RU2806214C2 - Application of carbon nets containing carbon nanofibers - Google Patents

Application of carbon nets containing carbon nanofibers Download PDF

Info

Publication number
RU2806214C2
RU2806214C2 RU2020142785A RU2020142785A RU2806214C2 RU 2806214 C2 RU2806214 C2 RU 2806214C2 RU 2020142785 A RU2020142785 A RU 2020142785A RU 2020142785 A RU2020142785 A RU 2020142785A RU 2806214 C2 RU2806214 C2 RU 2806214C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
carbon
reinforced elastomer
nanofibers
carbon nanofibers
meshes
Prior art date
Application number
RU2020142785A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2020142785A (en
Inventor
Рутгер Александер Давид Ван Ралтен
Даниела Сорди
Original Assignee
КАРБОНКС АйПи 4 Б.В.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by КАРБОНКС АйПи 4 Б.В. filed Critical КАРБОНКС АйПи 4 Б.В.
Publication of RU2020142785A publication Critical patent/RU2020142785A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2806214C2 publication Critical patent/RU2806214C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: reinforcing elastomers.
SUBSTANCE: use of a porous carbon net that contains chemically interconnected carbon nanofibers for the reinforcement of elastomers is disclosed, in which the carbon net has intraparticle porosity, and in which the carbon nanofibers are interconnected with other carbon nanofibers in the net by chemical bonds at their intersections, and the pores in the net have a diameter of intraparticle pores of 5-150 nm as determined by mercury porosimetry, with at least 20 wt.% of the carbon in the carbon nets being in crystalline form, and the carbon nanofibers having an average length to fiber thickness ratio of at least 2. A reinforced elastomer containing the specified porous carbon mesh, and a finished product, which is a tire or rubber product containing the specified reinforced elastomer, are also disclosed.
EFFECT: group of inventions provides reinforcement of elastomers with improvement of their properties.
11 cl, 2 dwg, 8 tbl, 2 ex

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES

Настоящее изобретение относится к области армирующих эластомеров, в частности к армированию шин или резинотехнических изделий. The present invention relates to the field of reinforcing elastomers, in particular to the reinforcement of tires or rubber products.

предшествующий УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯPREVIOUS ART

Эластомеры широко используются во многих технологических приложениях, таких как шины, системы уплотнения, конвейерные системы, такие как ремни, шланги, автомобильная защита от атмосферных воздействий, формованные резиновые изделия и т.д. Рынок эластомеров можно разделить на шины и резинотехнические изделия, в которых ключевым компонентом каучука для смесей общего назначения может быть нитрил-бутадиеновый каучук (NBR), стирол-бутадиеновый каучук (SBR), этилен-пропилен-диеновый мономерный каучук (EPDM) и/или натуральный каучук, а для высокоэффективных (высококачественных) смесей это могут быть каучуки с мономерами винилиденфторида (FKM), перфторэластомеры (FFKM), тетрафторэтилен/пропиленовые каучуки (FEPM) и/или гидрированный нитрилбутадиеновый каучук (HNBR). Elastomers are widely used in many technological applications such as tires, sealing systems, conveyor systems such as belts, hoses, automotive weather protection, molded rubber products, etc. The elastomers market can be segmented into tires and rubber products, where the key rubber component for general purpose compounds may be nitrile butadiene rubber (NBR), styrene butadiene rubber (SBR), ethylene propylene diene monomer rubber (EPDM) and/or natural rubber, and for high performance (high quality) compounds these may be vinylidene fluoride monomer (FKM) rubbers, perfluoroelastomers (FFKM), tetrafluoroethylene/propylene rubbers (FEPM) and/or hydrogenated nitrile butadiene rubber (HNBR).

Конечные продукты из эластомеров, такие как шины, часто содержат различные каучуки, смешанные с дополнительными химическими и структурными компонентами, чтобы придать конечному продукту требуемые свойства. Например, типичная автомобильная шина может содержать приблизительно 45 мас.% эластомеров (таких как натуральный каучук, бутадиен-стирольный каучук (SBR), бутадиеновый каучук (BR) и бутилкаучук), приблизительно 20% армирующего агента (такого как сажа и/или кремнезем), приблизительно 15% металла, приблизительно 5% текстиля и различные добавки, такие как оксид цинка, сера и др. Шины, такие как автомобильные шины, могут содержать сажу в количестве 30-90 масс.ч. на 100 масс.ч. полимера или больше. В патентном документе ЕР 2880090 описано, что для улучшения свойств шин благоприятны определенные соотношения натурального каучука, наноуглеродных и сажевых армирующих агентов.Elastomer end products, such as tires, often contain various rubbers mixed with additional chemical and structural components to give the final product the desired properties. For example, a typical automobile tire may contain approximately 45% by weight elastomers (such as natural rubber, styrene butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR) and butyl rubber), approximately 20% reinforcing agent (such as carbon black and/or silica) , approximately 15% metal, approximately 5% textile, and various additives such as zinc oxide, sulfur, etc. Tires, such as automobile tires, may contain carbon black in an amount of 30-90 parts by weight. per 100 parts by mass polymer or more. Patent document EP 2880090 describes that certain ratios of natural rubber, nanocarbon and carbon black reinforcing agents are favorable for improving the properties of tires.

Также резинотехнические изделия (конвейерные ленты, топливные шланги) обычно содержат большое количество армирующих агентов, таких как сажа и/или кремнезем. Дополнительным требованием здесь может быть предотвращение накопления электростатического заряда, которое может происходить, когда два непроводящих материала перемещаются друг относительно друга. Любой разряд упомянутого накопленного электростатического заряда может привести к различным проблемам или опасностям, включая отказ электронного оборудования или пожар. Эти риски могут быть предотвращены путем включения сажи и тем самым превращения по меньшей мере одного из материалов в (полу)проводящий. Также системы уплотнения обычно содержат сажу. В этом случае предъявляется дополнительное требование к гладкости поверхности. Для того, чтобы получить наилучшее уплотнение, необходимо избегать любых дефектов на поверхности или по меньшей мере минимизировать их.Also, rubber products (conveyor belts, fuel hoses) usually contain large amounts of reinforcing agents such as carbon black and/or silica. An additional requirement here may be to prevent the buildup of electrostatic charge that can occur when two non-conductive materials move relative to each other. Any discharge of said stored electrostatic charge may result in various problems or hazards, including electronic equipment failure or fire. These risks can be prevented by incorporating carbon black and thereby making at least one of the materials (semi)conductive. Also, sealing systems typically contain soot. In this case, there is an additional requirement for surface smoothness. In order to obtain the best possible seal, any surface defects must be avoided or at least minimized.

В современной технологии сажа является преобладающим армирующим агентом, поскольку она является дешевой, а также улучшает обработку эластомера. Большое количество исследований было посвящено настройке (способа производства) сажи для получения оптимальных результатов в конечном продукте. Это привело ко множеству марок сажи, которые различаются по среднему размеру частиц, удельной площади поверхности, пористости, уровню примесей и т.д. По-прежнему существует потребность в дальнейшем повышении эффективности эластомеров и поиске технологии, позволяющей производить улучшенные эластомеры с использованием массового производства по приемлемой цене.In modern technology, carbon black is the predominant reinforcing agent because it is cheap and also improves the processing of the elastomer. A large amount of research has been devoted to tuning (the production method) of carbon black to obtain optimal results in the final product. This has resulted in a variety of carbon black grades that vary in average particle size, specific surface area, porosity, impurity levels, etc. There is still a need to further improve the performance of elastomers and to find technology that can produce improved elastomers using mass production at an affordable cost.

В поисках оптимизации свойств конечного продукта эластомера было обнаружено, что некоторые технологически продвинутые продукты, такие как углеродные нанотрубки, могут улучшать свойства эластомеров, когда они включаются в качестве добавки. Например, патентный документ WO 2016/045960 описывает использование наноразмерных углеродных структур (наноуглерода, такого как углеродные нанотрубки) при приготовлении армированного (наполненного) бутадиен-стирольного каучука (SBR). Однако эти материалы трудно производить в больших масштабах. Часто эти материалы являются трудно диспергируемыми или несовместимыми с некоторыми из других ингредиентов. Для их использования в промышленных условиях требуется специальное оборудование, что еще больше снижает производительность. In the quest to optimize the properties of the final elastomer product, it has been discovered that some technologically advanced products, such as carbon nanotubes, can improve the properties of elastomers when they are included as an additive. For example, patent document WO 2016/045960 describes the use of nanoscale carbon structures (nanocarbon, such as carbon nanotubes) in the preparation of reinforced styrene butadiene rubber (SBR). However, these materials are difficult to produce on a large scale. Often these materials are difficult to disperse or are incompatible with some of the other ingredients. Their use in industrial settings requires special equipment, further reducing productivity.

Патентный документ US2017/369660 описывает композиты углеродные нанотрубки-эластомер, способ получения таких композитов и их применение в качестве уплотнительного материала. Упоминается также сетка из трубок, которые физически связываются посредством перколяции. Patent document US2017/369660 describes carbon nanotube-elastomer composites, a method for preparing such composites, and their use as a sealing material. Also mentioned is a network of tubes that are physically connected through percolation.

Существует потребность в дальнейшем развитии свойств эластомеров, которые могли бы производиться в массовом порядке экономичным способом и позволяли бы получать более качественные и эффективные конечные продукты. Существует потребность в производстве автомобильных шин с более низким сопротивлением качению, чтобы снизить расход топлива и решить экологические проблемы, сохранив при этом другие важные свойства шин. Также существует потребность в улучшении сцепления шины с мокрой дорогой или на снегу при сохранении постоянного сопротивления качению и срока службы. There is a need to further develop the properties of elastomers that can be mass-produced in a cost-effective manner and produce higher quality and more efficient end products. There is a need to produce automobile tires with lower rolling resistance to reduce fuel consumption and solve environmental problems while maintaining other important tire properties. There is also a need to improve tire grip on wet roads or snow while maintaining consistent rolling resistance and service life.

Аналогично существует потребность в производстве улучшенных эластомеров, чтобы изготавливать конвейерные ленты с более низким сопротивлением качению, чтобы снизить эксплуатационную потребляемую мощность, а также ленты с высокой устойчивостью к повреждениям, чтобы предотвратить простои из-за порезов, истирания, износа и проколов. Также в области систем уплотнения существует потребность в более совершенных системах уплотнения, которые обеспечивали бы улучшенные герметизирующие свойства, а также улучшенные характеристики сжатия (то есть срок службы) резиновой смеси.Likewise, there is a need to produce improved elastomers to produce conveyor belts with lower rolling resistance to reduce operational power consumption, as well as belts with high damage resistance to prevent downtime due to cuts, abrasions, wear and punctures. There is also a need in the field of sealing systems for more advanced sealing systems that provide improved sealing properties as well as improved compression properties (ie, service life) of the rubber compound.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что недавно разработанная марка содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток может с выгодой использоваться для улучшения свойств эластомеров, до такой степени, что вышеупомянутые потребности в данной области техники могут быть удовлетворены. Более конкретно было найдено, что пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки могут использоваться для армирования эластомеров. Более подробно это описано в экспериментальных разделах настоящего документа. Было найдено, что эти пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки, имеющие высокую внутричастичную пористость, могут использоваться для производства высокоармированного эластомера. Без привязки к какой-либо конкретной теории, считается, что это связано с внутричастичной пористостью этих сеток. Прочность эластомеров может быть улучшена без обычных недостатков, таких как уменьшенный тангенс дельта при 0°C (сцепление шины с мокрым дорожным покрытием), и/или увеличенный тангенс дельта при 60°C (сопротивление качению), и/или повышение температуры в результате накопления тепла, что приводит к деформации (ползучести). Композит армированного эластомера по настоящему изобретению является очень полезным во многих технологических приложениях, таких как шины или резинотехнические изделия, такие как уплотнения, прокладки, конвейерные ленты, трубки и т.п. Он позволяет изготавливать шины, такие как автомобильные шины, или конвейерные ленты, имеющие более низкое сопротивление качению, без уменьшения сцепления шины с мокрым дорожным покрытием или срока службы.The present inventors have discovered that a newly developed grade of carbon nanofiber-containing carbon meshes can be advantageously used to improve the properties of elastomers to the extent that the above-mentioned needs in the art can be met. More specifically, it has been found that porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks can be used to reinforce elastomers. This is described in more detail in the experimental sections of this document. It has been found that these porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks having high intraparticle porosity can be used to produce a highly reinforced elastomer. Without being bound by any particular theory, it is believed that this is due to the intraparticle porosity of these networks. The strength of elastomers can be improved without the usual disadvantages such as reduced tan delta at 0°C (wet grip), and/or increased tan delta at 60°C (rolling resistance), and/or increased temperature due to accumulation heat, which leads to deformation (creep). The reinforced elastomer composite of the present invention is very useful in many technological applications such as tires or rubber products such as seals, gaskets, conveyor belts, tubes and the like. It allows tires, such as automobile tires or conveyor belts, to be produced that have lower rolling resistance without reducing the tire's wet grip or service life.

Углеродные сетки могут содержать кристаллические углеродные нановолокна. Углеродные нановолокна могут иметь длину 30-10000 нм. Кроме того, углеродные сетки имеют внутричастичную пористость. Углеродные сетки по настоящему изобретению могут с выгодой добавляться к эластомерам на уровне включения 1-60 мас.% или альтернативно 10-120 м.ч. на 100 м.ч. смолы. Carbon meshes may contain crystalline carbon nanofibers. Carbon nanofibers can have a length of 30-10,000 nm. In addition, carbon networks have intraparticle porosity. The carbon networks of the present invention can advantageously be added to elastomers at an inclusion level of 1-60 wt% or alternatively 10-120 phr. at 100 m.h. resin.

Настоящее изобретение, кроме того, распространяется на способ производства упомянутых углеродных сеток, в значительной степени с использованием обычного набора, использующего восстановительный (пиролиз) или окислительный (частичного или полного сжигания) процесс производства сажи. The present invention further extends to a method for producing said carbon meshes, largely using a conventional set employing a reductive (pyrolysis) or oxidative (partial or complete combustion) carbon black production process.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Фиг. 1A представляет собой схематическую диаграмму процесса непрерывного производства сажи в печи в соответствии с настоящим изобретением, который содержит, вдоль оси реактора 3, зону 3a горения, реакционную зону 3b и зону 3c завершения, путем создания потока горячего отходящего газа a1 в зоне горения за счет сжигания топлива в кислородсодержащем газе b и прохождения отходящего газа a1 из зоны горения 3a в реакционную зону 3b, распыления однофазной эмульсии c в реакционной зоне 3b, содержащей горячий отходящий газ, карбонизации упомянутой эмульсии при повышенной температуре, и гашения или остановки реакции в зоне 3c завершения путем распыления воды d, чтобы получить кристаллические углеродные сетки е в соответствии с настоящим изобретением;Fig. 1A is a schematic diagram of a continuous furnace soot production process in accordance with the present invention, which comprises, along the axis of the reactor 3, a combustion zone 3a, a reaction zone 3b and a termination zone 3c, by generating a hot exhaust gas stream a1 in the combustion zone by combustion fuel in oxygen-containing gas b and passing exhaust gas a1 from combustion zone 3a into reaction zone 3b, spraying a single-phase emulsion c into reaction zone 3b containing the hot exhaust gas, carbonizing said emulsion at an elevated temperature, and quenching or stopping the reaction in zone 3c by completing spraying water d to obtain crystalline carbon networks e in accordance with the present invention;

Фиг. 1B представляет собой схематическую диаграмму процесса полупериодического производства сажи путем распыления однофазной эмульсии c через сопло 4 в верхней части реактора 3 в реакционную зону 3b при повышенной температуре, карбонизации упомянутой эмульсии при повышенной температуре в реакционной зоне 3b, и сбора кристаллических углеродных сеток e на дне реактора. Кроме того, присутствуют два газовых входа, которые входят в реактор сверху, для добавления инертного газа f, предпочтительно азота, для контроля и/или снижения уровня кислорода, и для ввода в реактор углеродсодержащего газа g, предпочтительно ацетилена или этилена.Fig. 1B is a schematic diagram of a process for semi-batch production of carbon black by spraying a single-phase emulsion c through a nozzle 4 at the top of a reactor 3 into a reaction zone 3b at an elevated temperature, carbonizing said emulsion at an elevated temperature in a reaction zone 3b, and collecting crystalline carbon networks e at the bottom of the reactor . In addition, two gas inlets are present which enter the reactor from the top for adding an inert gas f, preferably nitrogen, to control and/or reduce the oxygen level, and for introducing a carbonaceous gas g, preferably acetylene or ethylene, into the reactor.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯOPTIONS FOR IMPLEMENTING THE PRESENT INVENTION

1. Применение пористой, химически взаимосвязанной, содержащей углеродные нановолокна углеродной сетки для армирования эластомеров;1. The use of a porous, chemically interconnected carbon mesh containing carbon nanofibers for reinforcing elastomers;

2. Применение в соответствии с вариантом осуществления 1, в котором уровень включения углеродной сетки в армированный эластомер составляет 1-60 мас.% или 10-120 м.ч. на 100 м.ч. смолы;2. Use according to embodiment 1, wherein the level of incorporation of the carbon network into the reinforced elastomer is 1-60 wt.% or 10-120 p.m. at 100 m.h. resins;

3. Применение в соответствии с вариантом осуществления 1 или 2, в котором углеродная сетка содержит нановолокна кристаллического углерода;3. Use according to embodiment 1 or 2, wherein the carbon mesh contains crystalline carbon nanofibers;

4. Применение в соответствии с любым из предшествующих вариантов осуществления, в котором углеродная сетка является внутричастично пористой сеткой;4. Use according to any of the preceding embodiments, wherein the carbon mesh is an intraparticle porous mesh;

5. Применение в соответствии с любым из предшествующих вариантов осуществления, в котором средняя длина углеродных нановолокон составляет 30-10000 нм;5. Use according to any of the preceding embodiments, wherein the average length of the carbon nanofibers is 30-10000 nm;

6. Применение в соответствии с любым из предшествующих вариантов осуществления, в котором армированный эластомер используется в шинах или резинотехнических изделиях;6. Use according to any of the preceding embodiments, wherein the reinforced elastomer is used in tires or rubber products;

7. Армированный эластомер, содержащий 10-60 мас.% или 10-120 м.ч. на 100 м.ч. смолы пористой, химически взаимосвязанной, содержащей углеродные нановолокна углеродной сетки;7. Reinforced elastomer containing 10-60 wt.% or 10-120 ppm. at 100 m.h. porous, chemically interconnected resin containing carbon nanofibers of a carbon mesh;

8. Применение в соответствии с любым из вариантов осуществления 1-6 или армированный эластомер в соответствии с вариантом осуществления 7, в котором армированный эластомер соответствует по меньшей мере 4, более предпочтительно по меньшей мере 5, еще более предпочтительно по меньшей мере 6, и наиболее предпочтительно всем следующим характеристикам в соответствии с вариантом осуществления (a) в таблице:8. Use in accordance with any of embodiments 1-6 or the reinforced elastomer in accordance with embodiment 7, wherein the reinforced elastomer is at least 4, more preferably at least 5, even more preferably at least 6, and most preferably all of the following characteristics in accordance with embodiment (a) in the table:

Предпочтительно (a)Preferred (a) Более предпочтительно (b)More preferable (b) Еще более предпочтительно (c)Even more preferably (c) Наиболее предпочтительно (d)Most preferred (d) ISO4664-1:2011, тангенс дельта при 0 (°C)ISO4664-1:2011, tan delta at 0 (°C) ≥ 0,1250≥ 0.1250 ≥ 0,1500≥ 0.1500 ≥ 0,1775≥ 0.1775 ≥ 0,1800≥ 0.1800 ISO4664-1:2011, тангенс дельта при 60 (°C)ISO4664-1:2011, tan delta at 60 (°C) ≤ 0,1350≤ 0.1350 ≤ 0,1300≤ 0.1300 ≤ 0,1300≤ 0.1300 ≤ 0,1275≤ 0.1275 ISO 4649:2010, потеря объема (мм3)ISO 4649:2010, volume loss (mm 3 ) < 115< 115 < 115< 115 < 110< 110 < 110< 110 ISO37:2011, максимальная прочность при растяжении (МПа)ISO37:2011, maximum tensile strength (MPa) ≥ 22≥ 22 ≥ 24≥ 24 ≥ 26≥ 26 ≥ 28≥ 28 ISO37:2011, относительное удлинение при разрыве (%)ISO37:2011 elongation at break (%) ≥ 350≥ 350 ≥ 400≥ 400 ≥ 450≥ 450 ≥ 475≥ 475 ISO 4666-3:2016, Повышение температуры (накопление тепла) (°C)ISO 4666-3:2016, Temperature rise (heat storage) (°C) ≤30≤30 ≤ 29≤ 29 ≤ 28≤ 28 ≤ 26≤ 26 ISO 4666-3:2016, ползучесть (%)ISO 4666-3:2016, creep (%) ≤ 3≤ 3 ≤ 2,9≤ 2.9 ≤ 2,8≤ 2.8 ≤ 2,6≤ 2.6

9. Применение в соответствии с любым из вариантов осуществления 1-6 и 8, или армированный эластомер в соответствии с любым из вариантов осуществления 7-8, в котором углеродная сетка получается с помощью процесса для производства сеток из кристаллического углерода в реакторе 3, который содержит реакционную зону 3b и зону 3c завершения, путем впрыскивания микроэмульсии типа «вода в масле» или взаимно-непрерывной микроэмульсии c, содержащей наночастицы металлического катализатора, в реакционную зону 3b с температурой выше 600°C, предпочтительно выше 700°C, более предпочтительно выше 900°C, еще более предпочтительно выше 1000°C, более предпочтительно выше 1100°C, предпочтительно вплоть до 3000°C, более предпочтительно вплоть до 2500°C, наиболее предпочтительно вплоть до 2000°C, для производства сеток e из кристаллического углерода, передачи этих сеток e в зону 3c завершения, и гашения или остановки реакции формирования сеток из кристаллического углерода в зоне завершения путем распыления воды d;9. Use in accordance with any of embodiments 1-6 and 8, or a reinforced elastomer in accordance with any of embodiments 7-8, wherein the carbon mesh is produced by a process for producing crystalline carbon meshes in a reactor 3 that contains reaction zone 3b and completion zone 3c by injecting a water-in-oil microemulsion or intercontinuous microemulsion c containing metal catalyst nanoparticles into reaction zone 3b at a temperature above 600°C, preferably above 700°C, more preferably above 900 °C, even more preferably above 1000°C, more preferably above 1100°C, preferably up to 3000°C, more preferably up to 2500°C, most preferably up to 2000°C, for the production of crystalline carbon e meshes, transmission these grids e to the completion zone 3c, and quenching or stopping the formation reaction of the crystalline carbon grids in the termination zone by spraying water d;

10. Готовое изделие, содержащее армированный эластомер в соответствии с любым из вариантов осуществления 7-9; и10. A finished product comprising a reinforced elastomer in accordance with any of embodiments 7-9; And

11. Готовое изделие в соответствии с вариантом осуществления 10, которое является шиной или резинотехническим изделием.11. The finished product in accordance with embodiment 10, which is a tire or rubber product.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕDETAILED DESCRIPTION

В первом аспекте настоящее изобретение может быть описано как применение пористых, химически взаимосвязанных, содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток (то есть пористых углеродных сеток, которые содержат химически взаимосвязанные углеродные нановолокна) для армирования эластомеров. Специалист в данной области техники поймет, что пористая сетка относится к трехмерной структуре, которая позволяет текучим средам или газам проходить через нее. In a first aspect, the present invention can be described as the use of porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks (ie, porous carbon networks that contain chemically interconnected carbon nanofibers) for reinforcing elastomers. One skilled in the art will understand that a porous mesh refers to a three-dimensional structure that allows fluids or gases to pass through it.

Пористая сетка также может быть обозначена как пористая среда или пористый материал. Объем порового пространства пористых углеродных сеток в соответствии с настоящим изобретением составляет 0,1-1,5 см3/г, предпочтительно 0,2-1,5 см3/г, более предпочтительно 0,3-1,3 см3/г и наиболее предпочтительно 0,4-1,3 см3/г при измерении с использованием способа Брунауэра, Эммета и Теллера (BET) (ASTM D6556-09).Porous mesh can also be referred to as porous media or porous material. The pore space volume of the porous carbon networks in accordance with the present invention is 0.1-1.5 cm 3 /g, preferably 0.2-1.5 cm 3 /g, more preferably 0.3-1.3 cm 3 /g and most preferably 0.4-1.3 cm 3 /g when measured using the Brunauer, Emmett and Teller (BET) method (ASTM D6556-09).

Пористая углеродная сетка в соответствии с настоящим изобретением (или частица пористой углеродной сетки по настоящему изобретению) может рассматриваться как большая молекула, в которой атомы углерода по существу являются ковалентно связанными. Тем самым подразумевается, что пористая частица углеродной сетки представляет собой частицу с химически взаимосвязанными (т.е. ковалентно связанными) волокнами, имеющими внутричастичную пористость, в отличие от межчастичной пористости, которая относится к пористой сетке, созданной множеством молекул или частиц, в которой поры формируются пространством между физически агрегированными частицами или молекулами. В контексте настоящего изобретения внутричастичная пористость может также обозначаться как внутримолекулярная пористость, поскольку частица углеродной сетки в соответствии с настоящим изобретением может рассматриваться как большая молекула, в которой имеются поры. Следовательно, внутричастичная пористость и внутримолекулярная пористость имеют одно и то же значение в данном тексте и могут использоваться взаимозаменяемо для описания пористых сеток по настоящему изобретению. Сравните с традиционной сажей, которая не имеет внутричастичной пористой структуры внутри частицы сажи, но агрегаты частиц сажи могут иметь свойства пористости между частицами. В то время как межчастичные/межмолекулярные поры представляют собой пространство между физическими агрегированными частицами (сетками), внутричастичные/внутримолекулярные поры представляют собой пространство внутри самой сетки.The porous carbon network of the present invention (or the porous carbon network particle of the present invention) can be considered as a large molecule in which the carbon atoms are substantially covalently bonded. This means that a porous carbon network particle is a particle with chemically interconnected (i.e., covalently bonded) fibers having intraparticle porosity, as opposed to interparticle porosity, which refers to a porous network created by a plurality of molecules or particles in which the pores formed by the space between physically aggregated particles or molecules. In the context of the present invention, intraparticle porosity may also be referred to as intramolecular porosity, since a carbon network particle according to the present invention may be considered as a large molecule having pores. Therefore, intraparticle porosity and intramolecular porosity have the same meaning in this text and can be used interchangeably to describe the porous networks of the present invention. Compare with traditional carbon black, which does not have an intraparticle porous structure within the soot particle, but aggregates of soot particles may have interparticle porosity properties. While interparticle/intermolecular pores represent the space between physical aggregated particles (networks), intraparticle/intramolecular pores represent the space within the network itself.

Без привязки к какой-либо теории считается, что выгода сетки с внутричастичной пористостью по сравнению с сеткой с межчастичной пористостью заключается в том, что первая является более жесткой и более устойчивой к дроблению и разрушению при приложении силы. Внутричастичная пористость относится к порам, существующим внутри (нано)частицы. Межчастичная пористость относится к порам, существующим в качестве эффекта укладки индивидуальных частиц. Межчастичные поры являются более слабыми из-за границы раздела частиц и имеют тенденцию к схлопыванию. Внутричастичные поры являются прочными благодаря окружающей их ковалентно связанной структуре, и могут выдерживать высокие силы и давления без разрушения. Without being bound by any theory, it is believed that the advantage of a mesh with intraparticle porosity compared to a mesh with interparticle porosity is that the former is more rigid and more resistant to crushing and destruction when force is applied. Intraparticle porosity refers to the pores existing within a (nano)particle. Interparticle porosity refers to pores that exist as a stacking effect of individual particles. Interparticle pores are weaker due to the particle interface and tend to collapse. Intraparticle pores are strong due to the surrounding covalently bonded structure and can withstand high forces and pressures without destruction.

Как было упомянуто выше, известные армирующие агенты, такие как сажа, состоят из агрегатов или агломератов сферических частиц, которые могут образовывать трехмерную структуру, но без какой-либо ковалентной связи между отдельными частицами (не «химически связанную»), имея таким образом межчастичную пористость. Подводя итог, внутричастичная пористость относится к ситуации, в которой атомы углерода, окружающие поры, ковалентно связаны, а межчастичная пористость относится к порам, находящимся между частицами, которые физически агрегированы, агломерированы и т.п.As mentioned above, known reinforcing agents such as carbon black consist of aggregates or agglomerates of spherical particles that can form a three-dimensional structure, but without any covalent bond between the individual particles (not "chemically bonded"), thus having interparticle porosity . To summarize, intraparticle porosity refers to a situation in which the carbon atoms surrounding the pores are covalently bonded, while interparticle porosity refers to the pores found between particles that are physically aggregated, agglomerated, etc.

Поскольку сетка по настоящему изобретению может рассматриваться как одна большая молекула, нет никакой потребности сплавлять частицы или части сетки вместе. Следовательно, предпочтительно, чтобы пористая сетка из химически связанных углеродных нановолокон была несплавленной, внутричастично пористой, взаимосвязанной содержащей углеродные нановолокна углеродной сеткой, имеющей внутричастичную пористость. В одном предпочтительном варианте осуществления объем внутричастичного порового пространства может быть охарактеризован как дополнительно описано ниже, например в терминах ртутной порозиметрии (ASTM D4404-10) или способа Брунауэра, Эммета и Теллера (BET) (ISO 9277:10). Since the mesh of the present invention can be considered as one large molecule, there is no need to fuse particles or mesh parts together. Therefore, it is preferable that the porous network of chemically bonded carbon nanofibers be an unfused, intraparticle porous, interconnected carbon nanofiber containing carbon network having intraparticle porosity. In one preferred embodiment, the volume of intraparticle pore space can be characterized as further described below, for example in terms of mercury porosimetry (ASTM D4404-10) or the Brunauer, Emmett and Teller (BET) method (ISO 9277:10).

Специалист в данной области техники легко поймет, что термин «химически взаимосвязанная» в пористой, химически взаимосвязанной, содержащей углеродные нановолокна углеродной сетке подразумевают, что углеродные нановолокна связаны с другим углеродными нановолокнами химическими связями. Также подразумевается, что химическая связь является синонимом молекулярной или ковалентной связи. Обычно те места, где соединяются углеродные нановолокна, обозначаются как соединения или соединения волокон, которые таким образом можно удобно назвать «ковалентными соединениями». Эти термины используются в данном тексте взаимозаменяемо. В углеродных сетках в соответствии с настоящим изобретением соединения формируются за счет ковалентно связанных атомов углерода. Из этого следует, что длина волокна определяется как расстояние между соединениями, которые соединены волокнистым углеродным материалом. One skilled in the art will readily understand that the term “chemically interconnected” in a porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon network implies that the carbon nanofibers are chemically bonded to other carbon nanofibers. It is also implied that a chemical bond is synonymous with a molecular or covalent bond. Typically, those sites where carbon nanofibers join are referred to as junctions or fiber junctions, which can thus conveniently be called “covalent junctions.” These terms are used interchangeably in this text. In the carbon networks of the present invention, compounds are formed by covalently bonded carbon atoms. It follows that the fiber length is defined as the distance between the joints that are connected by the fibrous carbon material.

По меньшей мере часть волокон в содержащих углеродное нановолокно сетках по настоящему изобретению представляют собой кристаллические углеродные нановолокна. Предпочтительно по меньшей мере 20 мас.% углерода в углеродных сетках в настоящем изобретении являются кристаллическими, более предпочтительно по меньшей мере 40 мас.%, еще более предпочтительно по меньшей мере 60 мас.%, еще более предпочтительно по меньшей мере 80 мас.%, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 90 мас.%. Альтернативно количество кристаллического углерода составляет 20-90 мас.%, более предпочтительно 30-70 мас.%, и более предпочтительно 40-50 мас.% по сравнению с общим содержанием углерода в углеродных сетках по настоящему изобретению. Здесь термин «кристаллический» имеет обычное значение и относится к степени структурного порядка в материале. Другими словами, атомы углерода в нановолокнах до некоторой степени располагаются регулярным, периодическим образом. Области или объемы, которые являются кристаллическими, могут быть обозначены как кристаллиты. Следовательно, углеродный кристаллит представляет собой индивидуальный углеродный кристалл. Мерой размера углеродных кристаллитов является высота укладки графитовых слоев. Стандартные в соответствии с ASTM сорта сажи имеют высоту укладки графитовых слоев внутри этих кристаллитов в пределах 11-13 Å (ангстрем). Содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки по настоящему изобретению имеют высоту укладки по меньшей мере 15 Å, предпочтительно по меньшей мере 16 Å, более предпочтительно по меньшей мере 17 Å, еще более предпочтительно по меньшей мере 18 Å, еще более предпочтительно по меньшей мере 19 Å, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 20 Å. При необходимости могут быть произведены углеродные сетки с кристаллитами размером вплоть до 100 Å. Следовательно, углеродные сетки по настоящему изобретению имеют высоту укладки вплоть до 100 Å, более предпочтительно вплоть до 80 Å, еще более предпочтительно вплоть до 60 Å, еще более предпочтительно вплоть до 40 Å, и еще более предпочтительно вплоть до 30 Å. Поэтому подразумевается, что высота укладки графитовых слоев внутри кристаллитов в углеродных сетках по настоящему изобретению составляет 15-90 Å, более предпочтительно 16-70 Å, еще более предпочтительно 17-50 Å, еще более предпочтительно 18-30 Å и наиболее предпочтительно 19-25 Å.At least a portion of the fibers in the carbon nanofiber-containing networks of the present invention are crystalline carbon nanofibers. Preferably, at least 20 wt% of the carbon in the carbon networks of the present invention is crystalline, more preferably at least 40 wt%, even more preferably at least 60 wt%, even more preferably at least 80 wt%, and most preferably at least 90 wt.%. Alternatively, the amount of crystalline carbon is 20-90 wt%, more preferably 30-70 wt%, and more preferably 40-50 wt% compared to the total carbon content of the carbon networks of the present invention. Here the term "crystalline" has its usual meaning and refers to the degree of structural order in the material. In other words, the carbon atoms in the nanofibers are to some extent arranged in a regular, periodic manner. Regions or volumes that are crystalline may be referred to as crystallites. Therefore, a carbon crystallite is an individual carbon crystal. A measure of the size of carbon crystallites is the stacking height of the graphite layers. Standard grades of carbon black in accordance with ASTM have a stacking height of graphite layers inside these crystallites in the range of 11-13 Å (angstroms). The carbon nanofiber-containing carbon networks of the present invention have a stacking height of at least 15 Å, preferably at least 16 Å, more preferably at least 17 Å, even more preferably at least 18 Å, even more preferably at least 19 Å, and most preferably at least 20 Å. If necessary, carbon networks with crystallites up to 100 Å in size can be produced. Therefore, the carbon networks of the present invention have a stacking height of up to 100 Å, more preferably up to 80 Å, even more preferably up to 60 Å, even more preferably up to 40 Å, and even more preferably up to 30 Å. It is therefore intended that the stacking height of the graphite layers within the crystallites in the carbon networks of the present invention be 15-90 Å, more preferably 16-70 Å, even more preferably 17-50 Å, even more preferably 18-30 Å and most preferably 19-25 Å.

Пористые, химически взаимосвязанные углеродные сетки, содержащие углеродные нановолокна, могут быть определены как имеющие химически взаимосвязанные углеродные нановолокна, причем углеродные нановолокна связываются между собой посредством соединительных частей, при этом несколько (обычно 3 или больше, предпочтительно 10 или больше) нановолокон соединяются ковалентно. Упомянутые углеродные нановолокна являются частями сетки между соединениями. Волокна обычно представляют собой удлиненные тела, которые являются сплошными (то есть не полыми), предпочтительно имеющими средний диаметр или толщину 1-500 нм, предпочтительно 5-350 нм, более предпочтительно вплоть до 100 нм, в одном варианте осуществления 50-100 нм, по сравнению со средним размером частиц сажи 10-400 нм. В одном варианте осуществления средняя длина волокна (то есть среднее расстояние между двумя соединениями), определяемая, например, с использованием SEM, предпочтительно находится в диапазоне 30-10000 нм, более предпочтительно 50-5000 нм, более предпочтительно 100-5000 нм, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 200-5000 нм. Porous, chemically interconnected carbon networks containing carbon nanofibers can be defined as having chemically interconnected carbon nanofibers, wherein the carbon nanofibers are interconnected through connecting parts, with several (typically 3 or more, preferably 10 or more) nanofibers being covalently interconnected. Said carbon nanofibers are part of the mesh between the joints. The fibers are typically elongated bodies that are solid (i.e., not hollow), preferably having an average diameter or thickness of 1-500 nm, preferably 5-350 nm, more preferably up to 100 nm, in one embodiment 50-100 nm, compared to the average soot particle size of 10-400 nm. In one embodiment, the average fiber length (i.e., the average distance between two connections), determined, for example, using SEM, is preferably in the range of 30-10000 nm, more preferably 50-5000 nm, more preferably 100-5000 nm, and most preferably at least 200-5000 nm.

Нановолокна или структуры предпочтительно могут быть описаны в терминах среднего отношения длины волокна к его толщине по меньшей мере 2, предпочтительно по меньшей мере 3, более предпочтительно по меньшей мере 4, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 5, предпочтительно самое большее 50; что резко контрастирует с аморфными (физически связанными) агрегатами, образованными из сферических частиц, получаемыми путем обычного производства сажи. Nanofibers or structures may preferably be described in terms of an average fiber length to thickness ratio of at least 2, preferably at least 3, more preferably at least 4, and most preferably at least 5, preferably at most 50; which is in sharp contrast to the amorphous (physically bound) aggregates formed from spherical particles obtained through conventional carbon black production.

Структуры из углеродного нановолокна могут быть определены как углеродные сетки, сформированные химически взаимосвязанными углеродными нановолокнами. Упомянутые углеродные сетки имеют трехмерную конфигурацию, в которой имеется отверстие между углеродными нановолокнами, доступное для непрерывной фазы, которая может быть жидкостью, такой как растворитель или водная фаза, газом или любой другой фазой. Упомянутые углеродные сетки имеют диаметр по меньшей мере 0,5 мкм, предпочтительно по меньшей мере 1 мкм, предпочтительно по меньшей мере 5 мкм, более предпочтительно по меньшей мере 10 мкм, еще более предпочтительно по меньшей мере 20 мкм, и наиболее предпочтительно 25 мкм во всех измерениях. Альтернативно упомянутые углеродные сетки имеют диаметр по меньшей мере 1 мкм в двух измерениях и по меньшей мере 5 мкм в диаметре, предпочтительно по меньшей мере 10 мкм в диаметре, более предпочтительно по меньшей мере 20 мкм в диаметре и наиболее предпочтительно по меньшей мере 25 мкм в диаметре в другом измерении. Здесь, а также по всему тексту термин «измерение» используется в обычном смысле и относится к пространственному измерению. Существуют три пространственных измерения, которые являются ортогональными друг другу и определяют пространство в его обычном физическом смысле. Кроме того, возможно, что упомянутые углеродные сетки имеют диаметр по меньшей мере 10 мкм в 2 измерениях и по меньшей мере 15 мкм, предпочтительно по меньшей мере 20 мкм, более предпочтительно по меньшей мере 25 мкм, еще более предпочтительно по меньшей мере 30 мкм, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 50 мкм в диаметре в другом измерении. Carbon nanofiber structures can be defined as carbon networks formed by chemically interconnected carbon nanofibers. Said carbon networks have a three-dimensional configuration in which there is an opening between the carbon nanofibers accessible to a continuous phase, which may be a liquid such as a solvent or aqueous phase, a gas or any other phase. Said carbon meshes have a diameter of at least 0.5 μm, preferably at least 1 μm, preferably at least 5 μm, more preferably at least 10 μm, even more preferably at least 20 μm, and most preferably 25 μm in all dimensions. Alternatively, said carbon meshes have a diameter of at least 1 µm in two dimensions and at least 5 µm in diameter, preferably at least 10 µm in diameter, more preferably at least 20 µm in diameter and most preferably at least 25 µm in diameter diameter in another dimension. Here, and throughout the text, the term "dimension" is used in the ordinary sense and refers to spatial dimension. There are three spatial dimensions that are orthogonal to each other and define space in its ordinary physical sense. It is further possible that said carbon meshes have a diameter of at least 10 µm in 2 dimensions and at least 15 µm, preferably at least 20 µm, more preferably at least 25 µm, even more preferably at least 30 µm, and most preferably at least 50 µm in diameter in another dimension.

Содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки могут иметь объемный размер агрегатов, измеряемый с использованием лазерной дифракции (ISO 13320) или анализа динамического рассеяния света, составляющий 0,1-100 мкм, предпочтительно 1-50 мкм, более предпочтительно 4-40 мкм, более предпочтительно 5-35 мкм, более предпочтительно 6-30 мкм, еще более предпочтительно 7-25 мкм, и наиболее предпочтительно 8-20 мкм.Carbon nanofiber-containing carbon meshes may have a volumetric aggregate size measured using laser diffraction (ISO 13320) or dynamic light scattering analysis of 0.1-100 µm, preferably 1-50 µm, more preferably 4-40 µm, more preferably 5 -35 µm, more preferably 6-30 µm, even more preferably 7-25 µm, and most preferably 8-20 µm.

Содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки могут иметь диаметр внутричастичных пор, измеряемый с использованием способа ртутной порозиметрии (ASTM D4404-10), составляющий 5-150 нм, предпочтительно 10-120 нм, и наиболее предпочтительно 10-100 нм.The carbon nanofiber-containing carbon meshes may have an intraparticle pore diameter, measured using the mercury porosimetry method (ASTM D4404-10), of 5-150 nm, preferably 10-120 nm, and most preferably 10-100 nm.

Содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки могут иметь внутричастичный объем, измеряемый с использованием способа ртутной порозиметрии (ASTM D4404-10), составляющий 0,10-1,1 см3/г, предпочтительно 0,51-1,0 см3/г, и наиболее предпочтительно 0,59-0,91 см3/г.Carbon nanofiber-containing carbon networks may have an intraparticle volume, measured using the mercury porosimetry method (ASTM D4404-10), of 0.10-1.1 cm 3 /g, preferably 0.51-1.0 cm 3 /g, and most preferably 0.59-0.91 cm 3 /g.

Площадь поверхности содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток, измеряемая способом Брунауэра, Эммета и Теллера (BET) (ISO 9277:10), предпочтительно находится в диапазоне 40-120 м2/г, более предпочтительно 45-110 м2/г, еще более предпочтительно 50-100 м2/г, и наиболее предпочтительно 50-90 м2/г.The surface area of carbon nanofiber-containing carbon networks, measured by the Brunauer, Emmett and Teller (BET) method (ISO 9277:10), is preferably in the range of 40-120 m 2 /g, more preferably 45-110 m 2 /g, even more preferably 50-100 m 2 /g, and most preferably 50-90 m 2 /g.

Пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки могут также содержать частицы сажи, встроенные как часть сетки. Эти частицы в основном находятся в соединениях между углеродными нановолокнами, но могут также присутствовать и в других частях сетки. Частицы сажи предпочтительно имеют диаметр, составляющий по меньшей мере 0,5 от диаметра углеродных нановолокон, более предпочтительно по меньшей мере тот же самый диаметр, что и у углеродных нановолокон, еще более предпочтительно по меньшей мере в 2 раза больше, чем диаметр углеродных нановолокон, еще более предпочтительно по меньшей мере в 3 раза больше, чем диаметр углеродных нановолокон, еще более предпочтительно по меньшей мере в 4 раза больше, чем диаметр углеродных нановолокон, и наиболее предпочтительно по меньшей мере в 5 раз больше, чем диаметр углеродных нановолокон. Предпочтительно, чтобы диаметр частиц сажи был самое большее в 10 раз больше, чем диаметр углеродных нановолокон. Такие смешанные сетки обозначаются как гибридные сетки.Porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon meshes may also contain carbon black particles embedded as part of the mesh. These particles are mainly found in the junctions between the carbon nanofibers, but may also be present in other parts of the network. The carbon black particles preferably have a diameter that is at least 0.5 times the diameter of the carbon nanofibers, more preferably at least the same diameter as the carbon nanofibers, even more preferably at least 2 times the diameter of the carbon nanofibers, even more preferably at least 3 times the diameter of the carbon nanofibers, even more preferably at least 4 times the diameter of the carbon nanofibers, and most preferably at least 5 times the diameter of the carbon nanofibers. Preferably, the diameter of the carbon black particles is at most 10 times larger than the diameter of the carbon nanofibers. Such mixed meshes are referred to as hybrid meshes.

Пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки имеют функционализированную поверхность. Другими словами, эта поверхность содержит группы, которые изменяют гидрофобную природу поверхности, типичную для углерода, в сторону большей гидрофильности. Поверхность углеродных сеток содержит карбоксильные группы, гидроксильные группы и фенольные группы. Эти группы придают некоторую полярность поверхности и могут изменять свойства композитного материала, содержащего функционализированные углеродные сетки. Без привязки к какой-либо конкретной теории считается, что функционализированные группы связываются с эластомером, например путем образования водородных связей, и поэтому увеличивают упругость материалов. Следовательно, по меньшей мере жесткость и долговечность материала изменяются, что может привести к более низкому сопротивлению качению и увеличению срока службы армированного эластомера, в частности шин или конвейерных лент, содержащих упомянутый армированный эластомер.Porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks have a functionalized surface. In other words, this surface contains groups that change the hydrophobic nature of the surface, typical of carbon, towards greater hydrophilicity. The surface of carbon networks contains carboxyl groups, hydroxyl groups and phenolic groups. These groups impart some surface polarity and can change the properties of the composite material containing functionalized carbon networks. Without being bound by any particular theory, it is believed that the functionalized groups bind to the elastomer, for example by forming hydrogen bonds, and therefore increase the elasticity of the materials. Consequently, at the very least, the stiffness and durability of the material are altered, which may result in lower rolling resistance and increased service life of the reinforced elastomer, in particular tires or conveyor belts containing said reinforced elastomer.

Пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки могут содержать наночастицы металлического катализатора. Они являются следами способа приготовления. Эти частицы могут иметь средний размер от 1 нм до 100 нм. Предпочтительно упомянутые частицы представляют собой монодисперсные частицы, имеющие отклонения от их среднего размера в пределах 10%, более предпочтительно в пределах 5%. Неограничивающими примерами наночастиц, включенных в содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки, являются благородные металлы (Pt, Pd, Au, Ag), элементы семейства железа (Fe, Co и Ni), Ru и Cu. Подходящие комплексные соединения металла могут быть (i) прекурсорами платины, такими как H2PtCl6; H2PtCl6.xH2O; K2PtCl4; K2PtCl4.xH2O; Pt(NH3)4(NO3)2; Pt(C5H7O2)2, (ii) прекурсорами рутения, такими как Ru(NO)(NO3)3; Ru(dip)3Cl2 [dip=4,7-дифенил-1,10-фенантролин]; RuCl3, или (iii) прекурсорами палладия, такими как Pd(NO3)2, или (iv) прекурсорами никеля, такими как NiCl2 или NiCl2.xH2O; Ni(NO3)2; Ni(NO3)2.xH2O; Ni(CH3COO)2; Ni(CH3COO)2.xH2O; Ni(AOT)2 [AOT=бис(2-этилгексил)сульфосукцинат], где x может быть любым целым числом, выбираемым из 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10, и обычно может быть равно 6, 7 или 8.Porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks may contain metal catalyst nanoparticles. They are traces of the cooking method. These particles can have an average size from 1 nm to 100 nm. Preferably, said particles are monodisperse particles having deviations from their average size within 10%, more preferably within 5%. Non-limiting examples of nanoparticles incorporated into carbon nanofiber-containing carbon networks include noble metals (Pt, Pd, Au, Ag), iron family elements (Fe, Co and Ni), Ru and Cu. Suitable metal complex compounds may be (i) platinum precursors such as H 2 PtCl 6 ; H 2 PtCl 6 .xH 2 O; K 2 PtCl 4 ; K 2 PtCl 4 .xH 2 O; Pt(NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 ; Pt(C 5 H 7 O 2 ) 2 , (ii) ruthenium precursors such as Ru(NO)(NO 3 ) 3 ; Ru(dip) 3 Cl 2 [dip=4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline]; RuCl 3 , or (iii) palladium precursors such as Pd(NO 3 ) 2 , or (iv) nickel precursors such as NiCl 2 or NiCl 2 .xH 2 O; Ni(NO 3 ) 2 ; Ni(NO 3 ) 2 .xH 2 O; Ni(CH 3 COO) 2 ; Ni(CH 3 COO) 2 .xH 2 O; Ni(AOT) 2 [AOT=bis(2-ethylhexyl)sulfosuccinate] where x can be any integer selected from 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10, and typically can be equal to 6, 7 or 8.

Пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки предпочтительно получаются с помощью процесса для производства сеток из кристаллического углерода в реакторе 3, который содержит реакционную зону 3b и зону 3c завершения, путем впрыскивания микроэмульсии типа «вода в масле» или взаимно-непрерывной микроэмульсии c, содержащей наночастицы металлического катализатора, в реакционную зону 3b с температурой выше 600°C, предпочтительно выше 700°C, более предпочтительно выше 900°C, еще более предпочтительно выше 1000°C, более предпочтительно выше 1100°C, предпочтительно вплоть до 3000°C, более предпочтительно вплоть до 2500°C, наиболее предпочтительно вплоть до 2000°C, для производства сеток e из кристаллического углерода, передачи этих сеток e в зону 3c завершения, и гашения или остановки реакции формирования сеток из кристаллического углерода в зоне завершения путем распыления воды d.The porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon meshes are preferably produced by a process for producing crystalline carbon meshes in a reactor 3 that contains a reaction zone 3b and a termination zone 3c by injecting a water-in-oil microemulsion or a mutually continuous microemulsion c containing metal catalyst nanoparticles into reaction zone 3b at a temperature above 600°C, preferably above 700°C, more preferably above 900°C, even more preferably above 1000°C, more preferably above 1100°C, preferably up to 3000° C, more preferably up to 2500°C, most preferably up to 2000°C, for producing crystalline carbon meshes e, transferring these e meshes to the termination zone 3c, and quenching or stopping the formation reaction of the crystalline carbon meshes in the termination zone by sputtering water d.

В более предпочтительном варианте осуществления сетки получаются с помощью вышеописанного процесса, в котором упомянутый реактор представляет собой реактор 3 для печной сажи, который содержит, вдоль оси реактора 3, зону 3a горения, реакционную зону 3b и зону 3c завершения, путем создания потока горячего отходящего газа a1 в зоне горения за счет сжигания топлива в кислородсодержащем газе b и прохождения отходящего газа a1 из зоны горения 3a в реакционную зону 3b, распыления микроэмульсии типа «вода в масле» или взаимно-непрерывной микроэмульсии c, содержащей наночастицы металлического катализатора, в реакционной зоне 3b, содержащей горячий отходящий газ, карбонизации упомянутой эмульсии при температуре выше 600°C, предпочтительно выше 700°C, более предпочтительно выше 900°C, еще более предпочтительно выше 1000°C, более предпочтительно выше 1100°C, предпочтительно вплоть до 3000°C, более предпочтительно вплоть до 2500°C, наиболее предпочтительно вплоть до 2000°C, и гашения или остановки реакции в зоне 3c завершения путем распыления воды d для получения кристаллических углеродных сеток e.In a more preferred embodiment, the grids are obtained by the process described above, in which said reactor is a furnace black reactor 3, which contains, along the axis of the reactor 3, a combustion zone 3a, a reaction zone 3b and a termination zone 3c, by generating a hot exhaust gas stream a1 in the combustion zone by burning fuel in oxygen-containing gas b and passing exhaust gas a1 from combustion zone 3a into reaction zone 3b, spraying a water-in-oil microemulsion or mutually continuous microemulsion c containing metal catalyst nanoparticles into reaction zone 3b containing hot exhaust gas, carbonizing said emulsion at a temperature above 600°C, preferably above 700°C, more preferably above 900°C, even more preferably above 1000°C, more preferably above 1100°C, preferably up to 3000°C , more preferably up to 2500°C, most preferably up to 2000°C, and quenching or stopping the reaction in the completion zone 3c by spraying water d to obtain crystalline carbon networks e.

Сетки предпочтительно получаются с помощью вышеописанного процесса, дополнительные подробности которого приводятся ниже в разделе «Процесс для получения содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток» и на Фиг. 1A.The networks are preferably prepared using the above-described process, further details of which are given below in the section “Process for Preparation of Carbon Nanofiber Containing Carbon Networks” and in FIG. 1A.

Термин эластомер является комбинацией эластичного материала и полимера. Он относится к материалу, имеющему вязкоупругие свойства. Это поведение сочетает в себе вязкое поведение - материал демонстрирует определенную устойчивость к деформации при приложении напряжения - с упругим поведением - материал деформируется при приложении напряжения и возвращается к своей исходной форме, когда напряжение снимается. Эластомеры принято называть каучуками. Эти термины являются взаимозаменяемыми и используются без различия в данном тексте, как и в соответствующей области техники. Эластомеры могут быть сшиты для повышения их эластичности и уменьшения вязкости. Например, каучуки, такие как бутадиеновые каучуки и бутадиен-стирольные каучуки (SBR), могут быть вулканизованы. Для целей настоящего изобретения термин «эластомерная матрица» обозначает все эластомеры (или каучуки) резиновой композиции. Таким образом, эластомерная матрица может, в частности, состоять из одного эластомера, а также из смеси двух или более эластомеров.The term elastomer is a combination of an elastic material and a polymer. It refers to a material that has viscoelastic properties. This behavior combines viscous behavior—the material exhibits some resistance to deformation when stress is applied—with elastic behavior—the material deforms when stress is applied and returns to its original shape when the stress is removed. Elastomers are commonly called rubbers. These terms are used interchangeably and are used without distinction in this text as in the related art. Elastomers can be cross-linked to increase their elasticity and reduce viscosity. For example, rubbers such as butadiene rubbers and styrene butadiene rubbers (SBR) can be vulcanized. For purposes of the present invention, the term "elastomeric matrix" refers to all elastomers (or rubbers) of the rubber composition. Thus, the elastomeric matrix can in particular consist of one elastomer, but also of a mixture of two or more elastomers.

Армированный эластомер относится к эластомеру, содержащему эластомерную матрицу, дополненную армирующим материалом, таким как армирующий наполнитель. Упомянутый армирующий материал улучшает свойства эластомера, такие как сопротивление истиранию и усталостную стойкость в целом, а также сопротивление качению, сцепление на мокрой дороге, характеристики на снегу, износостойкость и срок службы в случае шин. Примеры армирующего наполнителя включают в себя сажу и армирующие минеральные наполнители, такие как наполнители кремнистого типа, в частности кремнезема (SiO2), или глиноземного типа, в частности глинозема (Al2O3). Используемый кремнезем может быть любым армирующим кремнеземом, известным специалисту в данной области техники, в частности любым осажденным или пирогенным кремнеземом, имеющим удельную площадь поверхности по BET и удельную площадь поверхности по CTAB, которые обе составляют менее 450 м2/г, предпочтительно от 30 до 400 м2/г.Reinforced elastomer refers to an elastomer containing an elastomeric matrix supplemented with a reinforcing material, such as a reinforcing filler. Said reinforcing material improves the properties of the elastomer such as abrasion resistance and fatigue resistance in general, as well as rolling resistance, wet grip, snow performance, wear resistance and service life in the case of tires. Examples of the reinforcing filler include carbon black and reinforcing mineral fillers such as silica type fillers, in particular silica (SiO 2 ), or alumina type fillers, in particular alumina (Al 2 O 3 ). The silica used may be any reinforcing silica known to one skilled in the art, in particular any precipitated or fumed silica having a BET specific surface area and a CTAB specific surface area that are both less than 450 m 2 /g, preferably from 30 to 400 m 2 /g.

Углеродные сетки по настоящему изобретению функционируют как армирующий материал. Количество пористых, химически связанных, кристаллических, содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток внутри армированного эластомера составляет 1-60 мас.%, предпочтительно 10-55 мас.%, более предпочтительно 20-50 мас.%, еще более предпочтительно 30-50 мас.%, и еще более предпочтительно 35-45 мас.%. Здесь мас.% определяется в его обычном значении и относится к процентному содержанию по массе или массовой доле, нормированной к 100%. Он определяется как количество конкретного компонента (в данном случае содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток), поделенное на количество всех компонентов (в данном случае эластомера, включая все добавленные материалы) и умноженное на 100%. Принято считать, что 100% относится ко всему материалу, из которого состоит армированный эластомер.The carbon meshes of the present invention function as a reinforcing material. The amount of porous, chemically bonded, crystalline, carbon nanofiber-containing carbon networks within the reinforced elastomer is 1-60 wt%, preferably 10-55 wt%, more preferably 20-50 wt%, even more preferably 30-50 wt%. , and even more preferably 35-45 wt.%. Here, wt.% is defined in its usual meaning and refers to the percentage by mass or mass fraction normalized to 100%. It is defined as the amount of a particular component (in this case carbon nanofiber-containing carbon meshes) divided by the amount of all components (in this case the elastomer, including all added materials) and multiplied by 100%. It is generally accepted that 100% refers to all the material that makes up the reinforced elastomer.

Альтернативно количество пористых, химически взаимосвязанных, кристаллических структур из углеродного нановолокна в армированном эластомере может составлять 10-120 м.ч. на 100 м.ч. смолы, предпочтительно 15-60 м.ч. на 100 м.ч. смолы, более предпочтительно 20-50 м.ч. на 100 м.ч. смолы, еще более предпочтительно 30-50 м.ч. на 100 м.ч. смолы, и наиболее предпочтительно 40-50 м.ч. на 100 м.ч. смолы. Здесь «м.ч. на 100 м.ч. смолы» относится количеству частей на сто частей каучука, что является общепринятой мерой в резиновой промышленности, используемой для указания состава каучука. Здесь все ингредиенты определяются количественно как количество м.ч. на 100 м.ч. эластомера. Таким образом, общее количество превышает 100. Например типичная резина может содержать 100 м.ч. на 100 м.ч. смолы каучука, 50 м.ч. на 100 м.ч. смолы сажи, 30 м.ч. на 100 м.ч. смолы смазочного материала и 20 м.ч. на 100 м.ч. смолы дополнительных добавок. В этом случае уровень включения сажи составляет 50 м.ч. на 100 м.ч. смолы или 25 мас.%.Alternatively, the amount of porous, chemically interconnected, crystalline carbon nanofiber structures in the reinforced elastomer may be 10-120 ppm. at 100 m.h. resin, preferably 15-60 ppm. at 100 m.h. resin, more preferably 20-50 parts per part. at 100 m.h. resin, even more preferably 30-50 ppm. at 100 m.h. resin, and most preferably 40-50 ppm. at 100 m.h. resin. Here “m.ch. at 100 m.h. Resin" refers to the number of parts per hundred parts of rubber, which is a common measure in the rubber industry used to indicate the composition of rubber. Here, all ingredients are quantified as parts per part. at 100 m.h. elastomer. Thus, the total amount exceeds 100. For example, a typical rubber may contain 100 ppm. at 100 m.h. rubber resin, 50 m.h. at 100 m.h. soot resin, 30 ppm at 100 m.h. lubricant resin and 20 ppm. at 100 m.h. resins additional additives. In this case, the soot inclusion level is 50 ppm. at 100 m.h. resin or 25 wt.%.

При желании пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки могут быть смешаны с другими (обычными) армирующими наполнителями. Например, эластомер может быть армирован за счет включения 10-40 м.ч. на 100 м.ч. смолы сажи и 10-40 м.ч. на 100 м.ч. смолы пористых, химически взаимосвязанных, содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток, более предпочтительно 20-30 м.ч. на 100 м.ч. смолы сажи и 20-30 м.ч. на 100 м.ч. смолы пористых, химически взаимосвязанных, содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток. Могут быть добавлены и другие армирующие наполнители, например дополнительные 5-25 м.ч. на 100 м.ч. смолы кремнезема, дополнительные 5-25 м.ч. на 100 м.ч. смолы глинозема, или и то, и другое.If desired, the porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon meshes can be mixed with other (conventional) reinforcing fillers. For example, the elastomer can be reinforced by including 10-40 m.p.h. at 100 m.h. soot resin and 10-40 ppm. at 100 m.h. porous, chemically interconnected resins containing carbon nanofibers of carbon networks, more preferably 20-30 parts by weight. at 100 m.h. soot resin and 20-30 ppm. at 100 m.h. Resins are porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon meshes. Other reinforcing fillers can be added, for example an additional 5-25 ppm. at 100 m.h. silica resins, additional 5-25 ppm. at 100 m.h. alumina resins, or both.

Любая сажа, подходящая для армирования натурального каучука, может использоваться в дополнение к содержащим углеродные нановолокна углеродным сеткам для армирования эластомеров. Неограничивающие примеры подходящей сажи включают в себя: сверхизносостойкую печную сажу (SAF N110), промежуточную SAF 1N220, износостойкую печную сажу (HAF N330), легко обрабатываемую канальную сажу (EPC N300), быстро экструдируемую печную сажу (FEF N550), высокомодульную печную сажу (HMF N683), полуармирующую печную сажу (SRF N770), тонкую термическую сажу (FT N880) и среднюю термическую сажу (MT N990).Any carbon black suitable for reinforcing natural rubber can be used in addition to carbon nanofiber-containing carbon meshes for reinforcing elastomers. Non-limiting examples of suitable carbon blacks include: ultra wear resistant furnace black (SAF N110), intermediate SAF 1N220, wear resistant furnace black (HAF N330), easy process channel black (EPC N300), fast extrusion furnace black (FEF N550), high modulus furnace black ( HMF N683), semi-reinforcing furnace black (SRF N770), fine thermal black (FT N880) and medium thermal black (MT N990).

Любой осажденный кремнезем, подходящий для армирования натурального каучука, может использоваться в дополнение к содержащим углеродные нановолокна углеродным сеткам для армирования эластомеров. Неограничивающие примеры подходящего осажденного кремнезема включают в себя кремнеземы Ultrasil 7000 и Ultrasil 7005 производства компании Evonik, кремнеземы Zeosil 1165MP, 1135MP и 1115MP производства компании Rhodia, кремнезем Hi-Sil EZ150G производства компании PPG и кремнеземы Zeopol 8715, 8745 и 8755 производства компании Huber. Когда кремнезем включается в эластомер, обычно полезно также включать и кремнийорганический аппрет (связывающий агент).Any precipitated silica suitable for reinforcing natural rubber can be used in addition to carbon nanofiber-containing carbon meshes for reinforcing elastomers. Non-limiting examples of suitable precipitated silica include Ultrasil 7000 and Ultrasil 7005 from Evonik, Zeosil 1165MP, 1135MP and 1115MP from Rhodia, Hi-Sil EZ150G from PPG and Zeopol 8715, 8745 and 8755 from PPG. Huber. When silica is included in an elastomer, it is usually useful to also include a silicone coupling agent.

Армирующие материалы, такие как сетки, могут смешиваться с эластомерной матрицей, когда она находится в податливом или жидком состоянии, до тех пор, пока они не будут равномерно диспергированы в упомянутой эластомерной матрице. Для облегчения транспортировки и обработки эти армирующие материалы могут быть изготовлены в виде таблеток, микрогранул, шариков, гранул или любой другой подходящей уплотненной формы.Reinforcing materials, such as meshes, can be mixed with the elastomeric matrix while it is in a pliable or liquid state until they are uniformly dispersed in said elastomeric matrix. To facilitate transportation and handling, these reinforcing materials may be formulated as tablets, microbeads, beads, granules, or any other suitable compacted form.

При необходимости можно использовать связующий агент для обеспечения прочной связи между армирующим наполнителем и эластомером. Использование такого агента особенно распространено в комбинации с наполнителями кремнистого типа, но в принципе может выгодно использоваться с любым минеральным наполнителем. Примеры таких связующих наполнителей включают в себя меркапто-функциональные силаны, а также бис-алкоксисиланы полисульфида.If necessary, a coupling agent can be used to provide a strong bond between the reinforcing filler and the elastomer. The use of such an agent is particularly common in combination with siliceous type fillers, but in principle can be used advantageously with any mineral filler. Examples of such coupling fillers include mercapto-functional silanes as well as polysulfide bis-alkoxysilanes.

В дополнение к армирующим наполнителям, которые добавляются прежде всего для улучшения свойств эластомера и имеют в качестве дополнительного преимущества ограничение стоимости конечного продукта, также может быть полезным добавление инертного наполнителя. Упомянутый инертный наполнитель не армирует эластомер, и таким образом добавляется только для ограничения или снижения стоимости конечного продукта. Уровень включения инертного наполнителя может составлять 0-40 мас.%, предпочтительно 10-35 мас.%, и более предпочтительно 20-30 мас.%. Этот уровень включения может составлять 0-80 м.ч. на 100 м.ч. смолы, предпочтительно 20-70 м.ч. на 100 м.ч. смолы, и более предпочтительно 40-60 м.ч. на 100 м.ч. смолы. Считается, что определение точных уровней и выбор наполнителя входят в компетенцию специалиста в данной области техники. Инертный наполнитель (наполнители), который может использоваться в соответствии с настоящим изобретением, может быть выбран из мела, глины, бентонита, талька, каолина, стеклянных микрошариков, стеклянных чешуек, а также их смеси. Предпочтительно инертный наполнитель является мелом. Мел может находиться в форме частиц, имеющих средний размер (по массе) больше чем 1 мкм. Медианный размер частиц мела предпочтительно составляет 0,1-200 мкм, более конкретно 0,5-30 мкм, и еще более предпочтительно 1-20 мкм. Разновидностями мела, известными специалисту в данной области техники, являются естественные карбонаты кальция (мел) или синтетические карбонаты кальция с покрытием (например, стеариновой кислотой) или без него.In addition to reinforcing fillers, which are added primarily to improve the properties of the elastomer and have the added benefit of limiting the cost of the final product, the addition of an inert filler may also be beneficial. Said inert filler does not reinforce the elastomer, and is thus added only to limit or reduce the cost of the final product. The level of inert filler inclusion may be 0-40 wt%, preferably 10-35 wt%, and more preferably 20-30 wt%. This switching level can be 0-80 m.h. at 100 m.h. resin, preferably 20-70 ppm. at 100 m.h. resin, and more preferably 40-60 ppm. at 100 m.h. resin. It is believed that determining the exact levels and selection of filler is within the skill of the person skilled in the art. The inert filler(s) that can be used in accordance with the present invention can be selected from chalk, clay, bentonite, talc, kaolin, glass microbeads, glass flakes, and mixtures thereof. Preferably the inert filler is chalk. Chalk can be in the form of particles having an average size (by weight) of more than 1 micron. The median particle size of the chalk is preferably 0.1-200 µm, more particularly 0.5-30 µm, and even more preferably 1-20 µm. Varieties of chalk known to one skilled in the art are natural calcium carbonates (chalk) or synthetic calcium carbonates with or without a coating (eg, stearic acid).

Эластомер, который армируется в соответствии с настоящим изобретением, может быть любым эластомером. Предпочтительно использование пористых, химически взаимосвязанных, кристаллических структур углеродных нановолокон предназначено для армирования бутадиеновых каучуков, наиболее предпочтительно для армирования бутадиен-стирольного каучука (SBR), этиленпропилендиенового мономерного каучука (EPDM), натурального каучука (NR), винилиденфторидных мономерных каучуков (FKM), перфторэластомеров (FFKM) и тетрафторэтилен/пропиленовых каучуков (FEPM), или их комбинаций. Предпочтительно эластомер (эластомеры) представляет собой или содержит бутадиеновый каучук, этиленпропилендиеновый мономерный каучук (EPDM), натуральный каучук (NR), винилиденфторидные мономерные каучуки (FKM), перфторэластомеры (FFKM) и/или тетрафторэтилен/пропиленовые каучуки (FEPM). Более предпочтительно эластомер содержит бутадиен-стирольный каучук (SBR), и еще более предпочтительно эластомер является бутадиен-стирольным каучуком (SBR).The elastomer that is reinforced in accordance with the present invention can be any elastomer. Preferably, the use of porous, chemically interconnected, crystalline structures of carbon nanofibers is intended for the reinforcement of butadiene rubbers, most preferably for the reinforcement of styrene butadiene rubber (SBR), ethylene propylene diene monomer rubber (EPDM), natural rubber (NR), vinylidene fluoride monomer rubbers (FKM), perfluoro elastomers (FFKM) and tetrafluoroethylene/propylene rubbers (FEPM), or combinations thereof. Preferably, the elastomer(s) is or contains butadiene rubber, ethylene propylene diene monomer rubber (EPDM), natural rubber (NR), vinylidene fluoride monomer rubbers (FKM), perfluoroelastomers (FFKM) and/or tetrafluoroethylene/propylene rubbers (FEPM). More preferably, the elastomer comprises styrene butadiene rubber (SBR), and even more preferably, the elastomer is styrene butadiene rubber (SBR).

Если это полезно, армированный эластомер может содержать дополнительные ингредиенты. Например, армированный эластомер может содержать отвердитель. В отверждаемом серой или вулканизируемом каучуке может быть полезным введение донора серы. Альтернативно могут использоваться перекиси или фторзамещенные углеводороды. В дополнение к этому может быть добавлен активатор, который облегчает вулканизацию. В отверждаемых серой или вулканизируемых каучуках типичными активаторами являются оксид цинка и стеариновая кислота. Армированный эластомер с активатором может также содержать ускоряющую добавку, такую как N-трет-бутил-2-бензотиазилсульфенамид (TBBS), для ускорения вулканизации. If useful, the reinforced elastomer may contain additional ingredients. For example, the reinforced elastomer may contain a hardener. In sulfur-cured or vulcanizable rubber, the addition of a sulfur donor may be beneficial. Alternatively, peroxides or fluorinated hydrocarbons can be used. In addition, an activator can be added to facilitate vulcanization. In sulfur-curing or vulcanizing rubbers, typical activators are zinc oxide and stearic acid. The activator reinforced elastomer may also contain an accelerating additive such as N-tert-butyl-2-benzothiazyl sulfenamide (TBBS) to accelerate cure.

В том случае, если желательно, чтобы конечный продукт представлял собой пену, в эластомер может быть введен вспенивающий агент, такой как бикарбонат натрия. Либо, в противоположном случае, когда воздушные карманы или пузырьки являются нежелательными, можно добавить осушитель для удаления любых оставшихся следов воды. If it is desired that the final product be a foam, a blowing agent such as sodium bicarbonate may be incorporated into the elastomer. Alternatively, when air pockets or bubbles are undesirable, a desiccant can be added to remove any remaining traces of water.

Если конечный продукт представляет собой склеенный композит, такой как шина, шланг или ремень, может быть полезным включить связующий агент. Подходящие связующие агенты могут включать в себя соли на основе кобальта, такие как нафтенат кобальта или стеарат кобальта, а также патентованные материалы на основе комплексов кобальта и бора.If the end product is a bonded composite such as a tire, hose or belt, it may be useful to include a bonding agent. Suitable coupling agents may include cobalt-based salts such as cobalt naphthenate or cobalt stearate, as well as proprietary cobalt-boron complex materials.

В том случае, если желательно улучшить гибкость эластомера при низких температурах, может быть добавлен пластификатор. При желании эластомеру можно придать огнестойкость, добавив антипирен.If it is desired to improve the flexibility of the elastomer at low temperatures, a plasticizer may be added. If desired, the elastomer can be made fire resistant by adding a fire retardant.

Использование пористых, химически взаимосвязанных, содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток для армирования эластомеров приводит к получению высококачественного эластомера, который является весьма подходящим для использования в автомобильных шинах или других автомобильных продуктах, а также в резинотехнических изделиях, таких как конвейерные ленты, шланги, резиновые накладки, прокладки опорной части мостов и антивибрационные крепления. Также упомянутые эластомеры могут использоваться в качестве обуви, подметок и/или дверных матов.The use of porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon meshes to reinforce elastomers results in a high-quality elastomer that is highly suitable for use in automobile tires or other automotive products, as well as rubber products such as conveyor belts, hoses, rubber linings, axle support gaskets and anti-vibration mounts. Also, the mentioned elastomers can be used as shoes, outsoles and/or door mats.

ПрименениеApplication

Вышеописанное использование пористых, химически взаимосвязанных, содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток (или, иначе говоря, пористых углеродных сеток, которые содержат химически взаимосвязанные углеродные нановолокна) для армирования эластомеров дает армированные эластомеры с очень высокими эксплуатационными характеристиками, которые могут быть использованы во многих приложениях. Следовательно, настоящее изобретение также может быть описано как армированный эластомер, содержащий пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки, в котором уровень включения пористых, химически взаимосвязанных, содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток составляет 1-60 мас.%, предпочтительно 10-55 мас.%, более предпочтительно 20-50 мас.%, еще более предпочтительно 30-50 мас.%, и еще более предпочтительно 35-45 мас.%. Альтернативно уровень включения пористых, химически взаимосвязанных, кристаллических структур из углеродного нановолокна может быть описан как 10-120 м.ч. на 100 м.ч. смолы, предпочтительно 10-60 м.ч. на 100 м.ч. смолы, более предпочтительно 20-50 м.ч. на 100 м.ч. смолы, еще более предпочтительно 30-50 м.ч. на 100 м.ч. смолы, и еще более предпочтительно 40-50 м.ч. на 100 м.ч. смолы. Сетки могут быть дополнительно охарактеризованы с точки зрения кристалличности и внутричастичной пористости, как было подробно описано выше. The above-described use of porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks (or, in other words, porous carbon networks that contain chemically interconnected carbon nanofibers) for reinforcing elastomers provides very high performance reinforced elastomers that can be used in many applications. Therefore, the present invention can also be described as a reinforced elastomer comprising porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks, wherein the incorporation level of the porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks is 1-60 wt.%, preferably 10-55 wt.%, more preferably 20-50 wt.%, even more preferably 30-50 wt.%, and even more preferably 35-45 wt.%. Alternatively, the incorporation level of porous, chemically interconnected, crystalline carbon nanofiber structures can be described as 10-120 ppm. at 100 m.h. resin, preferably 10-60 ppm. at 100 m.h. resin, more preferably 20-50 parts per part. at 100 m.h. resin, even more preferably 30-50 ppm. at 100 m.h. resin, and even more preferably 40-50 ppm. at 100 m.h. resin. Networks can be further characterized in terms of crystallinity and intraparticle porosity, as detailed above.

Армированный эластомер по настоящему изобретению является особенно подходящим для использования при изготовлении шин и/или резинотехнических изделий. Следовательно, настоящее изобретение распространяется на шины и/или резинотехнические изделия, содержащие армированный эластомер, содержащий пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки. Здесь шина может быть автомобильной шиной, такой как летняя автомобильная шина или зимняя автомобильная шина, шиной для грузового автомобиля, шиной для велосипеда или мотоцикла, или любой другой шиной. Резинотехнические изделия могут относиться к конвейерным лентам, трубкам, системам уплотнения и т.п. Армированный эластомер по настоящему изобретению может использоваться во всех частях шины или резинотехнического изделия. Он является особенно подходящим для использования в протекторе шины, то есть той части шины, которая находится в контакте с дорогой. В одном особенно предпочтительном варианте осуществления шина в соответствии с настоящим изобретением содержит армированный бутадиен-стирольный каучук. Упомянутые шины с армированным эластомером в соответствии с настоящим изобретением в протекторе имеют превосходные свойства по сравнению с шинами, протектор которых содержит просто сажу и/или кремнезем. The reinforced elastomer of the present invention is particularly suitable for use in the manufacture of tires and/or rubber products. Therefore, the present invention extends to tires and/or rubber products containing a reinforced elastomer containing porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon mesh. Here, the tire may be a car tire such as a summer car tire or a winter car tire, a truck tire, a bicycle or motorcycle tire, or any other tire. Industrial rubber products may refer to conveyor belts, tubes, sealing systems, etc. The reinforced elastomer of the present invention can be used in all parts of a tire or rubber product. It is particularly suitable for use in the tread of a tire, that is, the part of the tire that is in contact with the road. In one particularly preferred embodiment, the tire in accordance with the present invention contains reinforced styrene butadiene rubber. Said tires with a reinforced elastomer according to the present invention in the tread have superior properties compared to tires whose tread merely contains carbon black and/or silica.

Свойства шин в соответствии с настоящим изобретением могут быть настроены для уменьшения сопротивления качению без ухудшения сцепления с мокрым дорожным покрытием или износа протектора/износостойкости/срока службы. Или, при желании, шины могут быть настроены для увеличения сцепления шины с мокрым дорожным покрытием без ухудшения гибкости или жесткости. Альтернативно шина в соответствии с настоящим изобретением может быть настроена так, чтобы обеспечить превосходные характеристики зимней шины без ухудшения сцепления с мокрым дорожным покрытием. Такая шина может даже иметь улучшенное сцепление с мокрым дорожным покрытием, а также улучшенное удлинение и уменьшенную жесткость, что делает ее пригодной в качестве зимней шины. Более подробно это описано в примере 1. Без привязки к какой-либо конкретной теории, эти улучшения могут быть связаны с сетками, демонстрирующими низкую деформацию (ползучесть и сжатие). The properties of tires in accordance with the present invention can be tuned to reduce rolling resistance without compromising wet grip or tread wear/wear resistance/lifetime. Or, if desired, the tires can be tuned to increase the tire's wet grip without compromising flexibility or stiffness. Alternatively, the tire of the present invention may be configured to provide superior winter tire performance without compromising wet traction. Such a tire may even have improved wet grip, as well as improved elongation and reduced stiffness, making it suitable as a winter tire. This is described in more detail in Example 1. Without being bound to any specific theory, these improvements can be attributed to meshes exhibiting low deformation (creep and compression).

Обычно сцепление шины с мокрым дорожным покрытием (WG) измеряется с использованием стандарта ISO4664-1:2011. В этом общепринятом способе тангенс дельта при 0°C используется в качестве меры сцепления шины с мокрым дорожным покрытием. Предпочтительно тангенс дельта при 0°C для армированного эластомера в соответствии с настоящим изобретением составляет по меньшей мере 0,1250, более предпочтительно по меньшей мере 0,1500, более предпочтительно по меньшей мере 0,1775, еще более предпочтительно по меньшей мере 0,1800, еще более предпочтительно по меньшей мере 0,1825 и наиболее предпочтительно по меньшей мере 0,1850.Typically, a tire's wet grip (WG) is measured using the ISO4664-1:2011 standard. This conventional method uses tan delta at 0°C as a measure of the tire's wet grip. Preferably, the tan delta at 0°C for the reinforced elastomer in accordance with the present invention is at least 0.1250, more preferably at least 0.1500, more preferably at least 0.1775, even more preferably at least 0.1800 , even more preferably at least 0.1825 and most preferably at least 0.1850.

Для оценки сопротивления качению (RRC) в соответствии со стандартом ISO4664-1:2011 в качестве меры используется тангенс дельта при 60°C. Предпочтительно тангенс дельта при 60°C для армированного эластомера в соответствии с настоящим изобретением составляет самое большее 0,1350, более предпочтительно самое большее 0,1300, еще более предпочтительно самое большее 0,1275, еще более предпочтительно самое большее 0,1250, и наиболее предпочтительно самое большее 0,1225.To evaluate rolling resistance (RRC) according to ISO4664-1:2011, tan delta at 60°C is used as a measure. Preferably, the tan delta at 60°C for the reinforced elastomer in accordance with the present invention is at most 0.1350, more preferably at most 0.1300, even more preferably at most 0.1275, even more preferably at most 0.1250, and most preferably at most 0.1225.

Шина в соответствии с настоящим изобретением является очень стойкой к износу протектора. Для оценки этого свойства часто используется сопротивление истиранию, определяемое как потеря объема в соответствии со стандартом ISO 4649:2010, способ A. Армированный эластомер в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно имеет потерю объема менее 115 мм3, более предпочтительно 110 мм3, еще более предпочтительно 105 мм3, и наиболее предпочтительно 100 мм3. The tire according to the present invention is very resistant to tread wear. Abrasion resistance, defined as volume loss according to ISO 4649:2010, Method A, is often used to evaluate this property. The reinforced elastomer of the present invention preferably has a volume loss of less than 115 mm 3 , more preferably 110 mm 3 , even more preferably 105 mm 3 , and most preferably 100 mm 3 .

Предпочтительно армированный эластомер в соответствии с настоящим изобретением имеет жесткость, измеряемую с использованием модуля 300%, как это определено в стандарте ISO37:2011. Модуль 300% армированного эластомера в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно составляет по меньшей мере 10 МПа, предпочтительно по меньшей мере 12 МПа, более предпочтительно по меньшей мере 14 МПа, еще более предпочтительно по меньшей мере 16 МПа, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 18 МПа.Preferably, the reinforced elastomer according to the present invention has a stiffness measured using a 300% modulus as defined in ISO37:2011. The modulus of the 300% reinforced elastomer according to the present invention is preferably at least 10 MPa, preferably at least 12 MPa, more preferably at least 14 MPa, even more preferably at least 16 MPa, and most preferably at least 18 MPa .

Армированный эластомер в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно имеет прочность при максимальном растяжении, определяемую в стандарте ISO37:2011, по меньшей мере 20 МПа, более предпочтительно по меньшей мере 22 МПа, более предпочтительно по меньшей мере 24 МПа, еще более предпочтительно по меньшей мере 26 МПа, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 28 МПа. The reinforced elastomer according to the present invention preferably has a maximum tensile strength, as defined in ISO37:2011, of at least 20 MPa, more preferably at least 22 MPa, more preferably at least 24 MPa, even more preferably at least 26 MPa, and most preferably at least 28 MPa.

Предпочтительно относительное удлинение при разрыве армированного эластомера в соответствии с настоящим изобретением, определяемое в стандарте ISO37:2011, составляет по меньшей мере 350%, более предпочтительно по меньшей мере 400%, еще более предпочтительно по меньшей мере 450%, еще более предпочтительно по меньшей мере 475%, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 500%.Preferably, the elongation at break of the reinforced elastomer according to the present invention, as defined in ISO37:2011, is at least 350%, more preferably at least 400%, even more preferably at least 450%, even more preferably at least 475%, and most preferably at least 500%.

Армированный эластомер в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно имеет прочность на разрыв, определяемую в стандарте ISO34-1:2015, по меньшей мере 25 кН/м, более предпочтительно по меньшей мере 27 кН/м, еще более предпочтительно по меньшей мере 29 кН/м, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 30 кН/м.The reinforced elastomer according to the present invention preferably has a tensile strength, as defined in ISO34-1:2015, of at least 25 kN/m, more preferably at least 27 kN/m, even more preferably at least 29 kN/m , and most preferably at least 30 kN/m.

В одном варианте осуществления сетки используются для уменьшения накопления тепла в армированном эластомере.In one embodiment, meshes are used to reduce heat buildup in the reinforced elastomer.

Армированный эластомер в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно имеет повышение температуры при накоплении тепла, определяемое в стандарте ISO 4666-3:2016, максимум 30°C, более предпочтительно самое большее 29°C, еще более предпочтительно самое большее 28°C, и наиболее предпочтительно самое большее 26°C. В одном предпочтительном варианте осуществления армированный эластомер, показывающий такие свойства накопления тепла, по существу является бескомпромиссным с точки зрения по меньшей мере одного, более предпочтительно по меньшей мере двух, и еще более предпочтительно всех из прочности при растяжении (ISO37:2011), сопротивления истиранию (ISO 4649:2010) и сопротивления качению (ISO4664-1:2011), как было определено выше. The reinforced elastomer according to the present invention preferably has a heat storage temperature rise, as defined in ISO 4666-3:2016, of at most 30°C, more preferably at most 29°C, even more preferably at most 28°C, and most preferably at most 26°C. In one preferred embodiment, the reinforced elastomer exhibiting such heat storage properties is substantially uncompromising in terms of at least one, more preferably at least two, and even more preferably all of tensile strength (ISO37:2011), abrasion resistance (ISO 4649:2010) and rolling resistance (ISO4664-1:2011) as defined above.

Армированный эластомер в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно имеет ползучесть, определяемую в стандарте ISO 4666-3:2016, максимум 3%, более предпочтительно максимум 2,9%, и еще более предпочтительно максимум 2,6%. The reinforced elastomer according to the present invention preferably has a creep, as defined in ISO 4666-3:2016, of a maximum of 3%, more preferably a maximum of 2.9%, and even more preferably a maximum of 2.6%.

Проблема при разработке эластомеров часто состоит в том, чтобы улучшить одно свойство без ущерба для других свойств. Углеродные сетки удовлетворяют потребность в упрочнении эластомеров, и при этом улучшают или сохраняют тангенс дельта при 0°C без ущерба для тангенса дельта при 60°C и без ущерба для других свойств, таких как сопротивление истиранию, модуль 300%, прочность при максимальном растяжении, относительное удлинение при разрыве и/или прочность на разрыв. При использовании в протекторе шины очень полезно иметь тангенс дельта при 0°C (сцепление шины с мокрым дорожным покрытием) высоким, а тангенс дельта при 60°C (сопротивление качению) низким. Такой протектор позволит изготавливать шину, которая будет иметь как низкое сопротивление качению, что означает более экономичный расход топлива, так и более высокое сцепление шины с мокрым дорожным покрытием, что означает повышенную безопасность. Поэтому предпочтительно, чтобы армированный эластомер соответствовал по меньшей мере 4, более предпочтительно по меньшей мере 5, еще более предпочтительно по меньшей мере 6, и наиболее предпочтительно всем из следующих характеристик в соответствии с вариантом осуществления (а) в нижеприведенной таблице:The challenge in developing elastomers is often to improve one property without sacrificing other properties. Carbon meshes address the need to strengthen elastomers while improving or maintaining tan delta at 0°C without compromising tan delta at 60°C and without compromising other properties such as abrasion resistance, 300% modulus, maximum tensile strength, elongation at break and/or tensile strength. When used in a tire tread, it is very useful to have tan delta at 0°C (tire wet grip) high and tan delta at 60°C (rolling resistance) low. Such a tread will make it possible to produce a tire that will have both low rolling resistance, which means more economical fuel consumption, and higher grip of the tire on wet road surfaces, which means increased safety. Therefore, it is preferable that the reinforced elastomer meets at least 4, more preferably at least 5, even more preferably at least 6, and most preferably all of the following characteristics according to embodiment (a) in the table below:

Предпочтительно (a)Preferred (a) Более предпочтительно (b)More preferable (b) Еще более предпочтительно (c)Even more preferably (c) Наиболее предпочтительно (d)Most preferred (d) ISO4664-1:2011, тангенс дельта при 0 (°C)ISO4664-1:2011, tan delta at 0 (°C) ≥ 0,1250≥ 0.1250 ≥ 0,1500≥ 0.1500 ≥ 0,1775≥ 0.1775 ≥ 0,1800≥ 0.1800 ISO4664-1:2011, тангенс дельта при 60 (°C)ISO4664-1:2011, tan delta at 60 (°C) ≤ 0,1350≤ 0.1350 ≤ 0,1300≤ 0.1300 ≤ 0,1300≤ 0.1300 ≤ 0,1275≤ 0.1275 ISO 4649:2010, потеря объема (мм3)ISO 4649:2010, volume loss (mm 3 ) < 115< 115 < 115< 115 < 110< 110 < 110< 110 ISO37:2011, максимальная прочность при растяжении (МПа)ISO37:2011, maximum tensile strength (MPa) ≥ 22≥ 22 ≥ 24≥ 24 ≥ 26≥ 26 ≥ 28≥ 28 ISO37:2011, относительное удлинение при разрыве (%)ISO37:2011 elongation at break (%) ≥ 350≥ 350 ≥ 400≥ 400 ≥ 450≥ 450 ≥ 475≥ 475 ISO 4666-3:2016, Повышение температуры (накопление тепла) (°C)ISO 4666-3:2016, Temperature rise (heat storage) (°C) ≤30≤30 ≤ 29≤ 29 ≤ 28≤ 28 ≤ 26≤ 26 ISO 4666-3:2016, ползучесть (%)ISO 4666-3:2016, creep (%) ≤ 3≤ 3 ≤ 2,9≤ 2.9 ≤ 2,8≤ 2.8 ≤ 2,6≤ 2.6

Эти числа относятся к свойствам армированных эластомеров.These numbers refer to the properties of reinforced elastomers.

Особенно предпочтительно, чтобы армированный эластомер соответствовал по меньшей мере 4, более предпочтительно по меньшей мере 5, еще более предпочтительно по меньшей мере 6, и наиболее предпочтительно всем из характеристик в соответствии с вариантом осуществления (b) в вышеприведенной таблице.It is especially preferred that the reinforced elastomer meets at least 4, more preferably at least 5, even more preferably at least 6, and most preferably all of the characteristics according to embodiment (b) in the table above.

Более предпочтительно, чтобы армированный эластомер соответствовал по меньшей мере 4, более предпочтительно по меньшей мере 5, еще более предпочтительно по меньшей мере 6, и наиболее предпочтительно всем из характеристик в соответствии с вариантом осуществления (с) в вышеприведенной таблице.More preferably, the reinforced elastomer meets at least 4, more preferably at least 5, even more preferably at least 6, and most preferably all of the characteristics according to embodiment (c) in the table above.

Наиболее предпочтительно, чтобы армированный эластомер соответствовал по меньшей мере 4, более предпочтительно по меньшей мере 5, еще более предпочтительно по меньшей мере 6, и наиболее предпочтительно всем из характеристик в соответствии с вариантом осуществления (d) в вышеприведенной таблице.Most preferably, the reinforced elastomer meets at least 4, more preferably at least 5, even more preferably at least 6, and most preferably all of the characteristics according to embodiment (d) in the table above.

В одном варианте осуществления сетки используются для улучшения удельной электропроводности армированного эластомера.In one embodiment, meshes are used to improve the electrical conductivity of the reinforced elastomer.

Армированный эластомер в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно имеет объемное удельное электрическое сопротивление, составляющее предпочтительно менее 106 (1000000), что воспринимается как статическое, причем армированный эластомер, демонстрирующий такую улучшенную удельную электропроводность, по существу является бескомпромиссным с точки зрения твердости. Его объемное удельное электрическое сопротивление предпочтительно по меньшей мере на один, более предпочтительно по меньшей мере на два порядка ниже, чем у традиционной сажи. Предпочтительно, чтобы армированный эластомер, имеющий выгодную характеристику объемного удельного электрического сопротивления, соответствовал по меньшей мере 4, более предпочтительно по меньшей мере 5, еще более предпочтительно по меньшей мере 6, и наиболее предпочтительно всем из характеристик в соответствии с вариантом осуществления (a) или (b) или (c) или (d) в вышеприведенной таблице.The reinforced elastomer in accordance with the present invention preferably has a volumetric electrical resistivity of preferably less than 10 6 (1000000), which is perceived as static, and the reinforced elastomer exhibiting such improved electrical conductivity is essentially uncompromised in terms of hardness. Its volumetric electrical resistivity is preferably at least one, more preferably at least two orders of magnitude lower than that of traditional carbon black. Preferably, the reinforced elastomer having the advantageous volumetric electrical resistivity characteristic meets at least 4, more preferably at least 5, even more preferably at least 6, and most preferably all of the characteristics in accordance with embodiment (a) or (b) or (c) or (d) in the above table.

Использование углеродных сеток для армирования эластомеров позволяет обеспечить очень жесткий материал с высокой прочностью на разрыв. Это означает, что материал имеет меньшую вероятность разрушения, и, следовательно, прослужит дольше. Например, в случае шин это может привести к более долговечным шинам, более устойчивым к проколам. Те же самые преимущества работают и для конвейерными лентами, которые могут переносить более тяжелые грузы без разрывов, и которые являются более энергоэффективными из-за низкого сопротивления качению. Кроме того, армированный эластомер по настоящему изобретению является весьма подходящим для резинотехнических изделий. Вышеописанные свойства являются подходящими во многих областях промышленной технологии. Например, в области конвейерных лент очень полезно понизить сопротивление качению, чтобы уменьшить мощность, требуемую для привода ремня. Также сцепление с мокрой поверхностью может быть очень полезным, поскольку изделия, транспортируемые на ремне, с меньшей вероятностью будут падать с него. В дополнение к этому, высокое сопротивление истиранию и прочность на разрыв считаются полезными в области конвейерных лент. Аналогичным образом армированный эластомер в соответствии с настоящим изобретением является весьма подходящим для использования в (промышленных) трубках. Здесь также полезными считаются высокая стойкость к истиранию и высокая прочность на разрыв.The use of carbon mesh to reinforce the elastomers results in a very stiff material with high tensile strength. This means the material is less likely to break down and will therefore last longer. For example, in the case of tires, this can lead to longer lasting tires that are more puncture resistant. The same benefits apply to conveyor belts, which can carry heavier loads without breaking, and which are more energy efficient due to their low rolling resistance. In addition, the reinforced elastomer of the present invention is very suitable for rubber products. The properties described above are suitable in many areas of industrial technology. For example, in the field of conveyor belts, it is very useful to reduce rolling resistance to reduce the power required to drive the belt. Grip on wet surfaces can also be very beneficial as items carried on the belt are less likely to fall off the belt. In addition to this, high abrasion resistance and tensile strength are considered beneficial in the field of conveyor belts. Likewise, the reinforced elastomer according to the present invention is very suitable for use in (industrial) tubing. High abrasion resistance and high tensile strength are also considered beneficial here.

Армированный эластомер по настоящему изобретению может также использоваться в любом из других приложений, где обычно используются каучуки. Неограничивающие примеры этих приложений включают в себя обувь, такую как подошвы и ботинки, формованные резиновые детали, рукоятки, заглушки, колпачки, бамперы, диафрагмы и амортизаторы.The reinforced elastomer of the present invention can also be used in any of the other applications where rubbers are commonly used. Non-limiting examples of these applications include footwear such as soles and boots, molded rubber parts, grips, plugs, caps, bumpers, diaphragms and shock absorbers.

Процесс для получения содержащих углеродные нановолокна углеродных сетокProcess for producing carbon nanofiber-containing carbon meshes

Процесс для получения пористых, химически взаимосвязанных, содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток лучше всего можно описать как модифицированный процесс производства сажи, в котором под «модифицированным» понимается то, что подходящее масло, предпочтительно масло, содержащее по меньшей мере 14 атомов C (>C14), такое как исходное масло для сажи (CBFS), подается в реакционную зону реактора сажи как часть однофазной эмульсии, являющейся термодинамически стабильной микроэмульсией, содержащей наночастицы металлического катализатора. Эмульсия предпочтительно подается в реакционную зону путем распыления, и таким образом измельчения эмульсии на капельки. Хотя этот процесс может осуществляться периодическим или полупериодическим образом, модифицированный процесс производства сажи предпочтительно осуществляется как непрерывный процесс. Однофазная эмульсия является микроэмульсией, содержащей наночастицы металлического катализатора. Предпочтительная однофазная эмульсия содержит масло CBFS, и может упоминаться как «эмульгированное CBFS» в контексте настоящего изобретения.The process for producing porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks can best be described as a modified carbon black process, where by "modified" is meant that a suitable oil, preferably an oil containing at least 14 C atoms (>C14) , such as carbon black feed oil (CBFS), is supplied to the reaction zone of the carbon black reactor as part of a single-phase emulsion, which is a thermodynamically stable microemulsion containing metal catalyst nanoparticles. The emulsion is preferably fed into the reaction zone by spraying, thereby breaking the emulsion into droplets. Although this process can be carried out in a batch or semi-batch manner, the modified carbon black production process is preferably carried out as a continuous process. A single-phase emulsion is a microemulsion containing metal catalyst nanoparticles. The preferred single-phase emulsion contains CBFS oil, and may be referred to as "emulsified CBFS" in the context of the present invention.

Процесс для производства углеродных сеток может быть выполнен в реакторе 3, который содержит реакционную зону 3b и зону 3c завершения, путем впрыскивания однофазной эмульсии c, являющейся микроэмульсией, содержащей наночастицы металлического катализатора, предпочтительно содержащей CBFS эмульсией, в реакционную зону 3b с температурой выше 600°C, предпочтительно выше 700°C, более предпочтительно выше 900°C, еще более предпочтительно выше 1000°C, более предпочтительно выше 1100°C, предпочтительно вплоть до 3000°C, более предпочтительно вплоть до 2500°C, наиболее предпочтительно вплоть до 2000°C, для производства пористых, химически взаимосвязанных, содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток, передачи этих сеток в зону 3c завершения, и гашения или остановки формирования пористых, химически взаимосвязанных, содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток в зоне завершения путем распыления воды d. Однофазная эмульсия предпочтительно распыляется в реакционную зону. Это показано на Фиг. 1A.The process for producing carbon meshes can be carried out in a reactor 3, which contains a reaction zone 3b and a completion zone 3c, by injecting a single-phase emulsion c, which is a microemulsion containing metal catalyst nanoparticles, preferably a CBFS-containing emulsion, into the reaction zone 3b at a temperature above 600° C, preferably above 700°C, more preferably above 900°C, even more preferably above 1000°C, more preferably above 1100°C, preferably up to 3000°C, more preferably up to 2500°C, most preferably up to 2000 °C, to produce porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon meshes, transfer these meshes to termination zone 3c, and quench or stop the formation of porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon meshes in the completion zone by spraying water d. The single-phase emulsion is preferably sprayed into the reaction zone. This is shown in Fig. 1A.

Альтернативно процесс для производства пористых, химически взаимосвязанных, содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток выполняется в печном реакторе 3 для сажи, который содержит, вдоль оси реактора 3, зону 3a горения, реакционную зону 3b и зону 3c завершения, путем создания потока горячего отходящего газа a1 в зоне горения за счет сжигания топлива в кислородсодержащем газе b и прохождения отходящего газа a1 из зоны горения 3a в реакционную зону 3b, распыления (измельчения) однофазной эмульсии c в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно микроэмульсии, содержащей наночастицы металлического катализатора, предпочтительно содержащей CBFS эмульсии, в реакционной зоне 3b, содержащей горячий отходящий газ, карбонизации упомянутой эмульсии при повышенных температурах (при температуре выше 600°C, предпочтительно выше 700°C, более предпочтительно выше 900°C, еще более предпочтительно выше 1000°C, более предпочтительно выше 1100°C, предпочтительно вплоть до 3000°C, более предпочтительно вплоть до 2500°C, наиболее предпочтительно вплоть до 2000°C), и гашения или остановки реакции (то есть формирования пористых, химически взаимосвязанных, содержащих углеродные нановолокна углеродных сеток) в зоне 3c завершения путем распыления воды d. Реакционная зона 3b содержит по меньшей мере один вход (предпочтительно сопло) для введения эмульсии, предпочтительно путем распыления. Это показано на Фиг. 1A.Alternatively, the process for producing porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon meshes is carried out in a furnace soot reactor 3, which contains, along the axis of the reactor 3, a combustion zone 3a, a reaction zone 3b and a termination zone 3c, by creating a hot exhaust gas stream a1 in combustion zone by burning fuel in oxygen-containing gas b and passing exhaust gas a1 from combustion zone 3a into reaction zone 3b, atomizing (grinding) a single-phase emulsion c according to the present invention, preferably a microemulsion containing metal catalyst nanoparticles, preferably a CBFS-containing emulsion, in reaction zone 3b containing hot off-gas, carbonizing said emulsion at elevated temperatures (above 600°C, preferably above 700°C, more preferably above 900°C, even more preferably above 1000°C, more preferably above 1100° C, preferably up to 3000°C, more preferably up to 2500°C, most preferably up to 2000°C), and quenching or stopping the reaction (ie, the formation of porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks) in the completion zone 3c by spraying water d. Reaction zone 3b contains at least one inlet (preferably a nozzle) for introducing the emulsion, preferably by spraying. This is shown in Fig. 1A.

Времена пребывания эмульсии в реакционной зоне печного реактора сажи могут быть относительно короткими, предпочтительно в пределах 1-1000 мс, и более предпочтительно 10-100 мс. Более длительные времена пребывания могут влиять на свойства углеродных сеток. Одним примером может быть размер кристаллитов, который является более высоким при использовании более длительного времени пребывания.Residence times of the emulsion in the reaction zone of the furnace carbon black reactor can be relatively short, preferably in the range of 1-1000 ms, and more preferably 10-100 ms. Longer residence times can affect the properties of carbon networks. One example would be the crystallite size, which is higher when longer residence times are used.

В соответствии с обычными процессами производства сажи масляная фаза может быть ароматической и/или алифатической, предпочтительно содержащей по меньшей мере 50 мас.% C14 или выше, более предпочтительно по меньшей мере 70 мас.% C14 или выше (по общей массе масла). Список типичных масел, которые могут использоваться для получения стабильных эмульсий, включает в себя, не ограничиваясь этим, получите устойчивые эмульсии, исходные масла для сажи (CBFS), фенольное масло, антраценовые масла, жирные кислоты (с короткой, средней и длинной цепью), сложные эфиры жирных кислот и парафины. Масло предпочтительно представляет собой C14 или выше. В одном варианте осуществления масло предпочтительно имеет высокую ароматичность. Ароматичность предпочтительно характеризуется в терминах индекса корреляции Горно-геологического бюро США (BMCI). Масло предпочтительно имеет значение BMCI > 50. В одном варианте осуществления масло имеет низкую ароматичность, предпочтительно BMCI < 15. According to conventional carbon black production processes, the oil phase may be aromatic and/or aliphatic, preferably containing at least 50 wt.% C14 or higher, more preferably at least 70 wt.% C14 or higher (based on total oil weight). A list of typical oils that can be used to formulate stable emulsions includes, but is not limited to, obtain stable emulsions, carbon black starting oils (CBFS), phenolic oil, anthracene oils, fatty acids (short, medium and long chain), fatty acid esters and paraffins. The oil is preferably C14 or higher. In one embodiment, the oil preferably has high aromaticity. Aromaticity is preferably characterized in terms of the US Bureau of Mines and Geology Correlation Index (BMCI). The oil preferably has a BMCI value >50. In one embodiment, the oil has low aromaticity, preferably a BMCI <15.

CBFS является экономически привлекательным источником масла в контексте настоящего изобретения и предпочтительно является смесью тяжелых углеводородов, содержащей преимущественно C14 - C50, причем суммарное количество C14 - C50 предпочтительно составляет по меньшей мере 50 мас.%, и более предпочтительно по меньшей мере 70 мас.% исходного сырья. Некоторые из наиболее важных исходных материалов, используемых для производства сажи, включают в себя осветленную суспензию нефти (CSO), получаемую при каталитическом крекинге газойлей в псевдоожиженном слое, остатки крекинга этилена от парового крекинга нафты и каменноугольные масла. Присутствие парафинов (<C15) существенно уменьшает их пригодность, и предпочтительной является более высокая ароматичность. Концентрация ароматических соединений определяет скорость, с которой формируются углеродные ядра. Исходное сырье для сажи предпочтительно имеет высокое значение BMCI, чтобы иметь возможность обеспечивать высокий выход при минимальном подводе тепла, что снижает стоимость производства. В одном предпочтительном варианте осуществления и в соответствии с текущими спецификациями CBFS масло, включая смеси масел, имеет значение BMCI больше чем 120. В то время как у специалиста в данной области техники не должно быть никаких трудностей с пониманием того, что является подходящим CBFS, просто в качестве ориентира следует отметить, что с точки зрения выхода значение BMCI для CBFS предпочтительно составляет больше чем 120, и еще более предпочтительно больше чем 132. Количество асфальтена в масле предпочтительно составляет менее 10 мас.%, и более предпочтительно менее 5,0 мас.% по массе CBFS. CBFS предпочтительно имеет низкое содержание серы, поскольку сера оказывает негативное влияние на качество продукта, приводит к снижению выхода и разъедает оборудование. CBFS is an economically attractive oil source in the context of the present invention and is preferably a mixture of heavy hydrocarbons containing predominantly C14 - C50, the total amount of C14 - C50 preferably being at least 50 wt.%, and more preferably at least 70 wt.% of the original raw materials. Some of the most important feedstocks used to produce carbon black include clarified slurry oil (CSO) obtained from the fluid catalytic cracking of gas oils, ethylene cracking residues from naphtha steam cracking, and coal oils. The presence of paraffins (<C15) significantly reduces their suitability and higher aromaticity is preferred. The concentration of aromatic compounds determines the rate at which carbon nuclei are formed. The carbon black feedstock preferably has a high BMCI value to be able to provide high yield with minimal heat input, thereby reducing production cost. In one preferred embodiment, and according to current CBFS specifications, the oil, including blends of oils, has a BMCI value greater than 120. While one skilled in the art should have no difficulty understanding what is a suitable CBFS, simply As a guide, it should be noted that from a yield point of view, the BMCI value of CBFS is preferably greater than 120, and even more preferably greater than 132. The amount of asphaltene in the oil is preferably less than 10 wt.%, and more preferably less than 5.0 wt. % by weight CBFS. CBFS is preferably low in sulfur because sulfur has a negative impact on product quality, reduces yield, and is corrosive to equipment.

Предпочтительно, чтобы содержание серы в масле в соответствии со стандартом ASTM D1619 составляло менее 8,0 мас.%, предпочтительно менее 4,0 мас.%, и более предпочтительно менее 2,0 мас.%.Preferably, the sulfur content of the oil according to ASTM D1619 is less than 8.0 wt%, preferably less than 4.0 wt%, and more preferably less than 2.0 wt%.

Эмульсия, предпочтительно содержащая CBFS эмульсия, является «однофазной эмульсией», что означает, что масляная фаза и водная фаза оптически выглядят как одна растворимая смесь, в которой физическое разделение масла, воды или поверхностно-активного вещества незаметно невооруженному глазу. Однофазная эмульсия может быть макроэмульсией или микроэмульсией, и может быть кинетически или термодинамически устойчивой. Считается, что процесс, при котором эмульсия полностью разрушается (коалесценция), то есть система разделяется на объемные масляную и водную фазы, обычно контролируется четырьмя различными механизмами потери капель, то есть броуновской флокуляцией, вспениванием, флокуляцией седиментации и диспропорционированием. The emulsion, preferably the CBFS-containing emulsion, is a "single-phase emulsion", which means that the oil phase and the water phase optically appear as one soluble mixture in which the physical separation of oil, water or surfactant is invisible to the naked eye. A single-phase emulsion may be a macroemulsion or a microemulsion, and may be kinetically or thermodynamically stable. The process by which the emulsion completely breaks down (coalescence), i.e. the system separates into bulk oil and aqueous phases, is generally thought to be controlled by four different droplet loss mechanisms, i.e. Brownian flocculation, foaming, sedimentation flocculation and disproportionation.

«Устойчивая однофазная эмульсия» в контексте настоящего изобретения означает, что эмульсия не показывает физического разделения, видимого глазу, что предпочтительно отражается в терминах того, что эмульсия не показывает изменения значения pH больше чем на 1,0 ед. значения pH, и/или что эмульсия не показывает изменения вязкости более чем на 20%, в течение периода времени, превышающего время производства углеродной сетки. Термин «устойчивая» может означать «термодинамически устойчивая» или «кинетически устойчивая» (при добавлении энергии, то есть при смешивании). На практике однофазная эмульсия рассматривается как устойчивая, если оптически незаметно никакого расслаивания, то есть однофазность сохраняется в течение по меньшей мере 1 мин после приготовления эмульсии. Таким образом, предпочтительно, чтобы эмульсия сохраняла свой pH в пределах 1,0 ед. pH и/или свою вязкость с вариацией менее 20% в течение периода времени, составляющего по меньшей мере 1 мин, предпочтительно по меньшей мере 5 мин после приготовления. Хотя для целей обращения предпочтительна повышенная стабильность, следует отметить, что для производственного процесса все же может быть выгодно использование эмульсий, стабильных в течение относительно коротких промежутков времени, составляющих 1 мин, предпочтительно 5 мин: за счет добавления энергии (перемешивания) стабильность эмульсии может быть увеличена, и краткосрочная стабильность может быть увеличена с помощью поточного смешивания. Хотя макроэмульсии не являются термодинамически стабильными и всегда будут возвращаться к своим исходным, несмешивающимся отдельным масляным и водным фазам, скорость разрушения может быть достаточно низкой, чтобы сделать их кинетически стабильными на протяжении всего производственного процесса. "Stable single-phase emulsion" in the context of the present invention means that the emulsion does not show physical separation visible to the eye, which is preferably reflected in terms of the emulsion not showing a change in pH value of more than 1.0 units. pH values, and/or that the emulsion does not show a change in viscosity of more than 20% over a period of time exceeding the production time of the carbon mesh. The term "stable" can mean "thermodynamically stable" or "kinetically stable" (with the addition of energy, i.e. with mixing). In practice, a single-phase emulsion is considered stable if no separation is optically noticeable, that is, the single-phase state is maintained for at least 1 minute after preparation of the emulsion. Thus, it is preferable for the emulsion to maintain its pH within 1.0 pH. pH and/or its viscosity with a variation of less than 20% over a period of at least 1 minute, preferably at least 5 minutes after preparation. Although increased stability is preferred for handling purposes, it should be noted that for the production process it may still be advantageous to use emulsions that are stable for relatively short periods of time of 1 min, preferably 5 min: by adding energy (stirring), the stability of the emulsion can be increased increased, and short-term stability can be increased by in-line mixing. Although macroemulsions are not thermodynamically stable and will always revert to their original, immiscible separate oil and water phases, the rate of breakdown can be low enough to make them kinetically stable throughout the production process.

При условии получения стабильной однофазной эмульсии количества воды и масла не считаются ограничивающими, но следует отметить, что меньшие количества воды (и повышенные количества масла) улучшают выходы. Содержание воды обычно составляет 5-50 мас.% эмульсии, предпочтительно 10-40 мас.%, еще более предпочтительно вплоть до 30 мас.%, и более предпочтительно 10-20 мас.% эмульсии. Хотя можно рассмотреть возможность использования большего количества воды, это будет происходить за счет выхода. Без привязки к какой-либо конкретной теории, авторы настоящего изобретения полагают, что водная фаза определяет форму и морфологию получаемых таким образом сеток.As long as a stable single-phase emulsion is obtained, the amounts of water and oil are not considered limiting, but it should be noted that lower amounts of water (and higher amounts of oil) improve yields. The water content is typically 5-50% by weight of the emulsion, preferably 10-40% by weight, even more preferably up to 30% by weight, and more preferably 10-20% by weight of the emulsion. Although you can consider using more water, it will come at the expense of yield. Without being bound by any particular theory, the present inventors believe that the aqueous phase determines the shape and morphology of the networks thus obtained.

Выбор поверхностно-активного вещества (веществ) не считается ограничивающим фактором при условии, что комбинация масла, воды и поверхностно-активного вещества (веществ) приводит к стабильной микроэмульсии, как было определено выше. В качестве дополнительных указаний для специалиста следует отметить, что поверхностно-активное вещество может быть выбрано на основе гидрофобности или гидрофильности системы, то есть гидрофильно-липофильного баланса (HLB). HLB поверхностно-активного вещества - это мера степени его гидрофильности или липофильности, определяемая путем расчета значений для различных участков молекулы в соответствии с методом Гриффина или Дэвиса. Подходящее значение HLB зависит от типа масла и количества масла и воды в эмульсии, и может быть легко определено специалистом в данной области техники на основе требований сохранения термодинамически устойчивой однофазовой эмульсии, как было определено выше. Было найдено, что эмульсия, содержащая более 50 мас.% масла, предпочтительно имеющая менее 30 мас.% водной фазы, лучше всего может быть стабилизирована поверхностно-активным веществом, имеющим значение HLB выше 7, предпочтительно выше 8, более предпочтительно выше 9, и наиболее предпочтительно выше 10. С другой стороны, эмульсия, содержащая самое большее 50 мас.% масла, лучше всего может быть стабилизирована поверхностно-активным веществом, имеющим значение HLB ниже 12, предпочтительно ниже 11, более предпочтительно ниже 10, наиболее предпочтительно ниже 9, в частности ниже 8. Поверхностно-активное вещество предпочтительно выбирается так, чтобы оно было совместимым с масляной фазой. В том случае, если масло представляет собой эмульсию, содержащую CBFS, поверхностно-активное вещество с высокой ароматичностью является предпочтительным, в то время как масло с низким значением BMCI, например, BMCI < 15, лучше всего стабилизировать с использованием алифатических поверхностно-активных веществ. Поверхностно-активное вещество (вещества) может быть катионным, анионным или неионным, или их смесью. Одно или более неионогенных поверхностно-активных веществ являются предпочтительными для увеличения выхода, поскольку в конечном продукте не останется остаточных ионов. Для того, чтобы получить чистый поток отходящего газа, предпочтительно, чтобы структура поверхностно-активного вещества имела низкое содержание серы и азота, и предпочтительно не содержала серы и азота. Неограничивающими примерами типичных неионогенных поверхностно-активных веществ, которые можно использовать для получения стабильных эмульсий, являются коммерчески доступные серии Tween, Span, Hypermer, Pluronic, Emulan, Neodol, Triton X и Tergitol. The choice of surfactant(s) is not considered a limiting factor as long as the combination of oil, water and surfactant(s) results in a stable microemulsion as defined above. As further guidance to the skilled person, it should be noted that the surfactant may be selected based on the hydrophobicity or hydrophilicity of the system, ie hydrophilic-lipophilic balance (HLB). The HLB of a surfactant is a measure of its degree of hydrophilicity or lipophilicity, determined by calculating values for different regions of the molecule according to the Griffin or Davis method. The appropriate HLB value depends on the type of oil and the amount of oil and water in the emulsion, and can be easily determined by one skilled in the art based on the requirements of maintaining a thermodynamically stable single-phase emulsion as defined above. It has been found that an emulsion containing more than 50 wt.% oil, preferably having less than 30 wt.% aqueous phase, can best be stabilized by a surfactant having an HLB value greater than 7, preferably greater than 8, more preferably greater than 9, and most preferably above 10. On the other hand, an emulsion containing at most 50 wt.% oil may best be stabilized with a surfactant having an HLB value below 12, preferably below 11, more preferably below 10, most preferably below 9. in particular below 8. The surfactant is preferably selected so that it is compatible with the oil phase. Where the oil is an emulsion containing CBFS, a highly aromatic surfactant is preferred, while an oil with a low BMCI value, eg BMCI < 15, is best stabilized using aliphatic surfactants. The surfactant(s) may be cationic, anionic or nonionic, or a mixture thereof. One or more nonionic surfactants are preferred to increase yield since there will be no residual ions left in the final product. In order to obtain a clean off-gas stream, it is preferable that the surfactant structure has a low sulfur and nitrogen content, and preferably does not contain sulfur and nitrogen. Non-limiting examples of typical nonionic surfactants that can be used to formulate stable emulsions include the commercially available Tween, Span, Hypermer, Pluronic, Emulan, Neodol, Triton X and Tergitol series.

В контексте настоящего изобретения микроэмульсия представляет собой дисперсию, состоящую из воды, масла (предпочтительно CBFS) и поверхностно-активного вещества (веществ), которая представляет собой единую оптически и термодинамически стабильную жидкость с диаметром диспергированных доменов, варьирующимся приблизительно от 1 до 500 нм, предпочтительно от 1 до 100 нм, и обычно от 10 до 50 нм. В микроэмульсии домены дисперсной фазы являются либо глобулярными (то есть капельками), либо взаимосвязанными (образующими взаимно-непрерывную микроэмульсию). В одном предпочтительном варианте осуществления хвосты поверхностно-активного вещества образуют непрерывную сеть в масляной фазе эмульсии воды в масле (w/o) или взаимно-непрерывной эмульсии. Водные домены должны содержать металлический катализатор, предпочтительно имеющий средний размер частиц 1-100 нм. In the context of the present invention, a microemulsion is a dispersion consisting of water, oil (preferably CBFS) and surfactant(s), which is a single optically and thermodynamically stable liquid with dispersed domain diameters ranging from approximately 1 to 500 nm, preferably from 1 to 100 nm, and typically from 10 to 50 nm. In a microemulsion, the dispersed phase domains are either globular (that is, droplets) or interconnected (forming a mutually continuous microemulsion). In one preferred embodiment, the surfactant tails form a continuous network in the oil phase of a water-in-oil (w/o) or cross-continuous emulsion. The water domains should contain a metal catalyst, preferably having an average particle size of 1-100 nm.

Однофазная эмульсия, то есть эмульсия w/o или взаимно-непрерывная микроэмульсия, предпочтительно взаимно-непрерывная микроэмульсия, дополнительно содержит наночастицы металлического катализатора, предпочтительно имеющие средний размер частиц 1-100 нм. Специалист в данной области техники найдет подробные рекомендации в области углеродных нанотрубок (CNT) для производства и использования этих видов наночастиц. Было обнаружено, что эти металлические наночастицы улучшают формирование сетки с точки зрения скорости и выхода, а также воспроизводимости. Способы для производства подходящих металлических наночастиц описаны в публикациях Vinciguerra et al. «Growth mechanisms in chemical vapour deposited carbon nanotubes» Nanotechnology (2003) 14, 655; Perez-Cabero et al. «Growing mechanism of CNTs: a kinetic approach» J. Catal. (2004) 224, 197-205; Gavillet et al. «Microscopic mechanisms for the catalyst assisted growth of single-wall carbon nanotubes» Carbon. (2002) 40, 1649-1663 and Amelinckx et al. «A formation mechanism for catalytically grown helix-shaped graphite nanotubes» Science (1994) 265, 635-639, содержание которых в отношении производства металлических наночастиц включено в настоящий документ посредством ссылки. The single-phase emulsion, that is, a w/o emulsion or a cross-continuous microemulsion, preferably a cross-continuous microemulsion, further contains metal catalyst nanoparticles, preferably having an average particle size of 1-100 nm. One skilled in the art will find detailed guidance in the field of carbon nanotubes (CNTs) for the production and use of these types of nanoparticles. These metal nanoparticles were found to improve network formation in terms of speed and yield as well as reproducibility. Methods for the production of suitable metal nanoparticles are described in the publications of Vinciguerra et al. “Growth mechanisms in chemical vapor deposited carbon nanotubes” Nanotechnology (2003) 14, 655; Perez-Cabero et al. “Growing mechanism of CNTs: a kinetic approach” J. Catal. (2004) 224, 197-205; Gavillet et al. “Microscopic mechanisms for the catalyst assisted growth of single-wall carbon nanotubes” Carbon. (2002) 40, 1649-1663 and Amelinckx et al. "A formation mechanism for catalytically grown helix-shaped graphite nanotubes" Science (1994) 265, 635-639, the contents of which with respect to the production of metal nanoparticles are incorporated herein by reference.

Наночастицы металлического катализатора используются во взаимно-непрерывной или w/o микроэмульсии, предпочтительно содержащей CBFS взаимно-непрерывной или w/o микроэмульсии. В одном варианте осуществления взаимно-непрерывная микроэмульсия является наиболее предпочтительной. Предпочтительно в упомянутой (взаимно-непрерывной) микроэмульсии однородностью металлических частиц управляют путем смешивания первой (взаимно-непрерывной) микроэмульсии, в которой водная фаза содержит соль комплексного соединения металла, способную восстанавливаться в окончательные металлические частицы, и второй (взаимно-непрерывной) микроэмульсии, в которой водная фаза содержит восстановитель, способный восстанавливать упомянутую соль комплексного соединения металла; при смешивании комплексное соединение металла восстанавливается, формируя таким образом металлические частицы. Управляемая среда (взаимно-непрерывной) эмульсии стабилизирует частицы от спекания или созревания Оствальда. Размер, концентрацию и долговечность частиц катализатора можно легко контролировать. Регулировка среднего размера металлических частиц в указанном выше диапазоне считается обычным экспериментом, например, путем изменения молярного отношения прекурсора металла к восстановителю. Увеличение относительного количества восстановителя дает более мелкие частицы. Полученные таким образом металлические частицы являются монодисперсными, и отклонения от среднего размера частиц предпочтительно находятся в пределах 10%, более предпочтительно в пределах 5%. Кроме того, настоящая технология не накладывает ограничений на фактический прекурсор металла при условии, что он может быть восстановлен. Неограничивающими примерами наночастиц, включенных в содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки, являются благородные металлы (Pt, Pd, Au, Ag), элементы семейства железа (Fe, Co и Ni), Ru и Cu. Подходящие комплексные соединения металла могут быть (i) прекурсорами платины, такими как H2PtCl6; H2PtCl6.xH2O; K2PtCl4; K2PtCl4.xH2O; Pt(NH3)4(NO3)2; Pt(C5H7O2)2, (ii) прекурсорами рутения, такими как Ru(NO)(NO3)3; Ru(dip)3Cl2 [dip=4,7-дифенил-1,10-фенантролин]; RuCl3, или (iii) прекурсорами палладия, такими как Pd(NO3)2, или (iv) прекурсорами никеля, такими как NiCl2 или NiCl2.xH2O; Ni(NO3)2; Ni(NO3)2.xH2O; Ni(CH3COO)2; Ni(CH3COO)2.xH2O; Ni(AOT)2 [AOT=бис(2-этилгексил)сульфосукцинат], где x может быть любым целым числом, выбираемым из 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10, и обычно равно 6, 7 или 8. Неограничивающими подходящими восстановителями являются газообразный водород, борогидрид натрия, бисульфат натрия, гидразин или гидрат гидразина, этиленгликоль, метанол и этанол. Также подходящими являются лимонная кислота и додециламин. Тип прекурсора металла не является существенной частью настоящего изобретения. Металл частиц (взаимно-непрерывной) микроэмульсии предпочтительно выбирается из группы, состоящей из Pt, Pd, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru и Cu, а также их смесей, чтобы управлять морфологией образующихся в конечном счете структур углеродных сеток. Металлические наночастицы в конечном итоге внедряются внутрь этих структур и физически прикрепляются к ним. Хотя не существует никакой минимальной концентрации металлических частиц, при которой формируются эти сетки - фактически сетки формируются с использованием модифицированного процесса производства сажи в соответствии с настоящим изобретением - было найдено, что выход увеличивается с увеличением концентрации металлических частиц. В одном предпочтительном варианте осуществления концентрация активного металла составляет по меньшей мере 1 мМ, предпочтительно по меньшей мере 5 мМ, более предпочтительно по меньшей мере 10 мМ, еще более предпочтительно по меньшей мере 15 мМ, еще более предпочтительно по меньшей мере 20 мМ, в частности по меньшей мере 25 мМ, и наиболее предпочтительно вплоть до 3500 мМ, предпочтительно вплоть до 3000 мМ. В одном варианте осуществления металлические наночастицы содержатся в количестве вплоть до 250 мМ. Это концентрации катализатора по отношению к количеству водной фазы (взаимно-непрерывной) микроэмульсии.Nanoparticle metal catalyst is used in a cross-continuous or w/o microemulsion, preferably containing CBFS in a cross-continuous or w/o microemulsion. In one embodiment, a mutually continuous microemulsion is most preferred. Preferably, in said (mutually continuous) microemulsion, the uniformity of the metal particles is controlled by mixing a first (mutually continuous) microemulsion, in which the aqueous phase contains a metal complex salt capable of being reduced into the final metal particles, and a second (mutually continuous) microemulsion, in wherein the aqueous phase contains a reducing agent capable of reducing said metal complex salt; when mixed, the metal complex is reduced, thus forming metal particles. The controlled environment of the (mutually continuous) emulsion stabilizes the particles against sintering or Ostwald ripening. The size, concentration and durability of the catalyst particles can be easily controlled. Adjusting the average metal particle size within the above range is considered routine experimentation, for example by changing the molar ratio of metal precursor to reducing agent. Increasing the relative amount of reducing agent produces smaller particles. The metal particles thus obtained are monodisperse, and deviations from the average particle size are preferably within 10%, more preferably within 5%. In addition, the present technology places no restrictions on the actual metal precursor provided it can be reduced. Non-limiting examples of nanoparticles incorporated into carbon nanofiber-containing carbon networks include noble metals (Pt, Pd, Au, Ag), iron family elements (Fe, Co and Ni), Ru and Cu. Suitable metal complex compounds may be (i) platinum precursors such as H 2 PtCl 6 ; H 2 PtCl 6 .xH 2 O; K 2 PtCl 4 ; K 2 PtCl 4 .xH 2 O; Pt(NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 ; Pt(C 5 H 7 O 2 ) 2 , (ii) ruthenium precursors such as Ru(NO)(NO 3 ) 3 ; Ru(dip) 3 Cl 2 [dip=4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline]; RuCl 3 , or (iii) palladium precursors such as Pd(NO 3 ) 2 , or (iv) nickel precursors such as NiCl 2 or NiCl 2 .xH 2 O; Ni(NO 3 ) 2 ; Ni(NO 3 ) 2 .xH 2 O; Ni(CH 3 COO) 2 ; Ni(CH 3 COO) 2 .xH 2 O; Ni(AOT) 2 [AOT=bis(2-ethylhexyl)sulfosuccinate] where x can be any integer selected from 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10, and is usually equal to 6, 7 or 8. Non-limiting suitable reducing agents include hydrogen gas, sodium borohydride, sodium bisulfate, hydrazine or hydrazine hydrate, ethylene glycol, methanol and ethanol. Citric acid and dodecylamine are also suitable. The type of metal precursor is not an essential part of the present invention. The metal of the (mutually continuous) microemulsion particles is preferably selected from the group consisting of Pt, Pd, Au, Ag, Fe, Co, Ni, Ru and Cu, as well as mixtures thereof, to control the morphology of the carbon network structures ultimately formed. Metal nanoparticles eventually become embedded within these structures and physically attach to them. Although there is no minimum concentration of metal particles at which these networks are formed—in fact, the networks are formed using a modified carbon black production process in accordance with the present invention—yield has been found to increase with increasing concentration of metal particles. In one preferred embodiment, the active metal concentration is at least 1 mM, preferably at least 5 mM, more preferably at least 10 mM, even more preferably at least 15 mM, even more preferably at least 20 mM, in particular at least 25 mM, and most preferably up to 3500 mM, preferably up to 3000 mM. In one embodiment, the metal nanoparticles are present in amounts up to 250 mM. These are the catalyst concentrations relative to the amount of aqueous phase (mutually continuous) microemulsion.

Распыление однофазной эмульсии, предпочтительно содержащей CBFS эмульсии, предпочтительно осуществляется путем распыления с использованием системы сопел 4, которая позволяет капелькам эмульсии контактировать с горячим отходящим газом a1 в реакционной зоне 3b, приводя к обычной карбонизации, формированию сетки и последующей агломерации для получения углеродных сеток в соответствии с настоящим изобретением. Стадия впрыскивания предпочтительно включает повышенные температуры выше 600°C, предпочтительно 700-3000°C, более предпочтительно 900-2500°C, и наиболее предпочтительно 1100-2000°C.Atomization of the single-phase emulsion, preferably containing CBFS emulsion, is preferably carried out by atomization using a nozzle system 4, which allows droplets of the emulsion to contact the hot off-gas a1 in the reaction zone 3b, leading to conventional carbonation, network formation and subsequent agglomeration to obtain carbon networks according to with the present invention. The injection step preferably includes elevated temperatures above 600°C, preferably 700-3000°C, more preferably 900-2500°C, and most preferably 1100-2000°C.

В одном аспекте пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки предпочтительно имеют по меньшей мере одно, предпочтительно по меньшей мере два, более предпочтительно по меньшей мере три, и наиболее предпочтительно все из следующих свойств:In one aspect, the porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks preferably have at least one, preferably at least two, more preferably at least three, and most preferably all of the following properties:

(i) Число адсорбции йода (IAN) по меньшей мере 30 мг/г, предпочтительно по меньшей мере 50 мг/г, более предпочтительно по меньшей мере 100 мг/г, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 150 мг/г в соответствии со стандартом ASTM D1510. Альтернативно значение IAN составляет 30-1000 мг/г, предпочтительно 100-800 мг/г, и более предпочтительно 30-500 мг/г в соответствии со стандартом ASTM D1510;(i) Iodine adsorption number (IAN) of at least 30 mg/g, preferably at least 50 mg/g, more preferably at least 100 mg/g, and most preferably at least 150 mg/g according to the standard ASTM D1510. Alternatively, the IAN value is 30-1000 mg/g, preferably 100-800 mg/g, and more preferably 30-500 mg/g according to ASTM D1510;

(ii) Азотную площадь поверхности (N2SA) по меньшей мере 30 м2/г, предпочтительно по меньшей мере 50 м2/г, более предпочтительно по меньшей мере 100 м2/г, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 150 м2/г в соответствии со стандартом ASTM D6556. Альтернативно значение N2SA составляет 30-1000 м2/г, предпочтительно 100-800 м2/г, и более предпочтительно 30-500 м2/г в соответствии со стандартом ASTM D6556;(ii) Nitrogen surface area (N2SA) of at least 30 m 2 /g, preferably at least 50 m 2 /g, more preferably at least 100 m 2 /g, and most preferably at least 150 m 2 /g in accordance with ASTM D6556 standard. Alternatively, the N2SA value is 30-1000 m 2 /g, preferably 100-800 m 2 /g, and more preferably 30-500 m 2 /g in accordance with ASTM D6556;

(iii) Статистическую толщину поверхностной области (STSA) по меньшей мере 40 м2/г, более предпочтительно по меньшей мере 70 м2/г, еще более предпочтительно по меньшей мере 100 м2/г, еще более предпочтительно по меньшей мере 125 м2/г, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 150 м2/г в соответствии со стандартом ASTM D6556. Альтернативно значение STSA составляет 40-1000 м2/г, предпочтительно 100-800 м2/г, и более предпочтительно 120-500 м2/г в соответствии со стандартом ASTM D6556;(iii) Statistical thickness of surface area (STSA) of at least 40 m 2 /g, more preferably at least 70 m 2 /g, even more preferably at least 100 m 2 /g, even more preferably at least 125 m 2 /g, and most preferably at least 150 m 2 /g in accordance with ASTM D6556. Alternatively, the STSA value is 40-1000 m 2 /g, preferably 100-800 m 2 /g, and more preferably 120-500 m 2 /g in accordance with ASTM D6556;

(iv) Число абсорбции масла (OAN) по меньшей мере 50 куб.см/100 г, предпочтительно по меньшей мере 75 куб.см/100 г, более предпочтительно по меньшей мере 100 куб.см/100 г, еще более предпочтительно по меньшей мере 125 куб.см/100 г, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 150 куб.см/100 г в соответствии со стандартом ASTM D2414. Альтернативно значение OAN составляет 50-500 куб.см/100 г, и предпочтительно 150-350 куб.см/100 г в соответствии со стандартом ASTM D2414,(iv) Oil absorption number (OAN) of at least 50 cc/100 g, preferably at least 75 cc/100 g, more preferably at least 100 cc/100 g, even more preferably at least at least 125 cc/100 g, and most preferably at least 150 cc/100 g according to ASTM D2414. Alternatively, the OAN value is 50-500 cc/100 g, and preferably 150-350 cc/100 g according to ASTM D2414,

где: Where:

IAN=Число адсорбции йода: количество граммов йода, адсорбируемого на килограмм сажи при указанных условиях, как определено в стандарте ASTM D1510;IAN=Iodine Adsorption Number: The number of grams of iodine adsorbed per kilogram of soot under specified conditions, as defined in ASTM D1510;

N2SA=азотная площадь поверхности: полная площадь поверхности сажи, которая вычисляется из данных адсорбции азота с использованием теории BET в соответствии со стандартом ASTM D6556;N2SA=nitrogen surface area: the total surface area of soot, which is calculated from nitrogen adsorption data using BET theory in accordance with ASTM D6556;

STSA=статистическая толщина поверхностной области: площадь внешней поверхности сажи, которая вычисляется из данных адсорбции азота с использованием теории де Бура и модели сажи в соответствии со стандартом ASTM D6556; иSTSA=Statistical Surface Area Thickness: The outer surface area of the soot which is calculated from nitrogen adsorption data using de Boer theory and the soot model according to ASTM D6556; And

OAN=Число абсорбции масла: количество кубических сантиметров дибутилфталата (DBP) или парафинового масла, поглощаемого 100 г сажи при указанных условиях. Значение OAN пропорционально до степени агрегирования структурного уровня сажи, определяемой в соответствии со стандартом ASTM D2414.OAN=Oil Absorption Number: The number of cubic centimeters of dibutyl phthalate (DBP) or paraffin oil absorbed by 100 g of carbon black under specified conditions. The OAN value is proportional to the degree of aggregation of the soot structural level, determined in accordance with ASTM D2414.

Для каждого из IAN, N2SA (или NSA), STSA и OAN - всех типичных параметров для характеризации сажевых материалов - пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки демонстрируют превосходные свойства по сравнению с традиционной сажей. Пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки предпочтительно характеризуются по меньшей мере одним, предпочтительно по меньшей мере двумя, и более предпочтительно всеми из (i), (ii) и (iii), поскольку они являются типичными способами характеризации свойств площади поверхности материалов. В одном варианте осуществления пористые, химически взаимосвязанные, содержащие углеродные нановолокна углеродные сетки демонстрируют по меньшей мере одно из свойств (i), (ii) и (iii), и дополнительно соответствуют свойству (iv). For each of IAN, N2SA (or NSA), STSA, and OAN—all typical parameters for characterizing carbon blacks—the porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks exhibit superior properties compared to traditional carbon blacks. Porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks are preferably characterized by at least one, preferably at least two, and more preferably all of (i), (ii) and (iii), as these are typical ways to characterize surface area properties of materials . In one embodiment, the porous, chemically interconnected, carbon nanofiber-containing carbon networks exhibit at least one of properties (i), (ii) and (iii), and additionally correspond to property (iv).

Пример: Свойства углеродных сеток в SBRExample: Properties of carbon meshes in SBR

Характеристики бутадиен-стирольного каучука, армированного углеродными сетками в соответствии с настоящим изобретением («углеродными сетками»), были сравнены с характеристиками каучуков, армированных известной маркой сажи, поставляемой компанией Cabot Corporation (N115). Использовались углеродные сетки, приготовленные аналогично производственному процессу примера 1 в патентном документе WO2018/002137, содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки. Эти сетки имели средний диаметр внутричастичных пор, измеренный с использованием ртутной порозиметрии (ASTM D4404-10), равный 20 нм. Коммерчески такие компаунды SBR используются в качестве армированных компонентов, в каркасе шины или в промышленных каучуках. Характеристики оценивались в соответствии со стандартом ASTM D3191, в котором описаны рецептура, обработка и методы испытаний для оценки и контроля производства сажи. Стандарты, используемые для измерения свойств эластомерных соединений, перечислены в Таблице 1.The performance of styrene butadiene rubber reinforced with carbon meshes in accordance with the present invention (“carbon meshes”) was compared with the performance of rubbers reinforced with a known brand of carbon black available from Cabot Corporation (N115). Carbon meshes were used that were prepared similar to the manufacturing process of Example 1 in patent document WO2018/002137, the contents of which are incorporated herein by reference. These meshes had an average intraparticle pore diameter measured using mercury porosimetry (ASTM D4404-10) of 20 nm. Commercially, such SBR compounds are used as reinforced components, in tire casings, or in industrial rubbers. Performance was evaluated in accordance with ASTM D3191, which describes formulation, processing, and test methods for evaluating and controlling carbon black production. The standards used to measure the properties of elastomeric compounds are listed in Table 1.

Компаунды были приготовлены путем смешивания Europrene 1502 в количестве 100 м.ч. на 100 м.ч. смолы, углеродной сетки или сажи в количестве 50 м.ч. на 100 м.ч. смолы, 3 м.ч. на 100 м.ч. смолы оксида цинка, 1 м.ч. на 100 м.ч. смолы стеариновой кислоты, 1,75 м.ч. серы на 100 м.ч. смолы, и 1 м.ч. TBBS на 100 м.ч. смолы. Основные ингредиенты смешивали поэтапно: в момент времени t=0 мин: добавить весь Europrene, в момент времени t=1 мин: добавить 50% углеродных сеток или сажи, оксида цинка и стеариновой кислоты, в момент времени t=2:30 мин: добавить остающиеся 50% углеродных сеток или сажи, в момент времени t=4 мин: подмести, и в момент времени t=5 мин вывалить. Скорость вращения ротора была постоянной и составляла 75 об/мин. Начальная температура была равна 50°C, а температура выгрузки составляла приблизительно 160°C. Коэффициент загрузки смесителя (типа Бенбери, 1,6 литра, производства компании Farrel Bridge) составлял 70%. Агенты вулканизации (сера и TBBS) дополнительно подмешивались в компаунд на двухвалковой мельнице (емкостью 1 л, Agila) при 50°C. Тестовые образцы вулканизировались при 160°C в прессах Fontijne Holland с электрическим подогревом и кондиционировались в течение 24 часов перед тестированием при 23°C.The compounds were prepared by mixing Europrene 1502 in an amount of 100 ppm. at 100 m.h. resin, carbon mesh or soot in an amount of 50 ppm. at 100 m.h. resin, 3 parts at 100 m.h. zinc oxide resin, 1 part. at 100 m.h. stearic acid resin, 1.75 parts. sulfur per 100 ppm resin, and 1 part. TBBS at 100 m.h. resin. The main ingredients were mixed in stages: at time t=0 min: add all Europrene, at time t=1 min: add 50% carbon mesh or carbon black, zinc oxide and stearic acid, at time t=2:30 min: add the remaining 50% of carbon mesh or soot, at time t=4 min: sweep, and at time t=5 min, dump. The rotor rotation speed was constant and amounted to 75 rpm. The initial temperature was 50°C and the discharge temperature was approximately 160°C. The load factor of the mixer (Banbury type, 1.6 liters, manufactured by Farrel Bridge) was 70%. The curing agents (sulfur and TBBS) were further mixed into the compound using a two-roll mill (1 L capacity, Agila) at 50°C. Test samples were cured at 160°C in electrically heated Fontijne Holland presses and conditioned for 24 hours before testing at 23°C.

Эти армированные эластомеры тестировались в соответствии со стандартами, показанными в Таблице 1. Результаты тестов показаны в Таблице 2. В Таблице 2 можно заметить, что углеродные сетки в соответствии с настоящим изобретением имеют высокий тангенс дельта при 0°C в сочетании с низким тангенсом дельта при 60°C, что означает улучшенное сопротивление качению [RRC] в комбинации со сцеплением шины с мокрым дорожным покрытием [WG] без ущерба для других ключевых характеристик, таких как сопротивление истиранию (измеряемое как потеря объема), прочность при растяжении и удлинение. Следовательно, углеродная сетка по настоящему изобретению позволяет производить продукты, такие как шины или конвейерные ленты, имеющие низкое сопротивление качению, что приводит к снижению затрат энергии без ущерба для других свойств. Углеродная сетка по настоящему изобретению позволяет производить шины или конвейерные ленты, которые являются более надежными, прочными и менее склонными к разрыву при удлинении.These reinforced elastomers were tested in accordance with the standards shown in Table 1. The test results are shown in Table 2. In Table 2 it can be noted that the carbon meshes in accordance with the present invention have a high tan delta at 0°C in combination with a low tan delta at 60°C, which means improved rolling resistance [RRC] combined with wet grip [WG] without compromising other key characteristics such as abrasion resistance (measured as volume loss), tensile strength and elongation. Therefore, the carbon mesh of the present invention allows the production of products such as tires or conveyor belts having low rolling resistance, resulting in reduced energy costs without compromising other properties. The carbon mesh of the present invention allows the production of tires or conveyor belts that are more reliable, stronger and less prone to breaking when elongated.

Таблица 1: стандарты, используемые для измерения свойств эластомерных соединений.Table 1: Standards used to measure the properties of elastomeric compounds.

СвойствоProperty СтандартStandard Тангенс дельта при 0°CTan delta at 0°C ISO4664-1:2011ISO4664-1:2011 Тангенс дельта при 60°CTan delta at 60°C ISO4664-1:2011ISO4664-1:2011 Потеря объемаLoss of volume ISO 4649:2010 способ AISO 4649:2010 method A Максимальная прочность при растяженииMaximum tensile strength ISO37:2011ISO37:2011 Удлинение при разрывеElongation at break ISO37:2011ISO37:2011 Повышение температуры Temperature increase ISO 4666-3:2016ISO 4666-3:2016 ПолзучестьCreep ISO 4666-3:2016ISO 4666-3:2016

Таблица 2: Свойства эластомерных соединенийTable 2: Properties of elastomeric compounds

СвойствоProperty Тангенс дельта при 0°C
(WG)
Tan delta at 0°C
(WG)
Тангенс дельта при 60°C
(RRC)
Tan delta at 60°C
(RRC)
Потеря объема
[мм3]
Volume loss
[mm 3 ]
Максимальная прочность при растяжении
[МПа]
Maximum tensile strength
[MPa]
Удлинение
при разрыве
[%]
Elongation
upon rupture
[%]
Повышение температуры (накопление тепла)
[°C]
Temperature rise (heat accumulation)
[°C]
Ползучесть
[%]
Creep
[%]
N115N115 0,18660.1866 0,14410.1441 108108 27,427.4 457457 33,733.7 3,33.3 Углеродные сеткиCarbon meshes 0,18520.1852 0,12720.1272 108108 28,928.9 503503 25,625.6 2,52.5

Также было найдено, что те же углеродные сетки снижают характеристики объемного удельного электрического сопротивления на 3 порядка при тех же уровнях твердости, что и N115:The same carbon meshes were also found to reduce bulk electrical resistivity performance by 3 orders of magnitude at the same hardness levels as N115:

Таблица 3: объемное удельное электрическое сопротивлениеTable 3: Volume resistivity

Количество [м.ч. на 100 м.ч. смолы] Quantity [m.h. at 100 m.h. resin] Твердость по Шору AShore A hardness Объемное удельное электрическое сопротивление [Ом.см]Volume resistivity [Ohm.cm] N115N115 5050 66 66 10+6 (1000000)10 +6 (1000000) Углеродные сеткиCarbon meshes 6060 6767 10+3 (1000)10 +3 (1000)

Пример: Свойства углеродных сеток в натуральном каучуке (NR)Example: Properties of carbon networks in natural rubber (NR)

Характеристики натурального каучука, армированного углеродными сетками в соответствии с настоящим изобретением («углеродными сетками»), были сравнены с характеристиками каучуков, армированных известной маркой сажи, поставляемой компанией Cabot Corporation (N115, N550). Использовались углеродные сетки, приготовленные аналогично производственному процессу примера 1 в патентном документе WO2018/002137, содержание которого включено в настоящий документ посредством ссылки. Эти сетки имели средний диаметр внутричастичных пор, измеренный с использованием ртутной порозиметрии (ASTM D4404-10), равный 20 нм. Коммерчески такие компаунды NR используются в качестве армированных компонентов, в протекторе шины или в промышленных каучуках. Характеристики оценивались в соответствии со стандартом ASTM D3192, в котором описаны рецептура, обработка и методы испытаний для оценки и контроля производства сажи. Стандарты, используемые для измерения свойств эластомерных соединений, перечислены в Таблице 1.The performance of natural rubber reinforced with carbon meshes in accordance with the present invention (“carbon mesh”) was compared with the performance of rubbers reinforced with a known brand of carbon black available from Cabot Corporation (N115, N550). Carbon meshes were used that were prepared similar to the manufacturing process of Example 1 in patent document WO2018/002137, the contents of which are incorporated herein by reference. These meshes had an average intraparticle pore diameter measured using mercury porosimetry (ASTM D4404-10) of 20 nm. Commercially, such NR compounds are used as reinforced components, in tire tread or in industrial rubbers. Performance was evaluated in accordance with ASTM D3192, which describes formulation, processing, and test methods for evaluating and controlling carbon black production. The standards used to measure the properties of elastomeric compounds are listed in Table 1.

Компаунды были приготовлены путем смешивания TSR-10 в количестве 100 м.ч. на 100 м.ч. смолы, углеродной сетки или сажи в количестве 50 м.ч. на 100 м.ч. смолы, 5 м.ч. на 100 м.ч. смолы оксида цинка, 3 м.ч. на 100 м.ч. смолы стеариновой кислоты, 2,5 м.ч. серы на 100 м.ч. смолы, и 0,6 м.ч. MBTS на 100 м.ч. смолы. Основные ингредиенты смешивали поэтапно: в момент времени t=0 мин: добавить весь NR, в момент времени t=1 мин: добавить 50% углеродных сеток или сажи, оксида цинка и стеариновой кислоты, в момент времени t=2:30 мин: добавить остающиеся 50% углеродных сеток или сажи, в момент времени t=4 мин: подмести, и в момент времени t=5 мин вывалить. Скорость вращения ротора была постоянной и составляла 75 об/мин. Начальная температура была равна 50°C, а температура выгрузки составляла приблизительно 160°C. Коэффициент загрузки смесителя (типа Бенбери, 1,6 литра, производства компании Farrel Bridge) составлял 70%. Агенты вулканизации (сера и MBTS) дополнительно подмешивались в компаунд на двухвалковой мельнице (емкостью 1 л, Agila) при 50°C. Тестовые образцы вулканизировались при 160°C в прессах Fontijne Holland с электрическим подогревом и кондиционировались в течение 24 часов перед тестированием при 23°C.The compounds were prepared by mixing TSR-10 in an amount of 100 ppm. at 100 m.h. resin, carbon mesh or soot in an amount of 50 ppm. at 100 m.h. resin, 5 parts at 100 m.h. zinc oxide resin, 3 parts. at 100 m.h. stearic acid resin, 2.5 parts. sulfur per 100 ppm resin, and 0.6 m.p. MBTS at 100 m.h. resin. The main ingredients were mixed in stages: at time t=0 min: add all NR, at time t=1 min: add 50% carbon mesh or carbon black, zinc oxide and stearic acid, at time t=2:30 min: add the remaining 50% of carbon mesh or soot, at time t=4 min: sweep, and at time t=5 min, dump. The rotor rotation speed was constant and amounted to 75 rpm. The initial temperature was 50°C and the discharge temperature was approximately 160°C. The load factor of the mixer (Banbury type, 1.6 liters, manufactured by Farrel Bridge) was 70%. The curing agents (sulfur and MBTS) were further mixed into the compound using a two-roll mill (1 L capacity, Agila) at 50°C. Test samples were cured at 160°C in electrically heated Fontijne Holland presses and conditioned for 24 hours before testing at 23°C.

Эти армированные эластомеры тестировались в соответствии со стандартами, показанными в Таблице 4. These reinforced elastomers were tested according to the standards shown in Table 4.

Результаты тестов показаны в Таблице 5. В Таблице 5 можно заметить, что углеродные сетки в соответствии с настоящим изобретением имеют более низкий тангенс дельта при 60°C в комбинации с улучшением прочности при растяжении, удлинения и прочности на разрыв. Следовательно, углеродная сетка по настоящему изобретению позволяет производить продукты, такие как шины или конвейерные ленты, имеющие низкое сопротивление качению, что приводит к снижению затрат энергии без ущерба для других свойств. Углеродная сетка по настоящему изобретению позволяет производить шины или конвейерные ленты, которые являются более надежными, прочными и менее склонными к разрыву при удлинении. Кроме того, характеристики были сравнены с N550 (сажа, Carbot Corporation), обычно используемой, например, в шлангах. Результаты таблицы 6 предполагают улучшенную гибкость и сопротивление истиранию.The test results are shown in Table 5. In Table 5, it can be noted that the carbon meshes in accordance with the present invention have a lower tan delta at 60°C in combination with improved tensile strength, elongation and tensile strength. Therefore, the carbon mesh of the present invention allows the production of products such as tires or conveyor belts having low rolling resistance, resulting in reduced energy costs without compromising other properties. The carbon mesh of the present invention allows the production of tires or conveyor belts that are more reliable, stronger and less prone to breaking when elongated. In addition, performance was compared with N550 (carbon black, Carbot Corporation), commonly used in hoses, for example. The results in Table 6 suggest improved flexibility and abrasion resistance.

Таблица 4: стандарты, используемые для измерения свойств эластомерных соединений.Table 4: Standards used to measure the properties of elastomeric compounds.

СвойствоProperty СтандартStandard Тангенс дельта при 60°CTan delta at 60°C ISO4664-1:2011ISO4664-1:2011 Потеря объемаVolume loss ISO 4649:2010 способ AISO 4649:2010 method A Максимальная прочность при растяженииMaximum tensile strength ISO37:2011ISO37:2011 Удлинение при разрывеElongation at break ISO37:2011ISO37:2011 Прочность на разрывTensile strength ISO 34-1:2015ISO 34-1:2015

Таблица 5. Разрыв, растяжимые свойства, гистерезис в NR (ASTM D3192) при том же самом сопротивлении истиранию.Table 5. Tensile properties, hysteresis in NR (ASTM D3192) at the same abrasion resistance.

Прочность при растяжении
[МПа]
Tensile strength
[MPa]
Удлинение
[%]
Elongation
[%]
Прочность на разрыв при 23C
[кН/м]
Tensile strength at 23C
[kN/m]
Сопротивление истиранию (потеря объема)
[мм3]
Abrasion resistance (volume loss)
[mm 3 ]
Tanδ при 60CTanδ at 60C
N115N115 28,228.2 592592 9494 153153 0,10750.1075 Углеродные сеткиCarbon meshes 29,029.0 616616 104104 155155 0,10570.1057

Таблица 6. Улучшение сопротивления истиранию и механических свойств для приложений шлангов.Table 6. Improvement of abrasion resistance and mechanical properties for hose applications.

Углеродные сеткиCarbon meshes N550N550 Прочность при растяжении (МПа)Tensile Strength(MPa) 27,727.7 25,725.7 Удлинение (%)Elongation (%) 522522 488488 Mod100 [МПа] *Mod100 [MPa] * 2,72.7 3,23.2 Mod300 [МПа] *Mod300 [MPa] * 13,613.6 14,914.9 MRI *MRI* 5,045.04 4,664.66 Сопротивление истиранию [мм3]Abrasion resistance [mm 3 ] 125125 148148 Вязкость по Муни [MU]Mooney Viscosity [MU] 5757 6262

* Mod100 - напряжение, требуемое для удлинения образца на 100%; Mod300 - напряжение, требуемое для удлинения образца на 300%; MRI=MOD300/MOD100. * Mod100 - voltage required to elongate the sample by 100%; Mod300 is the voltage required to elongate the sample by 300%; MRI=MOD300/MOD100.

Claims (13)

1. Применение пористой углеродной сетки, которая содержит химически взаимосвязанные углеродные нановолокна, для армирования эластомеров, в котором углеродная сетка имеет внутричастичную пористость, и в которой углеродные нановолокна являются взаимосвязанными с другими углеродными нановолокнами в сетке химическими связями на их пересечениях, причем поры в сетке имеют диаметр внутричастичных пор 5-150 нм при определении с помощью ртутной порозиметрии, причем по меньшей мере 20 мас.% углерода в углеродных сетках находится в кристаллической форме, а углеродные нановолокна имеют среднее отношение длины к толщине волокна по меньшей мере 2.1. The use of a porous carbon network, which contains chemically interconnected carbon nanofibers, for the reinforcement of elastomers, in which the carbon network has intraparticle porosity, and in which the carbon nanofibers are interconnected with other carbon nanofibers in the network by chemical bonds at their intersections, and the pores in the network have the diameter of the intraparticle pores is 5-150 nm as determined by mercury porosimetry, at least 20 wt.% of the carbon in the carbon networks is in crystalline form, and the carbon nanofibers have an average length to fiber thickness ratio of at least 2. 2. Применение по п. 1, в котором уровень включения углеродной сетки в армированный эластомер составляет 1-60 мас.% или 10-120 мас.ч. на 100 мас.ч. полимера.2. Application according to claim 1, in which the level of inclusion of the carbon mesh in the reinforced elastomer is 1-60 wt.% or 10-120 wt.h. per 100 parts by weight polymer. 3. Применение по п. 1 или 2, в котором средняя длина углеродных нановолокон составляет 30-10000 нм.3. Application according to claim 1 or 2, in which the average length of carbon nanofibers is 30-10000 nm. 4. Применение по любому из предшествующих пунктов, в котором армированный эластомер используют в шинах или резинотехнических изделиях.4. Use as claimed in any one of the preceding claims, wherein the reinforced elastomer is used in tires or rubber products. 5. Применение по любому из предшествующих пунктов для уменьшения накопления тепла в армированном эластомере.5. Use according to any of the preceding claims to reduce heat buildup in the reinforced elastomer. 6. Применение по любому из предшествующих пунктов для улучшения удельной электропроводности армированного эластомера.6. Use according to any of the preceding claims to improve the electrical conductivity of the reinforced elastomer. 7. Армированный эластомер для изготовления шин или резинотехнических изделий, содержащий 10-60 мас.% или 10-120 мас.ч. на 100 мас.ч. полимера пористой углеродной сетки, которая содержит химически взаимосвязанные углеродные нановолокна, в котором углеродная сетка имеет внутричастичную пористость, и в которой углеродные нановолокна являются взаимосвязанными с другими углеродными нановолокнами в сетке химическими связями на их пересечениях, причем поры в сетке имеют диаметр внутричастичных пор 5-150 нм при определении с помощью ртутной порозиметрии, причем по меньшей мере 20 мас.% углерода в углеродных сетках находится в кристаллической форме, а углеродные нановолокна имеют среднее отношение длины к толщине волокна по меньшей мере 2.7. Reinforced elastomer for the manufacture of tires or rubber products, containing 10-60 wt.% or 10-120 wt.h. per 100 parts by weight a polymer of a porous carbon network that contains chemically interconnected carbon nanofibers, in which the carbon network has intraparticle porosity, and in which the carbon nanofibers are interconnected with other carbon nanofibers in the network by chemical bonds at their intersections, and the pores in the network have an intraparticle pore diameter of 5-150 nm as determined by mercury porosimetry, wherein at least 20 wt.% of the carbon in the carbon networks is in crystalline form, and the carbon nanofibers have an average length to fiber thickness ratio of at least 2. 8. Применение по любому из пп. 1-6 или армированный эластомер по п. 7, где армированный эластомер соответствует по меньшей мере 4, более предпочтительно по меньшей мере 5, еще более предпочтительно по меньшей мере 6 и наиболее предпочтительно всем следующим характеристикам в соответствии с нижеприведенной таблицей:8. Application according to any one of paragraphs. 1-6 or the reinforced elastomer according to claim 7, wherein the reinforced elastomer meets at least 4, more preferably at least 5, even more preferably at least 6, and most preferably all of the following characteristics in accordance with the table below: сцепление шины с мокрым дорожным покрытием, тангенс дельта при 0 (°C)tire grip on wet road surfaces, tan delta at 0 (°C) ≥ 0,1250≥ 0.1250 сопротивление качению, тангенс дельта при 60 (°C)rolling resistance, tan delta at 60 (°C) ≤ 0,1350≤ 0.1350 сопротивление истиранию, потеря объема (мм3)abrasion resistance, volume loss (mm 3 ) < 115< 115 модуль 300%, прочность при максимальном растяжении (МПа)modulus 300%, maximum tensile strength (MPa) ≥ 22≥ 22 относительное удлинение при разрыве (%)elongation at break (%) ≥ 350≥ 350 повышение температуры (накопление тепла) (°C)temperature rise (heat accumulation) (°C) ≤ 30≤ 30 ползучесть (%)creep (%) ≤ 3≤ 3
9. Применение по любому из пп. 1-6 и 8 или армированный эластомер по любому из пп. 7, 8, в котором армированный эластомер соответствует по меньшей мере 4, более предпочтительно по меньшей мере 5, еще более предпочтительно по меньшей мере 6 и наиболее предпочтительно всем следующим характеристикам в соответствии с нижеприведенной таблицей:9. Application according to any one of paragraphs. 1-6 and 8 or a reinforced elastomer according to any one of paragraphs. 7, 8, wherein the reinforced elastomer meets at least 4, more preferably at least 5, even more preferably at least 6, and most preferably all of the following characteristics in accordance with the table below: сцепление шины с мокрым дорожным покрытием, тангенс дельта при 0 (°C)tire grip on wet road surfaces, tan delta at 0 (°C) ≥ 0,1500≥ 0.1500 сопротивление качению, тангенс дельта при 60 (°C)rolling resistance, tan delta at 60 (°C) ≤ 0,1300≤ 0.1300 сопротивление истиранию, потеря объема (мм3)abrasion resistance, volume loss (mm 3 ) < 115< 115 модуль 300%, прочность при максимальном растяжении (МПа)modulus 300%, maximum tensile strength (MPa) ≥ 24≥ 24 относительное удлинение при разрыве (%)elongation at break (%) ≥ 400≥ 400 Повышение температуры (накопление тепла) (°C)Temperature rise (heat accumulation) (°C) ≤ 29≤ 29 ползучесть (%)creep (%) ≤ 2,9≤ 2.9
10. Армированный эластомер по любому из пп. 7-9, в котором углеродная сетка получается с помощью способа для производства сеток из кристаллического углерода в реакторе 3, который содержит реакционную зону 3b и зону 3c завершения, путем впрыскивания микроэмульсии типа «вода в масле» или взаимно-непрерывной микроэмульсии c, содержащей наночастицы металлического катализатора, в реакционную зону 3b с температурой выше 600°C, предпочтительно выше 700°C, более предпочтительно выше 900°C, еще более предпочтительно выше 1000°C, более предпочтительно выше 1100°C, предпочтительно вплоть до 3000°C, более предпочтительно вплоть до 2500°C, наиболее предпочтительно вплоть до 2000°C, с получением сеток e из кристаллического углерода, перемещения этих сеток e в зону 3c завершения и гашения или остановки реакции формирования сеток из кристаллического углерода в зоне завершения путем распыления воды d.10. Reinforced elastomer according to any one of paragraphs. 7-9, in which the carbon mesh is obtained by a method for producing crystalline carbon meshes in a reactor 3, which contains a reaction zone 3b and a completion zone 3c, by injecting a water-in-oil microemulsion or a mutually continuous microemulsion c containing nanoparticles metal catalyst into reaction zone 3b at a temperature above 600°C, preferably above 700°C, more preferably above 900°C, even more preferably above 1000°C, more preferably above 1100°C, preferably up to 3000°C, more preferably up to 2500°C, most preferably up to 2000°C, producing crystalline carbon meshes e, moving these meshes e to the termination zone 3c, and quenching or stopping the crystalline carbon mesh forming reaction in the termination zone by spraying water d. 11. Готовое изделие, содержащее армированный эластомер по любому из пп. 7-10, которое является шиной или резинотехническим изделием, выбранным из уплотнений, прокладок, конвейерных лент, трубок, шлангов, резиновых накладок, прокладок опорной части мостов и антивибрационных креплений.11. Finished product containing a reinforced elastomer according to any one of paragraphs. 7-10, which is a tire or rubber product selected from seals, gaskets, conveyor belts, tubes, hoses, rubber pads, axle bearing gaskets and anti-vibration mounts.
RU2020142785A 2018-05-25 2019-05-27 Application of carbon nets containing carbon nanofibers RU2806214C2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18174407.9 2018-05-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2020142785A RU2020142785A (en) 2022-06-27
RU2806214C2 true RU2806214C2 (en) 2023-10-30

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2007138962A (en) * 2005-03-22 2009-04-27 Мицуи Энд Ко. Лтд. (Jp) COMPOSITE MATERIAL
RU2597311C2 (en) * 2013-11-13 2016-09-10 Дзе Гудйеар Тайр Энд Раббер Компани Pneumatic tyre with rubber component containing composite material from thermoplastic polymer and filler
US20170369660A1 (en) * 2015-02-19 2017-12-28 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Carbon nanotube-elastomer composite material, seal material and sealing material each produced using same, and method for producing carbon nanotube-elastomer composite material
WO2018002137A1 (en) * 2016-06-28 2018-01-04 Carbonx B.V. Production of crystalline carbon structure networks

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2007138962A (en) * 2005-03-22 2009-04-27 Мицуи Энд Ко. Лтд. (Jp) COMPOSITE MATERIAL
RU2597311C2 (en) * 2013-11-13 2016-09-10 Дзе Гудйеар Тайр Энд Раббер Компани Pneumatic tyre with rubber component containing composite material from thermoplastic polymer and filler
US20170369660A1 (en) * 2015-02-19 2017-12-28 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Carbon nanotube-elastomer composite material, seal material and sealing material each produced using same, and method for producing carbon nanotube-elastomer composite material
WO2018002137A1 (en) * 2016-06-28 2018-01-04 Carbonx B.V. Production of crystalline carbon structure networks

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3802681B1 (en) Use of carbon-nanofibres comprising carbon networks
Fan et al. The past, present and future of carbon black as a rubber reinforcing filler–A review
US11008436B2 (en) Carbon and elastomer integration
Boonstra Role of particulate fillers in elastomer reinforcement: a review
TW202146560A (en) Elastomer compositions with carbon nanostructure filler
WO2010041247A2 (en) Highly dispersible silica for rubbers and the process for obtaining it
CN111727123B (en) Rubber composition with depolymerized carbon nanotubes
RU2806214C2 (en) Application of carbon nets containing carbon nanofibers
US9868844B2 (en) Materials and methods for enhancing physical properties, dynamic properties and dispersion in carbon black and mixtures containing carbon black
JP2006199832A (en) Tire tread rubber composition
KR101918174B1 (en) Tire tread rubber composition using NSBR containing Nano Materials
US20230287187A1 (en) Use of carbon-nanofibers comprising carbon networks
KR102352782B1 (en) Rubber composite for tire tread and tire manufactured by using it
KR20090012148A (en) Rubber composite and tire using the same
KR20230064275A (en) Tread rubber composition for tires
JP5551406B2 (en) Rubber composition and pneumatic tire
KR20240042786A (en) Manufacture of the tire rubber compound and tires manufactured by using it
CN115975264A (en) Low-heat-generation moisture-resistant tire tread rubber composition and preparation method thereof
Spahr et al. Carbon Black as 14
KR20170038983A (en) Rubber composition for tire tread and tire manufactured using the same