제27항에 있어서, I2No.가 55-65 mg/g인 카본블랙.
  30. 제28항에 있어서, I2No.가 55-65 mg/g인 카본블랙.
  31. I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙.
  32. 제31항에 있어서, I2No.가 55-80 mg/g인 카본블랙.
  33. 제31항에 있어서, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하인 카본블랙.
  34. 제31항에 있어서, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙.
  35. 제32항에 있어서, I2No.가 60-78 mg/g인 카본블랙.
  36. 제33항에 있어서, I2No.가 60-78 mg/g인 카본블랙.
  37. 제34항에 있어서, I2No.가 60-78 mg/g인 카본블랙.
  38. 제32항에 있어서, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하인 카본블랙.
  39. 제34항에 있어서, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하인 카본블랙.
  40. 제35항에 있어서, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하인 카본블랙.
  41. 제37항에 있어서, 제1 입경이 20 nm 보다 크고 25 nm 이하인 카본블랙.
  42. 제33항에 있어서, CDBP가 50-96 cc/100g인 카본블랙.
  43. 중합체 및 I2No.가 65-95 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물.
  44. 중합체 및 I2No.가 100-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물.
  45. 중합체 및 I2No.가 65-112 mg/g이고, 제1 입경이 20 nm 이하이며, CDBP가 102 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물.
  46. 중합체 및 I2No.가 50-70 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물.
  47. 중합체 및 I2No.가 50-85 mg/g이고, 제1 입경이 25 nm 이하이며, CDBP가 96 cc/100g 이하인 카본블랙을 포함하는 중합체 조성물.
  48. 제43항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 300 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  49. 제44항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 300 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  50. 제45항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 300 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  51. 제46항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 300 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  52. 제47항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 300 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  53. 제48항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 100 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  54. 제49항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 100 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  55. 제50항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 100 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  56. 제51항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 100 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  57. 제52항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 100 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  58. 제53항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 80 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  59. 제54항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 80 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  60. 제55항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 80 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
  61. 제56항에 있어서, 중합체 100 중량부 당 카본블랙 0.5 내지 80 중량부를 포함하는 중합체 조성물.
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  63. 제43항에 있어서, 중합체가 폴리에틸렌인 중합체 조성물.
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