[發(fā)明專利]具有寬聚集體尺寸分布和改進的分散性的炭質材料

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110006239.6
• 申請日: 2005-05-13
• 公開（公告）號: CN102161842A
• 公開（公告）日: 2011-08-24
• 發(fā)明（設計）人: 王衛(wèi)東;查爾斯·R·赫德;喬治·A·阿亞拉
• 申請（專利權）人: 哥倫比亞化學公司
• 主分類號: C09C1/48
• 分類號: C09C1/48;C09C3/10
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產(chǎn)權代理有限責任公司 11204
• 代理人: 王達佐;陰亮

對相關申請的參考

本申請要求2004年5月13日提交的第10/845,368號美國正式專利申請的權益，出于各種目的通過參考其整體而并入本文。

發(fā)明背景

炭黑是被制備的顆粒狀的元素碳，應用于日常的無數(shù)產(chǎn)品中。例如，它是輪胎和其它機械橡膠物品的基本成分，提高了它們的強度、耐久性和整體性能。它也在例如印刷油墨水、油漆及塑料中用作染料。

用于橡膠的炭黑典型地用四字符的“N”或“S”數(shù)字識別，例如，NXXX或SXXX。該類別(級別)根據(jù)ASTM?D1765確定。類別的第一個字符給出該炭黑對含有該炭黑的典型橡膠制劑的硫化速度的影響的某些指示。第二個字符給出該炭黑的平均表面積的信息。具有相同第二字符的炭黑列入以“00”結尾的系列，例如，N200系列。最后二個字符是任意賦值的。吸碘值(Iodine?no.)(ASTM?D1510，ISO?1304)是定義不同等級的表面積的主要指標。氮表面面積(NSA，ASTM?D6556)和統(tǒng)計厚度表面積(STSA，ASTM?D6556)現(xiàn)在更經(jīng)常地用于表面積。N-二丁基鄰苯二甲酸酯吸收(DBPA)(ASTM?D2414，ISO?4656/1)(現(xiàn)在的吸油值，OAN，ASTM?D2414)已經(jīng)成為區(qū)分不同級別炭黑的主要結構指標。

炭黑的物理特征(形態(tài)學)，例如粒度和結構，影響各種加工特性及諸如輪胎等成品的性能特征，如輪胎胎面磨損、滾動阻力、熱累積及抗撕裂性。因此，取決于輪胎的具體應用所需，不同級別的炭黑應用于不同的聚合物制劑。各種等級的炭黑也用于輪胎的各個部分，例如N100、N200及N300系列炭黑經(jīng)常用于胎面，而N300、N500、N600及N700系列黑經(jīng)常出現(xiàn)在側壁和胎體。

炭黑的形態(tài)學特征例如包括粒度/細度、表面積、聚集體尺寸/結構、聚集體尺寸分布及聚集體形狀。

粒度是測得的炭黑的初級顆粒的直徑。炭黑的這些大致球形的顆粒的平均直徑在納米范圍。粒度可以通過電子顯微鏡直接測量或者用間接的表面積測量來測量。平均粒度是決定炭黑的相對色強度和可分散性的重要因素。在同樣的結構時，較小的粒度賦予更濃的顏色，并增加了分散的難度。細度是對顆粒尺寸的測量。

炭黑的表面積是粒度和孔隙率的函數(shù)。表面積用氣液相吸附技術測定，并依賴于形成表面單分子層所需的吸附劑的量。氮表面面積(NSA，ASTM?D6556)和統(tǒng)計厚度表面積(STSA，ASTM?D6556)為比吸碘值(Iodine?no.，ASTM?D1510)更好的對真實表面積的度量，因為它們很少受到炭黑表面化學組成的影響。這些檢測使用液氮，并基于起初的Brunauer、Emmett及Teller方法(BET)，但用多點檢測以排除在微孔內(nèi)的吸附。在最終的應用中，表面積反映了每單位重量炭黑可接觸到橡膠分子的面積。雖然高表面積與高的強化水平相關聯(lián)，但是以擴散和加工更困難并增加滯后作用為代價的。

炭黑顆粒接合形成較大的簇、聚集體，這是炭黑的可分散單元。聚集體尺寸在反應器內(nèi)被控制。可以用電子顯微鏡或油吸附測量聚集體結構。具有相對大的聚集體的等級是高結構等級，它們體積較大，有更多的空隙空間，并且在給定的表面積上有高的油吸附。炭黑的結構由炭黑聚集體的形狀和尺寸決定。高結構炭黑增加橡膠合成物的粘度、模量和傳導性。高結構也減少了擠出物脹大(die?swell)、負載能力，并改善了可分散性。較低結構炭黑顯示較高的延伸率，并且增加的炭黑負載減小延伸率。如果炭黑的所有其它特征保持不變，窄的聚集體尺寸分布增加炭黑分散的難度，并降低彈性。