生產(chǎn)碳黑的改進(jìn)工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種生產(chǎn)表面改性的碳黑的工藝。所述工藝包括以下步驟：以用量在碳黑的0.005％到1％范圍內(nèi)的硫化合物處理碳黑以實(shí)現(xiàn)表面基團(tuán)的原位形成，從而生產(chǎn)表面改性的碳黑，所述表面改性的碳黑當(dāng)與聚合物組合物組合時(shí)改變碳黑-聚合物相互作用以降低聚合物組合物的滯后性。還減少了包含表面改性的碳黑的聚合物組合物所需的固化時(shí)間。優(yōu)選的硫化合物為亞硫酸鹽或硫酸鹽。
【專利說明】生產(chǎn)碳黑的改進(jìn)工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種低滯后碳黑和獲得所述低滯后碳黑的改進(jìn)工藝。

【背景技術(shù)】
[0002]多種碳黑在本領(lǐng)域中是已知的。這些碳黑主要在性質(zhì)方面彼此不同并且通過不同程序制得。碳黑的使用取決于其性質(zhì)。因?yàn)樘己诒旧聿荒苡闷浠瘜W(xué)組成或用其成分來充分地表征，所以已廣泛接受用其所展現(xiàn)的性質(zhì)來表征碳黑。因此，碳黑可以例如用其表面積表征，表面積通常為一次粒度的相反量度。碳黑的另一個(gè)重要的特征為其結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)為個(gè)別的碳黑聚集體的復(fù)雜性或一個(gè)碳黑聚集體中“融合”在一起的一次顆粒的數(shù)目的量度。
[0003]碳黑的一個(gè)常見應(yīng)用為用作橡膠和其它聚合物中的性能增強(qiáng)填料。碳黑的強(qiáng)化作用取決于碳黑與聚合基質(zhì)之間的化學(xué)和物理相互作用。這種相互作用還決定著經(jīng)過填充的橡膠/聚合物的性能以及其在若干方面的應(yīng)用。已致力于使合并有碳黑的橡膠的性質(zhì)與碳黑的性質(zhì)相關(guān)聯(lián)。尚未發(fā)現(xiàn)，碳黑的任何單一的性質(zhì)若足夠高或足夠低，則會(huì)產(chǎn)生理想的橡膠組合物。在碳黑的某些性質(zhì)與橡膠的耐磨性有關(guān)的情況下，其它性質(zhì)與抗張強(qiáng)度或熱積累有關(guān)。
[0004]已發(fā)現(xiàn)碳黑/橡膠組合物的高耐磨性為這種組合物的一個(gè)所需性質(zhì)。另一個(gè)所需性質(zhì)為低熱積累或低滯后性。熱積累為在已釋放變形力之后有多少施加到由碳黑/橡膠化合物制成的產(chǎn)品中的彈性變形能以熱的形式保留在化合物中的量度。滯后性或熱積累是通過測量經(jīng)受變形的樣品的溫度來測量。當(dāng)用這種碳黑/橡膠組合物制造輪胎時(shí)，這個(gè)性質(zhì)極其關(guān)鍵。熱積累度越高，那么使用輪胎的車輛的能量損耗越大(因此，燃料效率越低)；而且，由這些橡膠制成的輪胎很可能很快毀壞。因此，非常需要通過提供低滯后碳黑來降低橡膠組合物的熱積累。過去已進(jìn)行了若干嘗試來提供生產(chǎn)低滯后碳黑的工藝。下文列舉這些工藝中的一些。
[0005]美國專利號(hào)4988493公開了一種用于生產(chǎn)碳黑的工藝和設(shè)備，這些碳黑當(dāng)在用于強(qiáng)化的橡膠化合物中、特別是在橡膠輪胎中使用時(shí)產(chǎn)生低滯后性和良好磨損性。這種工藝包括將線性、基本上無渦旋的燃燒氣體流供應(yīng)到反應(yīng)器中的原料油注入?yún)^(qū)中，將碳黑原料油的至少兩股獨(dú)立受控的液流供應(yīng)到原料油注入?yún)^(qū)中的燃燒氣體流的獨(dú)立區(qū)段中，其中獨(dú)立的碳黑形成反應(yīng)分別在燃燒氣體流的獨(dú)立區(qū)段中實(shí)現(xiàn)，并且此后立即將其中已實(shí)現(xiàn)這些獨(dú)立的碳黑形成反應(yīng)的燃燒氣體區(qū)段供應(yīng)到聚集體形成區(qū)中，由此生產(chǎn)碳黑產(chǎn)品，這種碳黑產(chǎn)品當(dāng)混配于橡膠組合物中時(shí)，向這些橡膠組合物提供改善的滯后性損失和耐磨損性質(zhì)。
[0006]美國專利號(hào)4327069公開了一種通過烴類在碳黑爐中的熱分解來生產(chǎn)負(fù)著色殘差的碳黑的工藝。這種工藝包括在作為高結(jié)構(gòu)區(qū)的第一碳黑形成區(qū)中產(chǎn)生第一碳黑形成混合物，使該第一碳黑形成混合物從第一碳黑形成區(qū)傳送至作為低結(jié)構(gòu)區(qū)的第二碳黑形成區(qū)以產(chǎn)生第二碳黑形成混合物，使第二碳黑形成混合物傳送至淬火區(qū)中，在該處第二碳黑形成混合物與淬火流體接觸以在低于碳黑形成溫度的溫度下產(chǎn)生含碳黑的煙霧，以及從該煙霧中分離負(fù)著色殘差的碳黑。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)的已知工藝需要復(fù)雜的過程控制來獲得具有低滯后性的碳黑。因此，需要一種生產(chǎn)碳黑的簡單工藝，其中碳黑的表面化學(xué)性質(zhì)適宜在制造過程期間改變以生產(chǎn)碳黑，這種碳黑當(dāng)與橡膠組合物組合時(shí)降低滯后性并且由此降低橡膠組合物中的熱積累，從而提供聞性能輪胎。
[0008]目的
[0009]因此，本公開的一個(gè)目的為提供一種用于制備表面改性的碳黑的簡單而經(jīng)濟(jì)的工藝，這種表面改性的碳黑當(dāng)作為強(qiáng)化劑與橡膠/聚合物組合物組合時(shí)有助于降低滯后性；表面改性的碳黑特別適用于制造高性能橡膠輪胎。
[0010]本公開的這些目的和其它優(yōu)勢(shì)將從以下描述中更顯而易見。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)本公開，提供一種生產(chǎn)表面改性的碳黑的工藝，其包括用含硫化合物處理碳黑以獲得表面改性的碳黑的步驟，這種表面改性的碳黑當(dāng)與聚合物組合物組合時(shí)改變碳黑-聚合物相互作用以使聚合物組合物的滯后性降低至少1%，優(yōu)選地降低約1%到20%。
[0012]典型地，含硫化合物是選自:硫酸鈉、硫化鈉、亞硫酸鈉、多硫化鈉、硫代硫酸鈉、亞苯基二硫醚、堿金屬硫酸鹽、堿金屬亞硫酸鹽、堿金屬硫化物、堿土金屬硫酸鹽、堿土金屬亞硫酸鹽、堿土金屬硫化物以及其混合物。
[0013]典型地，含硫化合物以碳黑的0.005%到1%范圍內(nèi)的量使用。
[0014]根據(jù)本公開，含硫化合物是在碳黑的制造期間或在碳黑的制造之后添加。
[0015]典型地，用含硫化合物處理碳黑的方法步驟是通過選自以下的技術(shù)來進(jìn)行:澆注、噴撒、注入、散布和擴(kuò)散。
[0016]根據(jù)本公開的實(shí)施方案之一，含硫化合物呈分散液的形式。
[0017]根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施方案，該工藝進(jìn)一步包括將含硫化合物與工藝用水混合以粒化碳黑的步驟。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]現(xiàn)在將借助于附圖來描述本發(fā)明，在附圖中:
[0019]圖1說明根據(jù)本公開，用未改性碳黑N234(A)與經(jīng)硫化鈉處理的改性碳黑N234(B)制備的橡膠化合物的固化曲線的比較；以及
[0020]圖2說明根據(jù)本公開，用未改性碳黑N234 (A)與經(jīng)硫化鈉處理的改性碳黑N234 (B)制備的橡膠化合物的tan δ曲線的比較。

【具體實(shí)施方式】
[0021]本公開設(shè)想了一種表面改性的碳黑，這種表面改性的碳黑當(dāng)與聚合物組合物組合時(shí)改變碳黑-聚合物相互作用以使聚合物組合物的滯后性降低至少1%。使碳黑成為聚合物中的適用添加劑/強(qiáng)化劑的性質(zhì)在碳黑制造期間于碳黑中形成。如粒度、形狀和聚集程度等性質(zhì)是通過在制造過程期間調(diào)節(jié)操作參數(shù)來控制。發(fā)現(xiàn)在制造過程中形成的碳黑的表面化學(xué)性質(zhì)影響著作為聚合物組合物中的強(qiáng)化劑的碳黑的性能。碳黑的表面化學(xué)性質(zhì)可以通過優(yōu)選地在碳黑的制造期間，將表面改性化合物引入到碳黑表面上來改變。改變碳黑的表面化學(xué)性質(zhì)的一個(gè)益處為當(dāng)將碳黑添加到聚合物組合物中時(shí)改變碳黑-聚合物相互作用，以降低聚合物-碳黑化合物的滯后性。根據(jù)本公開的工藝所獲得的碳黑特別適用于制造具有低滯后性的橡膠組合物以用于制造具有低熱積累的輪胎。
[0022]生產(chǎn)表面改性的碳黑的工藝包括以下步驟:以用量在碳黑的0.005%到1%范圍內(nèi)的含硫化合物處理碳黑以實(shí)現(xiàn)表面基團(tuán)的形成。由此獲得的表面改性的碳黑當(dāng)與聚合物組合物組合時(shí)改變碳黑-聚合物相互作用以使聚合物組合物的滯后性降低至少1%，優(yōu)選地降低約1%到20%。含硫化合物是選自:硫酸鈉、硫化鈉、亞硫酸鈉、多硫化鈉、硫代硫酸鈉、亞苯基二硫醚、堿金屬硫酸鹽、堿金屬亞硫酸鹽、堿金屬硫化物、堿土金屬硫酸鹽、堿土金屬亞硫酸鹽、堿土金屬硫化物以及其混合物。
[0023]根據(jù)本公開，碳黑是通過選自以下的技術(shù)用含硫化合物處理:澆注、噴撒、注入、散布和擴(kuò)散。
[0024]優(yōu)選地在爐反應(yīng)器中，在碳黑的制造期間通過從澆注、噴撒、注入、散布和擴(kuò)散中選出的方法將含硫化合物引入到碳黑中，從而產(chǎn)生表面改性的碳黑，其表面經(jīng)過處理以在以改性碳黑作為強(qiáng)化劑的聚合物組合物中提供滯后性降低的有益性質(zhì)。或者，可以通過例如噴到制造后的碳黑表面上的技術(shù)來添加含硫化合物。
[0025]根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，含硫化合物呈分散液的形式。典型地，該分散液是通過將含硫化合物與溶劑(優(yōu)選地為水)混合來制備，以便引入到碳黑表面上。含硫化合物可以與所提供的工藝用水混合以在制造過程期間?；己?。
[0026]含硫化合物當(dāng)以碳黑的0.005%到1%范圍內(nèi)的量添加時(shí)使得在碳黑上形成表面基團(tuán)，當(dāng)將該碳黑添加到聚合物組合物中時(shí)，這些表面基團(tuán)由于在碳黑顆粒與聚合物分子之間形成鍵而改變碳黑-聚合物相互作用，從而降低組合物的滯后性。較低滯后性本身以組合物的較低tan δ的形式表現(xiàn)。tan δ，響應(yīng)變形的粘性組分與彈性組分的比率，為組合物的滯后性的量度。較低tan δ指示具有較低滯后性的組合物。指示表面改性的碳黑的tan5降低的結(jié)果在圖2中說明。
[0027]現(xiàn)在將參考以下非限制性實(shí)施例來描述本公開，這些實(shí)施例并不限制本公開的范圍和界限。
[0028]實(shí)施例
[0029]實(shí)施例1:
[0030]將500g未?；奶己?N234級(jí))放在托盤中并且用2.5g Na2S于水(500mL)中的溶液均勻地噴撒，并使碳黑的所有表面都緩慢暴露于該溶液。經(jīng)2小時(shí)的時(shí)段翻轉(zhuǎn)碳黑數(shù)次，以促進(jìn)良好覆蓋。在烘箱中于還原氣氛下于800°C下加熱所得改性碳黑8小時(shí)，并且每2小時(shí)翻轉(zhuǎn)4-5次。使用干燥的改性碳黑制備橡膠化合物并且進(jìn)行測試(標(biāo)記:N234-1-LAB)。將這種化合物的性質(zhì)與使用未改性碳黑N234制備的橡膠化合物(標(biāo)記:N234-UNM0D)的性質(zhì)進(jìn)行比較。
[0031]制備橡膠化合物
[0032]下文中提供所測試的橡膠化合物的組成。
[0033]

【權(quán)利要求】
1.一種生產(chǎn)表面改性的碳黑的工藝，其包括用含硫化合物處理碳黑以獲得所述表面改性的碳黑的步驟，所述表面改性的碳黑當(dāng)與聚合物組合物組合時(shí)改變碳黑-聚合物相互作用以使所述聚合物組合物的滯后性降低至少I%。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述含硫化合物選自:硫酸鈉、硫化鈉、亞硫酸鈉、多硫化鈉、硫代硫酸鈉、亞苯基二硫醚、堿金屬硫酸鹽、堿金屬亞硫酸鹽、堿金屬硫化物、堿土金屬硫酸鹽、堿土金屬亞硫酸鹽、堿土金屬硫化物以及其混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述含硫化合物是以所述碳黑的0.005%到1%范圍內(nèi)的量使用。
4.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述聚合物組合物的所述滯后性的所述降低在1%到20%的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述含硫化合物是在所述碳黑的制造期間添加。
6.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述含硫化合物是在所述碳黑的制造之后添加。
7.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中用含硫化合物處理碳黑的所述方法步驟是通過選自以下的技術(shù)來進(jìn)行:燒注、噴撒、注入、散布和擴(kuò)散。
8.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述含硫化合物呈分散液的形式。
9.如權(quán)利要求1所述的工藝，其進(jìn)一步包括將所述含硫化合物與工藝用水混合以粒化所述碳黑的步驟。
【文檔編號(hào)】C01B31/12GK104136551SQ201280060806
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月24日
【發(fā)明者】R·朱安, G·蘭詹, N·S·庫瑪爾 申請(qǐng)人:埃迪亞貝拉努沃有限公司