(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素相及びケイ素含有種相を含む凝集体及び前記凝集体と結合したカップリング剤を含む、カップリング剤前処理した凝集体。
【請求項２】
エラストマーに配合した場合に、カーボンブラックと比較して貧耐摩耗性、低温での同等又は高損失正接及び高温での低損失正接をエラストマーに付与する、請求項１のカップリング剤前処理した凝集体。
【請求項３】
前記ケイ素含有種相が、炭素相及びケイ素含有種相を含む前記凝集体の０．１重量％〜２５重量％のケイ素を含有する、請求項１又は２に記載のカップリング剤前処理した凝集体。
【請求項４】
前記ケイ素含有種相が、炭素相及びケイ素含有種相を含む前記凝集体の０．５重量％〜１０重量％のケイ素を含有する、請求項３のカップリング剤前処理した凝集体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のカップリング剤前処理した凝集体を含む補強剤。
【請求項６】
前記カップリング剤が、炭素相及びケイ素含有種相を含む前記凝集体の重量を基礎にして０．１５重量％〜２０重量％の量で存在する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のカップリング剤前処理した凝集体。
【請求項７】
前記カップリング剤がビス（３−トリエトキシシリルプロピル）テトラスルファン、３−チオシアナトプロピル−トリエトキシシラン、γ−メルカプトプロピル−トリメトキシシラン、ジルコニウムジネオアルカノラトジ（３−メルカプト）プロピオナト−Ｏ、Ｎ，Ｎ‘−ビス（２−メチル−２−ニトロプロピル）−１，６−ジアミノヘキサン又は前記のものの混合物を含む、請求項１〜４及び６のいずれか１項に記載のカップリング剤前処理した凝集体。
【請求項８】
前記カップリング剤がシランカップリング剤、ジルコネートカップリング剤、チタネートカップリング剤、ニトロカップリング剤又はその混合物を含む、請求項１〜４、６及び７のいずれか１項に記載のカップリング剤前処理した凝集体。
【請求項９】
炭素相及びケイ素含有種相を含む前記凝集体の一部が、それに結合した有機基を有する、請求項１〜４及び６〜８のいずれか１項に記載のカップリング剤前処理した凝集体。
【請求項１０】
請求項１のカップリング剤前処理した凝集体を含む製品。
【請求項１１】
ミキサーで、請求項１〜４及び６〜９のいずれか１項に記載のカップリング剤前処理した凝集体と、エラストマーを、十分な時間及び温度で素練り（masticating）してマスターバッチを形成し；
前記マスターバッチに混合操作を施し；
前記マスターバッチを冷却して硬化剤の添加を促進し；
前記マスターバッチ及び硬化剤、並びに任意に第２のカップリング剤を含む混合物を、十分な時間及び温度でミキサーで混練して前記エラストマーコンパウンドを生成する工程を含む、エラストマーコンパウンドの製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜４及び６〜９のいずれか１項に記載のカップリング剤前処理した凝集体をエラストマーに添加して、前記エラストマーコンパウンドを形成する工程を含む、エラストマーコンパウンドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、酸化されおよび／またはカップリング剤それと結合されたケイ素処理カーボンブラックに関する。さらに、本発明はカップリング剤前処理したケイ素処理カーボンブラック、並びにこのようなカーボンブラックを混和する組成物及び製品に関する。
発明の背景
カーボンブラックは、ゴム及びその他のエラストマーコンパウンドの配合及び調製における顔料、充填剤及び補強剤として広範に用いられる。カーボンブラックは特に、タイヤの製造に用いられるエラストマーコンパウンドの調製における補強剤として有用である。
カーボンブラックは一般に、粒状カーボンブラックを含有する燃焼生成物を生成するために燃焼ガスで炭化水素供給原料を熱分解することにより炉型反応器中で生成される。カーボンブラックは凝集体の形態で存在する。凝集体は、カーボンブラック粒子から構成される。しかしながら、カーボンブラック粒子は一般に、カーボンブラック凝集体と無関係に存在しない。カーボンブラックは一般に、粒子サイズ及び比表面積、凝集体サイズ、形状及び分布、並びに表面の化学的及び物理学的特性を含めるが、これらに限定されない、分析的特性を基礎にして特徴づけられる。カーボンブラックの特性は、当業界で公知の試験により分析的に確定される。例えば、窒素吸着表面積（ＡＳＴＭ試験法Ｄ３０３７−方法Ａにより測定）及びセチル−トリメチルアンモニウムブロミド吸着値（ＣＴＡＢ）（ＡＳＴＭ試験法Ｄ３７６５［０９．０１］により測定）は、比表面積の測定値である。圧潰（ＣＤＢＰ）（ＡＳＴＭ試験法Ｄ２４１４−８６により測定）及び非圧潰（ＤＢＰ）カーボンブラック（ＡＳＴＭ試験法Ｄ２４１４−９３により測定）のジブチルフタレート吸着は、集合体構造に関する。結合ゴム値は、カーボンブラックの表面活性に関する。既定のカーボンブラックの特性は製造条件に拠っており、例えば温度、圧力、供給原料、滞留時間、急冷温度、処理量及びその他のパラメーターを変えることにより改質され得る。
タイヤのトレッド及びその他の部分を構築する場合、カーボンブラック含有コンパウンドを用いるのが、タイヤの製造においては一般的に望ましい。例えば、適切なトレッドコンパウンドはエラストマーコンパウンドを用いて、異なる温度で高耐摩耗性及び良好なヒステリシス平衡を提供する。耐摩耗性はタイヤの寿命に比例するために、高耐摩耗性を有するタイヤが望ましい。カーボンブラックの物理学的特性は、トレッドコンパウンドの耐摩耗性及びヒステリシスに直接影響を及ぼす。一般に、大表面積及び小粒子サイズを有するカーボンブラックはトレッドコンパウンドに高耐摩耗性及び高ヒステリシスを付与する。カーボンブラック配合量も、エラストマーコンパウンドの耐摩耗性に作用する。耐摩耗性は、少なくとも最適点までは、配合量の増大に伴って増大し、それを超えると、耐摩耗性は実際に低減する。
エラストマーコンパウンドのヒステリシスは、周期的変形下で散逸されるエネルギーに関する。言い換えれば、エラストマー組成物のヒステリシスは、エラストマー組成物を変形するのに適用されるエネルギーとエラストマー組成物がその初期未変形状態に回復するときに放出されるエネルギーとの間の差に関する。ヒステリシスは、損失弾性率対貯蔵弾性率（即ち粘弾性率対弾性率）の比である損失正接  ｔａｎδを特徴とする。高温、例えば４０℃又はそれ以上で測定された低ヒステリシスを有するタイヤトレッドコンパウンドで作られたタイヤは、耐回転性の低減を示し、これがタイヤを使用する乗物による燃料消費の低減をもたらす。同時に、低温、例えば０℃で測定された高ヒステレシス値は、高湿潤牽引力及びスキッド耐性を有するタイヤを生じ、これが運転の安全性を増大する。したがって、高温で低ヒステリシスを、低温で高ヒステリシスを示すタイヤトレッドコンパウンドは、良好なヒステリシス平衡を有するといわれる。
良好なヒステリシス平衡を示すエラストマーを提供するのに有用であるが、しかし耐摩耗性が重要な因子でない多数のその他の用途がある。このような用途としては、タイヤ構成部材、例えばアンダートレッド、ウエッジコンパウンド、側壁、カーカス、先端、ビーズ充填剤及びワイヤスキム；エンジン取付台；並びに工業用駆動装置及び自動車ベルトが挙げられるが、これらに限定されない。
シリカも、エラストマーの補強剤（又は充填剤）として用いられる。しかしながら、シリカをエラストマーの補強剤として単独で用いた場合、補強剤としてカーボンブラックを単独で用いて得られる結果と比較して、性能が劣る。強充填剤−充填剤相互作用及び弱充填剤−エラストマー相互作用は、シリカの性能が不十分であることを説明するものであると理論づけられる。シリカ−エラストマー相互作用は、化学的カップリング剤、例えばＳｉ−６９としてDegussa AG（ドイツ）から市販されているビス（３−トリエトキシシリルプロピル）テトラスルファンを用いて２つを化学的に結合することにより改良される。Ｓｉ−６９のようなカップリング剤はエラストマーとシリカとの間に化学的結合を生じ、それによりシリカをエラストマーに結合させる。
シリカがエラストマーに化学的に結合されると、その結果生じるエラストマー組成物のある性能特徴が増強される。乗物タイヤに混和されると、このようなエラストマーコンパウンドは改良されたヒステリシス平衡を提供する。しかしながら、一次補強剤としてシリカを含有するエラストマーコンパウンドは、低熱伝導率、高抵抗率、高密度及び低加工性を示す。
エラストマー組成物中に補強剤としてカーボンブラック単独を用いた場合、それはエラストマーとは化学的に結合しないが、カーボンブラック表面はエラストマーと相互作用するための多数の部位を提供する。カーボンブラックと一緒にカップリング剤を用いるとエラストマー組成物に何らかの改良が提供されるが、しかしその改良はシリカとともにカップリング剤を用いた場合に得られるものとは比較できない。
カーボンブラックを組成物又は製品中に混和する前に、カーボンブラック、ケイ素含有コンパウンド及びカップリング剤が存在する新規の処理カーボンブラック組成物を提供することが本発明の目的である。
カップリング剤前処理したケイ素処理カーボンブラックを混和する、ヒステリシス平衡の改良を示すエラストマーコンパウンドを提供することが、本発明のさらなる目的である。このようなカーボンブラックは、例えば、タイヤコンパウンド、工業用ゴム製品及びその他のゴム商品に用い得る。種々の製品用途に有用な種々のエラストマーを用いたカップリング剤前処理したケイ素処理カーボンブラック／エラストマー配合物を提供することが、本発明のさらに別の目的である。本発明のその他の目的は、以下の説明及び請求の範囲から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の処理カーボンブラックを生成するために用いられるある型のカーボンブラック反応器の一部の略図である。
図２は、あるエラストマー組成物に関して実施した結合ゴム試験の結果を示すグラフである。
図３ａ、３ｂ及び３ｃは、あるエラストマー組成物に関して異なる温度及び歪度で測定したヒステリシス値を示すグラフである。
図４ａ〜４ｄは、本発明に有用なカーボンブラックを従来技術のカーボンブラックと比較した写真である。
発明の要約
本発明は、カップリング剤前処理したケイ素処理カーボンブラックに向けられる。「カップリング剤前処理（pre-coupled）」という用語は、カーボンブラックが組成物又は製品中に混和される時に、カップリング剤がすでにカーボンブラックと会合しているという事実を示す。これは、例えばカップリング剤がケイ素処理カーボンブラックと実質的には同時に組成物又は製品中に混和される情況とは区別されるべきである。
本発明はさらに、エラストマー及びカップリング剤前処理ケイ素処理カーボンブラックを含むエラストマーコンパウンドに向けられる。種々のエラストマー及びこのようなエラストマーを用いる処方物が意図され、開示される。カップリング剤前処理ケイ素処理カーボンブラックは、未処理カーボンブラックと比較して、エラストマーに貧耐摩耗性、高温での低ヒステリシス及び低温での同等又は高ヒステリシスを付与する。本発明のカップリング剤前処理ケイ素処理カーボンブラックを混和するエラストマーコンパウンドは分散改良、低粘性、高い耐熱性および／または電気抵抗率、耐摩耗性改良、および／またはヒステリシス改良を示すことがさらに予測される。エラストマー及び酸化ケイ素処理カーボンブラックを混入するエラストマーコンパウンドも開示される。さらに、カップリング剤前処理ケイ素処理カーボンブラックを伴うエラストマーコンパウンドの製造方法及びこのようなコンパウンドから製造される製品が開示される。
発明の詳細な説明
本発明者らは、カップリング剤を結合させたケイ素処理カーボンブラックとエラストマーを配合することによって、所望のヒステリシスおよび他の性質を有するエラストマー配合物を得ることができるということを発見した。ケイ素処理カーボンブラックにおいて、ケイ素の酸化物および炭化物を包含するが、これらに限定されない、ケイ素含有種を、カーボンブラックの固有部分としてカーボンブラック凝集物の少なくとも一部分を通して分布させることができる。
エラストマーおよびカップリング剤前処理したケイ素処理カーボンブラックを含むエラストマー配合物において、このカーボンブラックは、未処理カーボンブラックに比較して、より低い耐摩耗耐性、低温における匹敵するか、あるいはより高い損失正接、および高温におけるより低い損失正接をエラストマーに付与する。
ケイ素処理カーボンブラック凝集体は、離散カーボンブラック凝集体と離散シリカ凝集体との混合物を表さない。むしろ、本発明のケイ素処理カーボンブラック凝集体は、カーボンブラック凝集体の表面または内部において少なくとも１つのケイ素含有領域を含む。
ケイ素処理カーボンブラック凝集体を記載する別の方法は、炭素の相と、ケイ素含有種の相とを含んでなる凝集体である。したがって、凝集体は少なくとも２つの相を含有し、それらの一方は炭素であり、そしてそれらの他方はケイ素含有種である。凝集体の一部分であるケイ素含有種は、シリカのカップリング剤のようにカーボンブラック凝集体に結合せず、実際には炭素相と同一の凝集物の一部分である。本発明において、凝集体またはケイ素処理カーボンブラックをカップリング剤と前カップリングした後、前カップリングしたケイ素処理カーボンブラックをエラストマーまたは他の配合物の中に導入する（例えば、それと配合する）。ケイ素処理カーボンブラックの製造の詳細は、下記の特許および出願明細書においてさらに説明されている：米国特許出願第０８／４４６，１４１号、１９９５年５月２２日出願）；米国特許出願第０８／４４６，１４２号、１９９５年５月２２日出願）；米国特許出願第０８／５２８，８９５号、１９９５年９月１５日出願）；および米国特許出願第０８／７５０，０１７号、１９９６年１１月２２日出願、これはＰＣＴ  Ｎｏ．ＷＯ９６／３７５４７号、１９９６年５月２１日出願、のナショナル・フェイズ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｐｈａｓｅ）出願である。これらの特許および出願のすべてはそれらの全体において引用することによって本明細書の一部とされる。
ケイ素処理カーボンブラックと前処理するカップリング剤の量は、エラストマー配合物において伝統的に使用される任意の量である。好ましくは、約０．１５重量％〜約２０重量％のカップリング剤を使用し、ここで重量％はケイ素処理カーボンブラックの量に基づく。
ケイ素処理カーボンブラックをＳＴＥＭ−ＥＤＸ下に検査するとき、ケイ素含有種に対応するケイ素の信号が個々のカーボンブラック凝集体の中に存在することが見出される。例えば、シリカとカーボンブラックとの混合物において、比較することによって、ＳＴＥＭ−ＥＤＸ検査は明確に分離したシリカおよびカーボンブラック凝集体を明らかにする。
揮発性ケイ素含有化合物の存在においてカーボンブラックを製造することによって、ケイ素処理カーボンブラックを得ることができる。このようなカーボンブラックは、第１図に描写するようなモジュールまたは「段階」ファーネスカーボンブラック反応器において製造することが好ましい。ファーネスカーボンブラック反応器は、先細直径のゾーン２を有する燃焼ゾーン１；制限された直径を有するフィードストック注入ゾーン３；および反応ゾーン４を有する。
前述の反応器を使用してカーボンブラックを製造するために、燃焼ゾーン１において液体または気体の燃料を適当な酸化体、例えば、空気、酸素、または空気と酸素との混合物の流れと接触させることによって、熱燃焼ガスを発生させる。燃焼ゾーン１における酸化体の流れとの接触において使用するために適当な燃料の例は、易燃焼性の気体、蒸気または液体、例えば、天然ガス、水素、メタン、アセチレン、アルコール、またはケロシンの流れである。しかしながら、一般に、高い含量の炭素含有成分を有する燃料、特に炭化水素を使用することが好ましい。空気／燃料の比は、利用する燃料の型とともに変化する。天然ガスを使用して本発明のカーボンブラックを製造するとき、空気／燃料の比は約１０：１〜約１０００：１であることができる。熱燃焼ガスの発生を促進するために、酸化体の流れを予熱することができる。
熱燃焼ガス流はゾーン１および２から下流方向にゾーン３および４の中に流れる。熱燃焼ガスの流れの方向は、第１図において矢印により示されている。カーボンブラックのフィードストック６は、点７においてフィードストック注入ゾーン３の中に導入される。気体の流れの中の油の分布を最適化するように設計されたノズルを通して、フィードストックを気体の流れの中に注入する。このようなノズルは単一または２流体型であることができる。２流体型ノズルは水蒸気または空気を使用して、燃料を噴霧化する。単一流体型ノズルはフィードストックを加圧噴霧化することができるか、あるいはフィードストックを気体の流れの中に直接注入することができる。後者の場合において、噴霧化は気体の流れの力により起こる。
任意の液体または気体の炭化水素の熱分解または部分的燃焼により、カーボンブラックを製造することができる。好ましいカーボンブラックのフィードストックは、石油精製源、例えば、接触分解操作からのデカント油、ならびにコークス化操作およびオレフィン製造操作からの副生物を包含する。
カーボンブラックを生ずるフィードストックと熱燃焼ガスとの混合物は、下流方向にゾーン３および４を通して流れる。反応器の反応ゾーン部分において、フィードストックは熱分解されてカーボンブラックになる。この反応は反応器の急冷ゾーンにおいて停止される。急冷手段８は反応ゾーンの下流に位置し、急冷流体、一般に水を新しく形成したカーボンブラック粒子の流れの中にスプレーする。急冷はカーボンブラック粒子を冷却し、ガス流の温度を低下させ、反応速度を減少させる。Ｑは反応ゾーン４の開始から急冷点８までの距離であり、急冷の位置に従い変化するであろう。必要に応じて、急冷は段階的であるか、あるいは反応器の中のいくつかの点において実施することができる。
カーボンブラックを急冷した後、冷却されたガスおよびカーボンブラックは下流方向に慣用の冷却および分離手段の中に入り、ここでカーボンブラックは回収される。ガス流からのカーボンブラックの分離は、慣用手段、例えば、沈澱、サイクロンセパレーター、バッグフィルターまたはこの分野において知られている他の手段により容易に達成される。カーボンブラックがガス流から分離された後、カーボンブラックを必要に応じてペレット化工程に付す。
揮発性ケイ素含有化合物をカーボンブラック反応器の中に急冷ゾーンの上流点において導入することによって、本発明のケイ素処理カーボンブラックを製造することができる。有用な揮発性化合物は、カーボンブラック反応器の温度において揮発性である、任意の化合物を包含する。このような化合物の例は下記のものを包含するが、これらに限定されない：ケイ酸塩、例えば、テトラエトキシオルトシリケート（ＴＥＯＳ）およびテトラメトキシオルトシリケート、シラン、例えば、テトラクロロシラン、およびトリクロロメチルシラン；および揮発性シリコーンポリマー、例えば、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＴＳ）。揮発性化合物の流速は、処理されたカーボンブラック中のケイ素の重量％を決定するであろう。処理されたカーボンブラック中のケイ素の重量％は、約０．１％〜約２５％、好ましくは約０．５％〜約１０％、より好ましくは約２％〜約６％である。ケイ素含有化合物をカーボンブラック反応器の中に注入すると、生成物の構造部材（例えば、ＣＤＢＰ）の増加を生ずることが見出された。これはカーボンブラックの多数の用途において望ましい。
揮発性化合物をカーボンブラック形成フィードストックとプレミックスし、フィードストックとともに反応ゾーンの中に導入することができる。また、揮発性化合物をフィードストック注入点から離れた点において反応ゾーンに導入することができる。揮発性化合物が急冷ゾーンから上流に導入されるかぎり、このような導入はフィードストック注入点より上流または下流であることができる。例えば、第１図を参照すると、揮発性化合物はゾーンＱに点１２において、あるいはそのゾーンにおける任意の他の点において導入可能である。化合物は、揮発し、反応ゾーン中の高温に暴露されると、分解し、反応ゾーン中の他の種と反応し、ケイ素処理カーボンブラックを生じ、こうして、ケイ素、またはケイ素含有種はカーボンブラックの固有部分となる。ケイ素含有種の１例はシリカである。揮発性化合物の外に、必ずしも揮発性ではない分解性化合物を使用して、ケイ素処理カーボンブラックを生成させることもできる。
下記においてさらに詳細に論ずるように、揮発性化合物をフィードストックと実質的に同時に導入する場合、ケイ素処理領域はカーボンブラック凝集体の少なくとも一部分を通して分布される。
また、カーボンブラックの形成が開始された後であるが、反応流が急冷される前の点において、揮発性化合物を反応ゾーンの中に導入する。この態様において、ケイ素含有種が主としてカーボンブラック凝集体の表面またはその付近に存在する、ケイ素処理カーボンブラック凝集体が得られる。
ケイ素処理カーボンブラックは好都合に１またはそれ以上のカップリング剤と追加的に配合して、エラストマー配合物の性質をさらに増強できることが見出された。カップリング剤は、本明細書において使用するとき、カーボンブラックまたはシリカのような充填剤をエラストマーにカップリングさせることができる化合物を包含するが、これらに限定されない。シリカまたはカーボンブラックをエラストマーにカップリングするために有用なカップリング剤は、ケイ素処理カーボンブラックとともに有用であることが期待される。有用なカップリング剤は、下記のものを包含するが、これらに限定されない：シランのカップリング剤、例えば、ビス（３−トリエトキシシリルプロピル）テトラスルファン（Ｓｉ−６９）、３−チオシアナトプロピル−１−トリエトキシシラン（Ｓｉ−２６４、Ｄｅｇｕｓｓａ  ＡＧ、ドイツ国）、ｇ−メルカプトプロピル−トリエトキシシラン（Ａ１８９、Ｕｎｉｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｃｏｒｐ．、コネチカット州ダンブリー）；ジルコネートカップリング剤、例えば、ジルコニウムジネオアルカノラトジ（３−メルカプト）プロピオナト−Ｏ（ＮＺ６６Ａ、Ｋｅｎｒｉｃｈ  Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｓ，Ｉｎｃ．、ニュージャージイ州バヨンネ）；チタネートカップリング剤；ニトロカップリング剤、例えば、Ｎ，Ｎ’−ビス（２−メチル−２−ニトロプロピル）−１，６−ジアミノヘキサン（Ｓｕｍｉｆｉｎｅ  １１６２、Ｓｕｍｉｔｏｍｏ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．、日本国）；および前述の任意のカップリング剤の混合物。カップリング剤は、適当な担体との混合物、例えば、デグッサ社（Ｄｅｇｕｓｓａ  ＡＧ）から入手可能であるＳ−６９およびＮ３３０カーボンブラックの混合物であるＸ５０−Ｓとして提供することができる。
本発明によれば、カップリング剤を、混合前に、充填剤表面に結合させる。この結合は種々の方法によることができる。１つの方法において、ケイ素処理カーボンブラックを溶媒、例えば、トルエンの中にカップリング剤、例えば、ビス（３−トリエトキシシリルプロピル）テトラスルファン（Ｓｉ  ６９、Ｄｅｇｕｓｓａ  ＡＧ、ドイツ国）と一緒に分散させてスラリーを形成する。次いで、このスラリーを７０℃より高い温度に加熱し、その温度に反応が完結するために十分な時間の間保持する。次いで、ここで前カップリングされた、ケイ素処理カーボンブラックを、例えば、濾過または遠心により、分離し、洗浄し、そして乾燥する。
他の方法において、慣用のカーボンブラックのペレット化装置の中に注入されるペレット化水と、水溶性カップリング剤をプレミックスする。このカーボンブラックは好ましくは７０℃より高い温度である。カップリング剤はペレット化装置においてカーボンブラックと反応する。
他の方法において、ケイ素処理カーボンブラックを回転ドラムの中に貯蔵する。カップリング剤をカーボンブラック上に低温（好ましくは７０℃より低い）においてスプレーする。次いでドラムを高温、好ましくは７０〜１６０℃に加熱し、その間ドラムを回転し、前変性されたケイ素処理カーボンブラックを生成する。これは不活性雰囲気または空気中で実施することができる。
本発明のエラストマー配合物の中に混入されたカップリング前処理されたケイ素処理カーボンブラックを酸化することもできる。適当な酸化剤は硝酸およびオゾンを包含するが、これらに限定されない。
本発明のケイ素処理カーボンブラックは結合した有機基を有することができる。
カーボンブラックに有機基を結合する１つの方法は、ジアゾニウム塩を還元するために十分な外部適用電流の非存在において、少なくとも１種のジアゾニウム塩をカーボンブラックと反応させることを包含する。すなわち、ジアゾニウム塩を還元するために十分な外部電子源を使用しないで、ジアゾニウム塩とカーボンブラックとの間の反応は進行する。本発明の方法において、異なるジアゾニウム塩の混合物を使用することができる。この方法は、種々の反応条件下に、任意の型の反応媒質中で実施することができ、ここで反応媒質はプロトン性および非プロトン性の双方の溶媒系またはスラリーを包含する。
他の方法において、少なくとも１つのジアゾニウム塩をカーボンブラックとプロトン性反応媒質中で反応させる。本発明の方法において、異なるジアゾニウム塩の混合物を使用することができる。この方法は、また、種々の反応条件下に実施することができる。
好ましくは、双方の方法において、ジアゾニウム塩をその場で形成させる。必要に応じて、双方の方法において、この分野において知られている手段により、カーボンブラック生成物を単離し、乾燥することができる。さらに、生ずるカーボンブラック生成物を既知の技術により処理して、不純物を除去することができる。これらの方法の種々の好ましい態様を後述する。
これらの方法は広範な種類の条件下に実施することができ、一般に、特定の条件により制限されない。反応条件は、特定のジアゾニウム塩がカーボンブラックと反応できるために十分に安定であるのような条件でなくてはならない。したがって、ジアゾニウム塩が短時間生きている反応条件下に、これらの方法を実施することができる。ジアゾニウム塩とカーボンブラックとの間の反応は、例えば、広い範囲のｐＨおよび温度にわたって起こる。これらの方法は、酸性、中性、および塩基性のｐＨにおいて実施することができる。好ましくは、ｐＨは１〜９の範囲である。反応温度は好ましくは０℃〜１００℃の範囲である。
ジアゾニウム塩は、この分野において知られているように、例えば、第一級アミンと亜硝酸の水溶液との反応により、形成させることができる。ジアゾニウム塩およびそれらの製造方法は、下記の文献に記載されている：ＭｏｒｒｉｓｏｎおよびＢｏｙｄ、Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、第５版、ｐｐ．９７３−９８３（ＡｌｌｙｎおよびＢａｃｏｎ，Ｉｎｃ．、１９８７）およびＭａｒｃｈ、Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ：Ｒｅａｃｔｉｏｎ，Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ，ａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，第４版、（Ｗｉｌｅｙ、１９９２）。本発明によれば、ジアゾニウム塩は１またはそれ以上のジアゾニウム基を有する有機化合物である。
ジアゾニウム塩をカーボンブラックとの反応の前に調製するか、あるいは、より好ましくは、この分野において知られている技術によりその場で発生させることができる。その場の発生は、また、アルキルジアゾニウム塩のような不安定なジアゾニウム塩の使用を可能とし、そしてジアゾニウム塩の不必要な取扱いを回避する。特に好ましい方法において、亜硝酸およびジアゾニウム塩の双方をその場で発生させる。
ジアゾニウム塩は、この分野において知られているように、例えば、第一級アミン、亜硝酸塩および酸を反応させることによって形成することができる。亜硝酸塩は任意の金属の亜硝酸塩、好ましくは亜硝酸リチウム、亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム、または亜硝酸亜鉛、または有機亜硝酸塩、例えば、亜硝酸イソアミルまたは亜硝酸エチルであることができる。酸はジアゾニウム塩の発生において有効である、任意の酸、無機酸または有機酸であることができる。好ましい酸は、硝酸、ＨＮＯ3、塩酸、ＨＣｌ、および硫酸、Ｈ2ＳＯ4を包含する。
ジアゾニウム塩は、また、第一級アミンを二酸化窒素の水溶液と反応させることによって発生させることができる。二酸化窒素の水溶液、ＮＯ2／Ｈ2Ｏは、ジアゾニウム塩を発生させるために必要な亜硝酸を提供する。
過剰のＨＣｌの存在下のジアゾニウム塩の発生は他の別法よりも好ましくないことがある。なぜなら、ＨＣｌはステンレス鋼に対して腐蝕性であるからである。ＮＯ2／Ｈ2Ｏを使用するジアゾニウム塩の発生は、ステンレス鋼および反応器に普通に使用されている他の金属に対する腐蝕性が低いという追加の利点を有する。Ｈ2ＳＯ4／ＮａＮＯ2またはＨＮＯ3／ＮａＮＯ2を使用する発生は、また、比較的非腐蝕性である。
一般に、第一級アミン、亜硝酸塩および酸からのジアゾニウム塩の発生は、使用するアミンの量に基づいて２当量の酸を必要とする。その場の方法において、１当量の酸を使用してジアゾニウム塩を発生させることができる。第一級アミンが強酸基を含有するとき、別の酸の添加は不必要であることがある。第一級アミンの１またはそれ以上の酸基は、酸の要求される当量の一方または双方を供給することができる。第一級アミンが強酸基を含有するとき、好ましくは追加の酸を添加しないか、あるいは１当量までの追加の酸を本発明の方法に添加して、その場でジアゾニウム塩を発生させる。わずかに過剰の追加の酸を使用することができる。このような第一級アミンの１例は、パラ−アミノベンゼンスルホン酸（スルファニル酸）である。
一般に、ジアゾニウム塩は熱不安定性である。ジアゾニウム塩は典型的には低温、例えば、０〜５℃において溶液中で調製し、ジアゾニウム塩を単離しないで使用される。あるジアゾニウム塩の溶液を加熱して、窒素を発生させ、対応するアルコールを酸性媒質中で形成するか、あるいは有機のフリーラジカルを塩基性媒質中で形成することができる。
しかしながら、ジアゾニウム塩はカーボンブラックとの反応を可能とするために十分に安定であることだけが必要である。したがって、これらの方法は、そうでなければ不安定でありかつ分解に暴露されると考えられる、いくつかのジアゾニウム塩を使用して実施することができる。多少の分解プロセスはカーボンブラックとジアゾニウム塩との間の反応と競合し、そしてカーボンブラックに結合する有機基の合計数を減少させることがある。さらに、この反応は、多数のジアゾニウム塩が分解しやすい、高温において実施することができる。高温は、また、好都合には反応媒質中のジアゾニウム塩の溶解度を増加し、プロセスの間のジアゾニウム塩の取扱いを改良することがある。しかしながら、高温は、他の分解のプロセスのために、多少のジアゾニウム塩の損失させることがある。
反応媒質、例えば、水、中のカーボンブラックの分散液に、試薬を添加してその場でジアゾニウム塩を形成することができる。したがって、使用すべきカーボンブラックの懸濁液はジアゾニウム塩を発生させるための１またはそれ以上の試薬を既に含有することができ、そしてプロセスは残りの試薬の添加により完結させることができる。
ジアゾニウム塩を形成する反応は、有機化合物上に普通に見出される広範な種類の官能基と適合性である。したがって、カーボンブラックとの反応のためのジアゾニウム塩の利用可能性のみが、本発明の方法を制限する。
これらの方法は、ジアゾニウム塩とカーボンブラックとの間の反応を進行させることができる、任意の反応媒質中で実施することができる。好ましくは、反応媒質は溶媒をベースとする系である。溶媒はプロトン性溶媒、非プロトン性溶媒、およびそれらの混合物であることができる。プロトン性溶媒は、水またはメタノールのような溶媒であり、酸素または窒素に結合した水素を含有し、こうして水素結合を形成するために十分に酸性である。非プロトン性溶媒は、上に定義した酸性水素を含有しない溶媒である。非プロトン性溶媒は、例えば、ヘキサン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アクリロニトリル、およびベンゾニトリルのような溶媒を包含する。プロトン性溶媒および非プロトン性溶媒についての説明については、下記の文献を参照のこと：ＭｏｒｒｉｓｏｎおよびＢｏｙｄ、Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、第５版、ｐｐ．２２８−２３１（ＡｌｌｙｎおよびＢａｃｏｎ，Ｉｎｃ．、１９８７）。
これらの方法は、プロトン性溶媒中で、すなわち、プロトン性溶媒単独、あるいは少なくとも１種のプロトン性溶媒を含有する溶媒の混合物中で、実施することが好ましい。好ましいプロトン性媒質は下記のものを包含するが、これらに限定されない：水、水および他の溶媒を含有する水性媒質、アルコール、およびアルコールを含有する任意の媒質、またはこのような媒質の混合物。
ジアゾニウム塩とカーボンブラックとの間の反応は、任意の型のカーボンブラック、例えば、毛羽状またはペレット化された形態のカーボンブラックを使用して実施することができる。製造コストを減少するように設計された１つの態様において、カーボンブラックのペレットを形成する間に、この反応を実施する。例えば、乾式ドラム中でジアゾニウム塩の溶液またはスラリーをカーボンブラック上にスプレーすることによって、本発明のカーボンブラック生成物を製造することができる。また、ジアゾニウム塩またはジアゾニウム塩をその場で発生させる試薬を含有する溶媒系、例えば、水の存在下に、カーボンブラックをペレット化することによって、カーボンブラック生成物を製造することができる。水性溶媒系は好ましい。したがって、他の態様は下記の工程からなるペレット化カーボンブラックを形成するを提供する：カーボンブラックおよびジアゾニウム塩の水性スラリーまたは溶液をペレット化装置の中に導入し、ジアゾニウム塩をカーボンブラックと反応させて有機基をカーボンブラックに結合させ、そして生ずる結合した有機基を有するカーボンブラックをペレット化する。次いで、ペレット化されたカーボンブラック生成物を慣用技術により乾燥することができる。
一般に、これらのプロセスは塩のような無機副産物を生成する。以下で論述するような一部の最終用途においては、これらの副産物が望ましくない場合がある。望まれない無機副産物又は塩を含まないカーボンブラック製品を生成するために考えられるいくつかの方法は、以下のようなものである。
第１に、当該技術分野において既知の手段を用いて望ましくない無機副産物を除去することによって、ジアゾニウム塩を使用前に精製することができる。第２に、ジアゾ化剤として有機亜硝酸塩を用いて、ジアゾニウム塩を生成することができ、この場合、無機塩ではなく対応するアルコールが生成される。第３に、ジアゾニウム塩が、水性ＮＯ2及び酸性基を有するアミンから生成される場合、いかなる無機塩も形成されない。当業者であれば、その他の方法もわかっていよう。
無機副産物に加えて、プロセスが有機副産物を生成する可能性もある。これらは、例えば有機溶剤での抽出によって除去することができる。当業者には、望ましくない有機副産物を含まない生成物を得るその他の方法も知られており、それには、逆浸透によるイオン除去や洗浄が含まれている。
ジアゾニウム塩とカーボンブラックの間の反応は、カーボンブラックに付着させられた有機基をもつカーボンブラック製品を形成する。ジアゾニウム塩はカーボンブラックに付着させられるべき有機塩を含有している可能性がある。当業者にとって既知のその他の手段により本発明のカーボンブラック製品を生成することも可能であるかもしれない。
有機基は、脂肪族基、環式有機基又は脂肪族部分及び環式部分をもつ有機化合物であってよい。上述の通り、プロセス中で利用されるジアゾニウム塩は、これらの基のうちの１つを有しかつたとえ過渡的にであれジアゾニウム塩を形成することのできる第１級アミンから誘導することができる。有機基は、置換又は未置換、有枝又は枝無しのいずれであってもよい。脂肪族基には、例えば、アルカン、アルケン、アルコール、エーテル、アルデヒド、ケトン、カルボン酸及び炭水化物から誘導された基が含まれる。環式有機基には、脂環式炭化水素基（例えばシクロアルキル、シクロアルケニル）、複素環式炭化水素基（例えば、ピロリジニル、ピロリニル、ピロペリジニル、モノフォリニルなど）、アリル基（例えば、フェニル、ナフチル、アントラセニルなど）及びヘテロアリル基（イミダゾリル、ピラゾリル、ピリジニル、チエニル、チアゾリル、フリル、インドリルなど）が含まれるが、これらに限られるわけではない。置換有機基の立体障害が増大するにつれて、ジアゾニウム塩とカーゾンブラックの間の反応からのカーボンブラックに付着した有機基の数は減少する可能性がある。
有機基が置換されるとき、これはジアゾニウム塩の形成と相容性のあるあらゆる官能基を含有することができる。好ましい官能基としては、Ｒ，ＯＲ，ＣＯＲ，ＣＯＯＲ，ＯＣＯＲ；ＣＯＯＬｉ，ＣＯＯＮａ，ＣＯＯＫ，ＣＯＯ-ＮＲ4+といったカルボン酸塩；ハロゲン、ＣＮ，ＮＲ2，ＳＯ3Ｈ；ＳＯ3Ｌｉ，ＳＯ3Ｎａ，ＳＯ3Ｋ，ＳＯ3-ＮＲ4-，ＯＳＯ3Ｈ，ＯＳＯ3-塩といったようなスルフォン酸塩；ＮＲ（ＣＯＲ），ＣＯＮＲ2，ＮＯ2，ＰＯ3Ｈ2；ＰＯ3ＨＮａ及びＰＯ3Ｎａ2といったようなホスホン酸塩、Ｎ＝ＮＲ，ＮＲ3+Ｘ，ＰＲ3+Ｘ，ＳKＲ，ＳＯＯ3Ｈ，ＳＳＯ3塩、ＳＯ2ＮＲＲ’，ＳＯ2ＳＲ，ＳＮＲＲ’，ＳＮＱ，ＳＯ1ＮＱ，ＣＯ2-ＮＱ，Ｓ−（１，４−ピペラジンジイル）−ＳＲ-，２−（１，３−ジチアニル）２−（１，３−ジチオラニル），ＳＯＲ，及びＳＯ1Ｒがあるがこれらに限られるわけではない。同じものであっても異なるものであってもよいＲ及びＲ’は、独立して、水素、有枝又は枝無しのＣ1−Ｃ20，置換又は未置換の、飽和又は不飽和の炭化水素例えば、アルキル、アルケニル、アルキニル、置換又は未置換のアリル、置換又は未置換のヘテロアリル、置換又は未置換のアルキルアリル又は置換又は未置換のアリルアルキルである。整数ｋは、１〜８，好ましくは２〜４の範囲内にある。陰イオンＸ-はハロゲン化物又は無機又は有機酸から誘導された陰イオンである。Ｑは，（ＣＨ2）w，（ＣＨ2）x Ｏ（ＣＨ2）x，（ＣＨ2）x ＮＲ（ＣＨ2）x又は（ＣＨ2）x Ｓ（ＣＨ2）2であり、ここでｗは２〜６の整数であり、ｘ及びｚは１〜６の整数である。
好ましい有機塩は、ＡyＡｒＮＨ2という式の第一級アミンに対応するＡyＡＦという式の芳香族基である。この式中、変数は以下のような意味をもつ：すなわちＡｒはアリル又はヘテロアリル基といったような芳香族ラジカルである。好ましくは、Ａｒはフェニル、ナフチル、アントラセニル、フェナントレニル、ビフェニル、ピリジニル、ベンゾチアジアゾリル及びベンゾチアゾリルから成るグループの中から選択される；Ａは、上述の好ましい官能基から独立して選択された芳香族ラジカル上の置換基であるか、或いは又Ａは、これらの官能基のうちの単数又は複数のものと置換されたか又は未置換の線状、有枝又は環式の炭化水素ラジカル（好ましくは１〜２０個の炭素原子を含有する）であり；ｙは１から芳香族ラジカル内の−ＣＨラジカルの合計数に至るまでの１つの整数である。例えば、ｙはＡｒがフェニルである場合、１〜５までの整数であり、Ａｒがナフチニルであるとき１〜７，Ａｒがアントラセニル、フェナントレニル又はビフェニルである場合１〜９，又はＡｒがピリジニルであるとき１〜４の整数である。上述の式中、Ｒ及びＲ’の特定の例としては、ＮＨ3−Ｃ6Ｈ4−，ＣＨ2ＣＨ2−Ｃ6Ｈ4−ＮＨ2，ＣＨ2−Ｃ6Ｈ4−ＮＨ2及びＣ6Ｈ5がある。
カーボンブラックに付着させることのできる有機基のもう１つの好ましいセットとしては、官能基としてのイオン又はイオン化可能な基で置換された有機基がある。イオン化可能な基は、使用媒質中でイオン基を形成する能力をもつ基である。イオン基は、陰イオン基であっても陽イオン基であってもよく、イオン化可能な基は陰イオン又は陽イオンを形成しうる。
陰イオンを形成するイオン化可能な官能基としては、例えば、酸性基又は酸性基の塩が含まれる。従って、有機基には、有機酸から誘導された基が含まれる。好ましくは、陰イオンを形成するイオン化可能な基を含有する場合、このような有機基は、ａ）芳香族基及びｂ）１１未満のｐＫａをもつ少なくとも１つの酸性基、又は１１未満のｐＫａをもつ酸性基の少なくとも１つの塩、又は１１未満のｐＫａをもつ少なくとも１つの酸性基と１１未満のｐＫａをもつ酸性基の少なくとも１つの塩の混合物を有する。酸性基のｐＫａというのは、単に酸性置換基ではなく有機基全体としてのｐＫａのことである。より好ましくは、ｐＫａは１０未満であり、さらに好ましくは９未満である。好ましくは、有機基の芳香族基は、カーボンブラックに直接付着されている。芳香族基は、さらに、例えばアリル基で置換されているか又は未置換であってよい。より好ましくは、有機塩はフェニル又はナフチル基であり、酸性基はスルフォン酸基、スルフィン酸基、リン酸基又はカルボン酸基である。これらの酸性基及びその塩の例については上述されている。最も好ましくは、有機基は、置換された又は未置換のスルフォフェニル基又はその塩；置換された又は未置換の（ポリスルフォ）フェニル基又はその塩；置換された又は未置換のスルフォナフチル基又はその塩；又は置換された又は未置換の（ポリスルフォ）ナフチル基又はその塩である。好ましい置換されたフルフォフェニル基は、ヒドロキシスルフォフェニル基又はその塩である。
陰イオン（及びその対応する第１級アミン）を形成するイオン化可能な官能基をもつ特定の有機基は、Ｐ−スルフォフェニル（ｐ−スルファニル酸）、４−ヒドロキシ−３−スルフォフェニル（２−ヒドロキシ−５−アミノ−ベンゼンスルフォン酸）及び２−スルフォエチル（２−アミノエタンスルフォン酸）である。陰イオンを形成するイオン化可能な官能基をもつその他の有機基も同じく使用可能である。
アミンは、陽イオン基を形成するイオン化可能な官能基の一例である。例えば、アミンは、酸性媒質内でアンモニウム基を形成するべく陽子付加されうる。好ましくは、アミン置換基をもつ有機基は、５未満のｐＫｂを有する。第４アンモニウム基（−ＮＲ3+）及び第４ホスホニウム基（−ＰＲ3+）も同様に、陽イオン基の一例である。好ましくは、有機基は、フェニル又はナフチル基といった芳香族基、及び第４アンモニウム又は第４ホスホニウム基を含有する。芳香族基は好ましくは、カーボンブラックに直接付着される。４級化された環式アミン、さらには４級化された芳香族アミンでさえ、有機基として使用可能である。かくして、この点に関してＮ−メチル−ピリジルといったようなＮ−置換されたピリジウム化合物を使用することが可能である。有機基の例としては、（Ｃ6Ｈ4Ｎ）Ｃ2Ｈ5-，Ｃ6Ｈ4（ＮＣ5Ｈ5）+，Ｃ6Ｈ4ＣＯＣＨ2Ｎ（ＣＨ3）3+，Ｃ6Ｈ4ＣＯＣＨ2（ＮＣ5Ｈ5）+，（Ｃ6Ｈ4Ｎ）ＣＨ3-及びＣ6Ｈ4ＣＨ2Ｎ（ＣＨ3）3+が含まれるが、これらに制限されるわけではない。
イオン又はイオン化可能基と置換された付着した有機基をもつカーボンブラック製品の利点は、このカーボンブラック製品が、対応する未処理のカーボンブラックと比べて増大した水和性をもちうるという点にある。カーボンブラック製品の水和性は、イオン化可能な基をもつカーボンブラックに付着した有機基の数又は、一定の与えられた有機基に付着したイオン化可能な基の数と共に増大する。かくして、カーボンブラック製品と結びつけられたイオン化可能な基の数を増大させると、その水和性が増加されるはずであり、望ましいレベルに合わせた水和性の制御が可能となる。カーボンブラックに付着した有機基としてアミンを含有するカーボンブラック製品の水和性は、水性媒質を酸性化することによって増加させることが可能であるということが指摘できる。
カーボンブラック製品の水和性は、或る程度電荷の安定性によって左右されることから、水性媒質のイオン強度が０．１モル未満であることが好ましい。より好ましくは、イオン強度は０．０１モル未満である。
このような水和性のあるカーボンブラック製品が好ましい場合、イオン又はイオン化可能基が反応媒質内でイオン化されることが好まれる。結果として得られる製品の溶液又はスラリーは、そのままで又は使用前に希釈して使用することができる。代替的には、カーボンブラック製品は、従来のカーボンブラックのために使用された技術により乾燥されうる。これらの技術としては、オーブン及びロータリキルン内での乾燥が含まれる。しかしながら過剰乾燥は、水和度の損失をひきおこす可能性がある。
その水和性に加えて、イオン又はイオン化可能基で置換された有機基をもつカーボンブラック製品は、ジメチルスルフォキシド（ＤＭＳＯ）及びホルムアミドといった極性有機溶媒の中でも分散可能である。メタノール又はエタノールといったようなアルコールの中では、クラウンエーテルといった錯体化剤の使用が、酸性基の金属塩を含有する有機基をもつカーボンブラック製品の分散性を増大させる。
芳香族スルフィドが、好ましい有機基のもう１つのグループを包括する。
芳香族スルフィド基を有するカーボンブラック製品は、ゴム組成物の中で特に有用である。これらの芳香族スルフィドは、Ａｒ（ＣＨ2）qＳK（ＣＨ2）rＡr'又はＡｒ（ＣＨ2）qＳkＣＨ2）rＡr"という式で表わすことができ、ここで式中Ａｒ及びＡr'は独立して、置換された又は未置換のアリーレン又はヘテロアリーレン基であり、Ａr"はアリール又はヘテロアリール基、ｋは１〜８，ｑは０〜４である。置換されたアリル基には、置換されたアルキルアリール基が含まれることになる。好ましいアリーレン基には、フェニレン基、特にＰ−フェニレン基又はベンゾチアゾリーレン基が含まれる。好ましいアリール基には、フェニル、ナフチル及びベンゾチアゾリルが含まれる。ｋにより定義づけされる存在する硫黄の数は、好ましくは２〜４の範囲内にある。好ましいカーボンブラック製品は、−（Ｃ6Ｈ4）−Ｓk−（Ｃ6Ｈ4）−という式の付着した芳香族スルフィド有機基をもつものであり、ここでｋは１〜８の整数であり、好ましくはｋは２〜４の範囲内にある。特に好ましい芳香族スルフィド基は、ビス−パラ−（Ｃ6Ｈ4）−Ｓ2−（Ｃ6Ｈ4）−及びパラ−（Ｃ6Ｈ4）−Ｓ2−（Ｃ6Ｈ5）である。これらの芳香族スルフィド基のジアゾニウム塩は、その対応する第一級アミン、Ｈ2Ｎ−Ａｒ−ＳK−Ａr'−ＮＨ2又はＨ2Ｎ−Ａr−ＳK−Ａr"から適切に調整可能である。好ましい基としては、ジチオジ−４，１−フェニレン、テトラチオジ−４，１−フェニレン、フェニルジチオフェニレン、ジチオジ−４，１−（３−クロロフェニレン），（４−Ｃ6Ｈ4）−Ｓ−Ｓ−（２−Ｃ7Ｈ3ＮＳ）、−（４−Ｃ6Ｈ4）−Ｓ−Ｓ−（４−Ｃ6Ｈ4）−ＯＨ，−６（２−Ｃ7Ｈ3ＮＳ）−ＳＨ，−（４−Ｃ6Ｈ4）−ＣＨ2ＣＨ2−Ｓ−Ｓ−ＣＨ2ＣＨ2−（４−Ｃ6Ｈ4）−，−（４−Ｃ6Ｈ4）−ＣＨ2ＣＨ2−Ｓ−Ｓ−Ｓ−ＣＨ2−ＣＨ2（４−Ｃ6Ｈ4）−，−（２−Ｃ6Ｈ4）−Ｓ−Ｓ−（２−Ｃ6Ｈ4）−，−（３−Ｃ6Ｈ4）−Ｓ−Ｓ（３−Ｃ6Ｈ4）−，−６−（Ｃ6Ｈ3Ｎ2Ｓ），−６−（２−Ｃ7Ｈ3ＮＳ）−Ｓ−ＮＲＲ3（ここで，ＲＲ’は、−ＣＨ2ＣＨ2ＯＣＨ2ＣＨ2−），−（４−Ｃ6Ｈ4）−Ｓ−Ｓ−Ｓ−Ｓ−（４−Ｃ6Ｈ4）−，−（４−Ｃ6Ｈ4）−ＣＨ＝ＣＨ2，−（４−Ｃ6Ｈ4）−Ｓ−ＳＯ3Ｈ，−（４−Ｃ6Ｈ4）−ＳＯ2ＮＨ−（４−Ｃ6Ｈ4）−Ｓ−Ｓ−（４−Ｃ6Ｈ4）−ＮＨＳＯ2−（４−Ｃ6Ｈ4）−，−６−（２−Ｃ7Ｈ3ＮＳ）−Ｓ−Ｓ−２−（６−Ｃ7Ｈ3ＮＳ）−，−（４−Ｃ6Ｈ4）−Ｓ−ＣＨ2−（４−Ｃ6Ｈ4）−，−（４−Ｃ6Ｈ4）−ＳＯ2−Ｓ−（４−Ｃ6Ｈ4）−，−（４−Ｃ6Ｈ4）−ＣＨ2−Ｓ−ＣＨ2−（４−Ｃ6Ｈ4）−，−（３−Ｃ6Ｈ4）−ＣＨ2−Ｓ−ＣＨ2−（３−Ｃ6Ｈ4）−，−（４−Ｃ6Ｈ4）−ＣＨ2−Ｓ−Ｓ−ＣＨ2−（４−Ｃ6Ｈ4）−，−（３−Ｃ6Ｈ4）−ＣＨ2−Ｓ−Ｓ−ＣＨ2−（３−Ｃ6Ｈ4）−，−（４−Ｃ6Ｈ4）−Ｓ−ＮＲＲ’（ここで、ＲＲ’は、−ＣＨ2ＣＨ2ＯＣＨ2ＣＨ2−），−（４−Ｃ6Ｈ4）−ＳＯ2ＮＨ−ＣＨ2ＣＨ2−Ｓ−Ｓ−ＣＨ2ＣＨ2−ＮＨＳＯ2−（４−Ｃ6Ｈ4），−（４−Ｃ6Ｈ4）−２−（１，３−ジチアニル；），及び−（４−Ｃ6Ｈ4）−Ｓ−（１，４−ピペリジンジイル）−Ｓ−（４−Ｃ6Ｈ4）が含まれる。
カーボンブラックに付着されうる有機基のもう１つの好ましいセットは、（Ｃ6Ｈ4）−ＮＨ2,（Ｃ6Ｈ4）−ＣＨ2−（Ｃ6Ｈ4）−ＮＨ2,（Ｃ6Ｈ4）−ＳＯ2−（Ｃ6Ｈ4）−ＮＨ2といったアミノフェニルを有する有機基である。好ましい有機基としては同様に、Ａr−Ｓn−Ａr'又はＡr−Ｓa−Ａr"という式で表わされる芳香族スルフィドも含まれ、ここで式中、Ａr及びＡr'は独立してアリーレン基であり、Ａr"はアリールであり、ｎは７〜８である。このような有機基をカーボンブラックに付着させる方法は、米国特許第５，５５４，７３９及び５，５５９，１６９号；及び米国特許出願第０８／３５６，６６０号及び０８／５７２，５２５号；及びＰＣＴ公開特許出願第ＷＯ９６／１８６８８及びＷＯ９６／１８６９６号において記述されており、これらの文書の開示は本書にその全体が参考として内含されている。
前述の通り、予めカップリング処理されたケイ素処理済みカーボンブラックは、それに付着された少なくとも１つの有機基を有するように改質することもできる。代替的には、ケイ素処理されたカーボンブラック及び少なくとも１つの付着した有機基をもつ改質カーボンブラックの混合物も、少なくとも１つのカーボンブラックが予備カップリング処理されていることを条件として使用可能である。
さらに、シリカと、予備カップリング処理されたケイ素処理済みカーボンブラックの混合物を使用することも、本出願の範囲内に入る。同様に、以下のもののうちの単数又は複数のものといった、予備カップリング処理されたケイ素処理済みカーボンブラックと付加的成分のあらゆる組合せが使用可能である。
ａ）任意にはシランカップリング剤で処理された、付着した有機基を伴うケイ素処理済みカーボンブラック；
ｂ）付着した有機基を有する改質カーボンブラック；
ｃ）シリカ；
ｄ）例えば付着した有機基又は付着したカップリング基を有する改質シリカ；及び／又は
ｅ）カーボンブラック；
ｆ）少なくとも部分的にシリカでコーティングされたカーボンブラック。
シリカの一例としては、シリカ、沈降シリカ、非晶質シリカ、ガラス質シリカ、ヒュームドシリカ、溶融シリカ（例えばアルミ／ケイ酸塩）及びその他のＳｉ含有充てん材、例えば、粘土、タルク、珪灰石などが含まれるが、これらに制限されるわけではない。シリカは、Cabot CorporationからCab-O-Sil▲Ｒ▼という商品名で；ＰＰＧ  IndustriesからHi-Sil及びCeptaneという商品名で；Rhone-PoulencからZeosilという商品名で；そしてDegussa AGからUltrasil及びCoupsilという商品名で市販されている。
本発明のエラストマ化合物は、カーボンブラックを配合するのに有用なものを含むあらゆるエラストマと配合することによって、予備カップリング処理された処理済みカーボンブラックから調製可能である。
適切ないかなるエラストマでも、予備カップリング処理された処理済みカーボンブラックと配合させて、本発明のエラストマ化合物を得ることができる。かかるエラストマとしては、ゴム、１，３−ブタジエン、スチレン、イソプレン、イソブチレン、２，３−ジメチル−１，３−ブタジエン、アクリロニトリル、エチレン及びプロピレンの単独重合体又は共重合体が含まれるが、これらに制限されるわけではない。好ましくは、エラストマは、示差走査式比色計（ＤＳＣ）で測定して約１２０°〜約０℃の範囲のガラス転移温度（Ｔｇ）を有する。例としては、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、天然ゴム、ポリブタジエン、ポリイソプレン及びその油展誘導体が含まれるが、これらに制限されるわけではない。以上のもののいずれかの配合物も同じく使用可能である。
本発明と共に使用するのに適したゴムとしては、天然ゴム及び塩化ゴムといったその誘導体がある。本発明の予備カップリング処理されたケイ素処理済みカーボンブラック製品は同様に、約１０〜約７０重量パーセントのスチレン及び約９０〜約３０重量パーセントのブタジエンの共重合体、例えば１９部分のスチレンと８１部のブタジエンの共重合体、３０部のスチレンと７０部のブタジエンの共重合体、４３部のスチレンと５７部のブタジエンの共重合体及び５０部のスチレンと５０部のブタジエンの共重合体；ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレンなどの共役ジエンの重合体及び共重合体、及びこのような共役ジエンと、スチレン、メチルスチレン、クロロスチレン、アクリロニトリル、２−ビニル−ピリジン、５−メチル２−ビニルピリジン、５−エチル−２−ビニルピリジン、２−メチル−５−ビニルピリジン、アルキル置換されたアクリレート、ビニルケトン、メチルイソプロペニルケトン、メチルビニルエーテル、アルファメチレンカルボン酸及びそれらのエステル及びアミド例えばアクリル酸及びジアルキルアクリル酸アミドといったそれと共重合できるエチレン基含有単量体との共重合体、といった合成ゴムと共に使用することもできる。ここでの使用のために同様に適しているのは、エチレン共重合体及びその他のアルファオレフィン、例えばプロピレン、ブテン−１，及びペンチン−１である。
従って本発明のゴム組成物は、エラストマ、硬化剤、補強充てん剤、カップリング剤及び任意にはさまざまな加工助剤、エキステンダ油及び劣化防止剤を含むことができる。上述の例に加えて、エラストマは、１，３ブタジエン、スチレン、イソプレン、イソブチレン、２，３−ジメチル−１，３ブタジエン、アクリロニトリル、エチレン、プロピレンなどから製造された重合体（単独重合体、共重合体及び三元共重合体）であり得るが、これらに制限されるわけではない。これらのエラストマは、ＤＳＣで測定したとき−１２０℃から０℃の間のガラス転移点（Ｔｇ）を有することが好ましい。このようなエラストマの例としては、ポリ（ブタジエン）、ポリ（スチレン−コ−ブタジエン）及びポリ（イソプレン）が含まれる。
エラストマ組成物には、加硫組成物（ＶＲ），熱可塑性加硫ゴム（ＴＰＶ），熱可塑性エラストマ（ＴＰＥ）及び熱可塑性ポリオレフィン（ＴＰＯ）も含まれる。ＴＰＶ，ＴＰＥ及びＴＰＯ材料はさらに、性能特性を喪失することなく数回にわたり押出し加工及び成形加工できるその能力別に分類される。
エラストマ組成物を製造するにあたっては、例えば、エラストマ組成物の加硫を実施するのに用いられる硫黄、硫黄供与体、活性剤、促進剤、過酸化物その他の系といった単数又は複数の硬化剤を使用することができる。
エラストマを用いた本発明の予備カップリング処理されたケイ素処理済みカーボンブラックの処方は、かかるエラストマが従来のカーボンブラックを用いて処方された場合に実現されない利点を有すると考えられている。以下の表１Ａに記されているのは、工業用ゴムの利用分野にとって特に有用であるいくつかのエラストマ；及び１００部分のエラストマあたりのカーボンブラックの部分（ＰＨＲ）として表わされた本発明の予備カップリング処理されたケイ素処理済みカーボンブラックでの好ましい添加量比；従来のカーボンブラックを利用した同じ組成物に比べてこのような組成物により得られるものと考えられている利点；そして、該当する場合かかる組成物で得られるものと考えられている利点に対応する、各組成物についての有用な工業的利用分野、のリストである。
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一部のタイヤ用途、特に例えば舗装道路と悪路表面の間を往来するトラックに関して、衝撃／切傷強度が必要な特性であることが発見された。なかでも、舗装道路上を走行した後のタイヤは発熱しており、これが工事現場に進入した際に、荒れた地盤の上でタイヤの過剰の削取り及び切傷を発生させる結果となる。本発明の予備カップリング処理されたケイ素処理済みカーボンブラックをタイヤトレッド（或いはサイドウォールを含むタイヤの他の部分）の化合物中に含有させた場合、７０°でのｔａｎδ（デルタ）により特徴づけられるタイヤトレッドの発熱を削減し、引裂強度を増大させ、かつトレッド化合物の引張り強度を許容範囲に維持しながら伸び特性を増大させることが可能であることが発見された。これらの特性の改善に伴って、トレッドの削取り・切傷強度を実質的に改善することができ、その結果より長持ちしより長い寿命と優れた性能をもつタイヤトレッドが得られる。
上述の特性を改善し、かくして改善された削取り・切傷強度を得るために、本発明の予備カップリング処理されたケイ素処理済みカーボンブラックを、シリカ及びカーボンブラックといったその他の充填材との配合物の形で使用することができる。
本発明の予備カップリング処理されたケイ素処理済みカーボンブラックは、同様に、タイヤ内のワイヤーブレーカー化合物中に使用することもできる。予備カップリング処理されたケイ素処理済みカーボンブラックを含有するワイヤーブレーカー化合物の使用によって、スチールコードに対する優れた付着性を得ることが可能である。更に、タイヤのこの構成要素内の発熱を削減することも同様に可能である。
表１Ａに示された組成物により得られると考えられる利点は、従来の（非ケイ素処理）カーボンブラックにより作られた同一の組成物と比較して期待るとおりの特性によって特徴づけられる。一定の与えられたケイ素処理済みカーボンブラック／エラストマー組成物についてのこれらの特性の評価は、比較試験を実施することによって行われる。表Ａ１に示された特性の大半は、当業者にとって日常的な試験により決定される。以下にその他の試験について簡略に説明する。
硬さは、ＡＳＴＭＤ−２２４０−８６に定める手順に従って決定されるショアＡ硬さを意味する。
弾力性は、Post Office Box997，East Windsor，Connecticut 06088のＺｗｉｃｋｏｆＡｍｅｒｉｃａ社が製造したＺＷＩＣＫ反発弾性試験機モデル５１０９を用い、ＡＳＴＭＤ１０５４に定める手順に従って決定することができる。
ＵＨＦマイクロ波受理性は、（フランスのTotal Elastomersが供給する）Dielecmetre（誘電計）によって測定することができる。ＵＨＦマイクロ波受理性は、以下の通りに決定される計数ａにより特徴づけられる。
ａ＝（１５０℃−８０℃）／（ｔ150−ｔ80）［℃／秒］
ここで、ｔ150及びｔ80は、それぞれ供試体が１５０℃及び８０℃に達するのに必要な時間を表し、ａは、８０℃と１５０℃の温度の間の加熱速度である。
組成物の抵抗率は、幅２インチ、長さ６インチ、厚さ０．０８５インチの供試体に幅０．５インチで銀塗料を塗装することによって測定される。供試体は引き続き、室温から１００℃へそして室温へ戻すサイクルに続いて、９０℃で２４時間経時変化させることにより安定した読み取り値を生成するよう条件付けされる。安定化された抵抗率は、経時変化サイクルの終了時に１回と、供試体を室温に戻るまで冷却させて後にもう１回測定された。
処理済みカーボンブラック及び随時単数又は複数のカップリング剤を含む結果として得られたエラストマー化合物は、車両タイヤのトレッド、工業用ゴム製品、パッキン、タイミングベルト、動力伝達ベルト、及びその他のゴム物品などといった様々なエラストマー製品に使用することができる。タイヤに利用される場合、エラストマー化合物は、トレッド或いはカーカス及びサイドウォールといったタイヤの他の構成要素内で使用することができる。
ケイ素処理済みカーボンブラックとカップリング剤を取り込んだエラストマー化合物は、異なる温度での動的ヒステリシス及び耐摩耗性について試験された場合に更に改善された特性を示す。従って、ケイ素処理済みカーボンブラック及びカップリング剤の両方を含有する本発明のエラストマー化合物によって製造されたトレッド化合物を内含するタイヤは、処理済みカーボンブラックを含有するもののカップリング剤を含まないトレッド化合物により作られたタイヤと比較した場合に、更に低い転がり抵抗力、良好な牽引力及びより優れた摩滅抵抗を示すことになる。
以下の例は、制限的な意味なく、本発明を例示している。
実施例
実施例１
本発明に係るケイ素処理カーボンブラックは、上述されると共に図１に示されたパイロットスケール反応器を使用して調製されたが、この反応器の寸法は次の通りである：Ｄ1＝４インチ、Ｄ2＝２インチ、Ｄ3＝５インチ、Ｌ1＝４インチ、Ｌ2＝５インチ、Ｌ3＝７インチ、Ｌ4＝１フィートおよびＱ＝4.5フィートである。以下の表１に示された反応条件が採用された。
これらの条件は、ASTM表示N234により表されるカーボンブラックの形成に帰着した。N234の市販品は、マサチューセッツ州のボストンのCabot社からのVulcanTM7Hである。これらの条件は、反応器内にケイ素含有揮発性配合物を付加することにより変更され、ケイ素処理カーボンブラックが得られた。揮発性配合物の流速は、処理済カーボンブラック内のケイ素の重量パーセントを変更すべく調節された。処理済カーボンブラック内のケイ素の重量パーセントは、ASTM手順D-1506により行われた灰化試験により決定された。
斯かる新たに処理されたカーボンブラックのひとつは、有機ケイ素コンパウンド、すなわち、オクタメチル−シクロテトラシロキサン（OMTS）を炭化水素供給原材内に注入することにより作成された。このコンパウンドは、ミシガン州、ミッドランドのDow Corning社から“D4”として販売されている。最終的なケイ素処理カーボンブラックは、本明細書中ではOMTS−CBとして識別される。別のケイ素処理カーボンブラックは、（ニュージャージー州のPiscatawayのHuls AmericaからTEOSとして販売されている）第２のケイ素含有揮発性配合物であるテトラエトキシ・シランを炭化水素供給原材内に導入することにより調製された。
反応器温度の変化はカーボンブラックの表面積を変更することは知られており、または、反応器温度は注入領域（図１の領域3）内の供給原材の合計流速に極めて敏感であることから、供給原材の流速は、一定の反応器温度が維持される如く、ケイ素含有揮発性配合物の導入を略々補償すべく低下側に調節された。これは、結果的なカーボンブラックに対する（ｔ領域により測定された）略々一定の外部表面積に帰着する。N234カーボンブラックを製造するに必要な他の全ての条件が維持された。構造制御添加剤（酢酸カリウム溶液）が供給原材内に注入され、N234カーボンブラックの仕様構造を保持した。次の実施例を通して記述されるケイ素処理カーボンブラックを作成する上で、この添加剤の流速は維持された。
サンプル調製およびASTM D3037に記述された測定法−窒素表面積に対する方法Ａ−に続き、外部表面積（ｔ領域）が測定された。この測定に対し、窒素吸着等温線は0.55相対圧力まで延長された。相対圧力は、圧力（P）を飽和圧力（P0）（窒素が凝縮する圧力）で除したものである。吸着層の厚み（t1）は次の関係を使用して計算される：
0003977437.tif 000003
吸着された窒素の体積（V）は、次にｔ1に対してプロットされた。次に、3.9オングストロームおよび6.2オングストロームの間のｔ1値に対するデータ点を通る直線が調整された。ｔ領域は次にこの直線の傾きから次の様に求められた：
ｔ領域、ｍ2／gm＝15.47×傾き
0003977437.tif 000004
時間
結果的なカーボンブラックは表面積およびケイ素含有量に関して分析された。これらの値は以下の表２中に示される：
0003977437.tif 000005
実施例２
エネルギ分散型Ｘ線分析器に連結された走査透過型電子顕微鏡（STEM）が使用され、ケイ素処理カーボンブラックの特徴が更に調べられた。次の表３は、N234、OMTS−CB（実施例１に従って調製されたもの）、および、3.7%のシリカ（マサチューセッツ州のボストンのCabot社によりCAB-O-SILTML90として販売されたＬ90）が添加されて混合物を形成するN234を比較している。以下に記述される如く、STEMシステムを使用し、カーボンブラックの個々の凝集物の基本的組成を検査しても良い。カーボンブラックとシリカの物理的混合物は、大部分のケイ素信号、および、殆ど無いまたはバックグラウンド程度のカーボン信号を示すシリカ凝集物の同定に帰着する。従って、混合物内で複数の凝集物が検査されるとき、その内の幾つかはシリカの凝集物に対応する高いSi／C信号比を示す。
５mgのカーボンブラックが20mlのクロロホルム内に分散されると共に、プローブ超音波処理器（W-385加熱システム超音波処理器）を使用して超音波エネルギに晒された。次に、２mlのアリクオット（aliquot）がプローブ超音波処理器を使用して３分に亙り15mlのクロロホルム内に分散された。結果的な分散物は、アルミニウム基質を有する200メッシュのニッケル・グリッド上に載置された。該グリッドは次に、Oxford Link AN 10000エネルギ分散Ｘ線分析器（マサチューセッツ州、コンコルドのOxford Link）を備えたFisons HB501走査透過型電子顕微鏡（英国、ウエストサセックスのFisons）の下に載置された。
最初に、グリッドは低倍率（200,000X以下）で潜在的シリカ凝集物に対して走査された。これは、１より大きなSi／Cカウント比を有する凝集物を探すことで行われた。この最初の走査の後、更に高い倍率（200,000X乃至2,000,000X）での詳細分析のために典型的には30個の凝集物が選択された。選択された凝集物は、初期走査により識別された如く１より大きなSi／Cカウント比を含む凝集物の全てを含んでいた。この様にして決定された最も大きなSi／Cカウント比は、N234、OMTS−CBおよびN234とシリカとの混合物に対する表３に示されている。
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従って、OMTS−CBと同一のケイ素含有量を有するカーボンブラックおよびシリカの良好な分散混合物は、180倍も高いSi／Cカウントピークを示す。このデータはOMTS−CBカーボンブラックがシリカとカーボンブラックとの単純な物理的混合物ではなく、ケイ素がカーボンブラックの内在的化学性質（intrinsic chemical nature）の一部であることを示している。
実施例３−HF処理
フッ化水素酸（HF）はケイ素コンパウンドを溶解し得るが、カーボンとは反応しない。従って、もし従来の（未処理の）カーボンブラックまたはシリカとカーボンブラックとの混合物がHFにより処理されたとしても、カーボンブラックの表面および表面積は変化しない、と言うのも、それは混合物から除去されたケイ素コンパウンドの溶解により影響を受けないからである。但し、もしカーボンブラック凝集物の表面を含む少なくとも一部に亙りケイ素含有種が分布されたとすれば表面積は著しく増大する、と言うのも、ケイ素コンパウンドがカーボンブラック構造から溶出するときに微細孔が形成されるからである。
試験されるべき５グラムのカーボンブラックが、100mlの10% v/vフッ化水素酸により１時間で抽出された。ケイ素含有量および窒素の表面積は、HF処理の前後で測定された。結果は、表４に示される。
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HF処理の前後においてカーボンブラックのサンプルの顕微鏡写真が撮られた。顕微鏡写真は図４ａ乃至図４ｄに示されている。これらの写真は、未処理カーボンブラックと比較して、HF処理の後の大きな微細孔と一致してケイ素処理カーボンブラックは更に粗い表面を有することを示している。
実施例３Ａ
図１の注入点12にて示された如く、炭化水素供給原材注入平面の直下流（１フィート）の反応器の反応領域にTEOSを注入することで、別のケイ素処理カーボンブラックが作成された。実施例１に記述されたN234ブラックを製造する為に必要な他の全ての条件は維持された。TEOSの流速は17.6ポンド／時間に調節された。
実施例３に記述されたのと同様に、HF抽出の前後においてケイ素含有量および表面積に関して結果的ブラックが分析された。結果は、表４Ａに示されている。
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従って、TEOS−CBのHF抽出の後では、Ｎ2表面積の増大は見られなかった。また、実施例２に記述されたSTEM手順による凝集物の分析もまた、シリカは凝集物内に存在し、シリカ実在物として独立していないことを示した。これらの結果は、この場合にケイ素処理カーボンブラックのケイ素含有種は主として表面付近に配置されていることを示すものである。
実施例４−エラストマー性組成物の調製
先の実施例のカーボンブラックはエラストマー性コンパウンドを作成する為に使用され得る。上記で論じたケイ素処理カーボンブラックを取り入れたエラストマー性組成物（elastomeric composition）は次のエラストマを使用して調製される：溶液SBR（オハイオ州、Firestone Synthetic Rubber & Latex Co.のDuradene 715およびCariflex S-1215）、官能化溶液SBR（日本ゼオン社のNS 114およびNS 116、合成ラバー社からのSL574およびTO589）、懸濁駅SBR（ルイジアナ州、ベイトンルージュのCopolymer Rubber & Chemical社のSBR1500）、および天然ラバー（マレーシアのSMRS）。
エラストマー性組成物は次の式により調製された：
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Flexzone 7PTMすなわちN-（1,3-ジメチルブチル）-N'-フェニル-p-ジアミンは、コネチカット州ミッドバーレイのUniroyal Chemical社から入手し得る酸化防止剤である。また、DuraxTMすなわちN-シクロヘキサン-2-ベンゾチアゾールスルフォンアミドは、コネチカット州のノーウォークのR.T. Vanderbilt社から入手し得る促進剤であり、CaptaxTMすなわち2-メルカプトベンゾチアゾールは、上記R.T. Vanderbilt社から入手し得る促進剤である。
エラストマー性コンパウンド（elastomeric compound）は、２段階の混合手続を使用して調製される。コンパウンドを調製する為に使用された内部ミキサは、カム型混合ヘッド（容量600ml）を備えた（ニュージャージー州、サウスハッケンザックのC.W.Brabender社から入手された）Plasti-Corder EPL-Vである。第１段階において、混合機は80℃に設定されると共に、ロータ速度は60rpmに設定された。ダミー混合物と共にチャンバを加熱することにより混合機を100℃の条件とした後、エラストマが装填されて１分間粉砕された。Si-69で予備処理されると共に酸化亜鉛（ニュージャージー州のNew Jersey Zinc社から得られたもの）と予備混合されたカーボンブラックが、次に付加された。３分後、ステアリン酸（オハイオ州、シンシナチのEmery Chemicalsから入手したもの）および酸化防止剤が添加された。更に２分間、混合は継続された。段階１のマスターバッチが次に合計５分にて混合機から取り出された。これは次に開放型粉砕器（ニュージャージー州、サウスハッケンザックのC.W.Brabender社から入手した４インチ、２ロール粉砕器）を３回通されて室温で２時間保存された。
第２段階では、混合チャンバ温度は80℃に設定されると共に、ロータ速度は35rpmに設定された。混合機の条件を整えた後、第１段階からのマスターバッチが装填されて１分間混合された。治効パッケージ（curative package）（硫黄、DuraxおよびCaptaxを含む）が次に付加された。２分経過時に材料は混合機から取り出され、開放粉砕器を３回通された。
コンパウンドのバッチが前述の実施例においてカーボンブラック対して記述された如く調製された。更なる対照物として、同一等級の従来のカーボンブラックが使用された。各カーボンブラックに対し、２つのバッチが調製された。第１のバッチは結合剤としてSi-69を使用して作成された。第２のバッチは結合剤を使用せずに作成された。混合の後、エラストマー性組成物の各々は145℃で硬化され、Monsanto ODRレオメータにより行われた測定に従う最適な硬化状態とされた。
表１Ａに示されたエラストマを採用したエラストマー性コンパウンドは、前述の手順に従って調製され得る。
実施例５−結合ゴム試験
カーボンブラックを取り入れたエラストマー性コンパウンドの結合ゴム含有量は、カーボンブラックの表面活性度の測定値と解釈され得る。結合ゴム含有量が高いほど、カーボンブラックの表面活性度は大きい。
結合ゴムは、室温でトルエンによりエラストマー性コンパウンドを抽出することにより決定される。結合ゴムは、溶媒による抽出の後に残存するエラストマである。使用されたエラストマは、実施例４において上述された如く結合剤の無い溶液SBR（SSBR）Duradene 715である。
図２に示された如く、一連のシリカおよびカーボンブラックの混合物に対して結合ゴムが決定されたが、これは、カップリング剤前処理されたケイ素処理カーボンブラックの結合ゴムを比較する基準の役割を果たすものである。図２には、２組のコンパウンドに対する結合ゴム測定値がそれらの等価ケイ素含有量に対してプロットされている。カップリング剤前処理された処理済カーボンブラックに対しては、等価ケイ素含有量は灰化により測定された合計ケイ素から計算された理論値である。カップリング剤前処理されたケイ素処理カーボンブラックは、それらの従来の対応物よりも高い結合ゴムを産することが理解される。これは、処理済カーボンブラックの表面は比較的に更に活性であることを示唆している。更に、図２に示される如く、処理済カーボンブラックにより充填されたコンパウンドの結合ゴム含有量は、カーボンブラックおよびシリカの混合物から生成された基準線より相当に上方に位置している。これは、処理済カーボンブラックはシリカとカーボンブラックの物理的混合物では無いことを立証するものである。
実施例６−動的ヒステリシスおよび耐摩耗性
上記の実施例４に従って生成されたエラストマー性組成物に対し、動的ヒステリシスおよび耐摩耗性が測定された。
耐摩耗性は研磨機を使用して決定されたが、これは米国特許第4,995,197号に記述されたLambourn型の機械に基づくものであり、該米国特許は言及したことにより援用する。試験は14％スリップで実行された。スリップ割合は、サンプル・ホイルと研磨石ホイルとの相対速度に基づいて決定された。耐摩耗性指数は、エラストマー性コンパウンドの質量損失から計算された。動的特性は、ストレイン・スイープ（strain sweep）を備えた流体測定ダイナミック・スペクトロメータ（ニュージャージー州のRheometrics社のRDS II）を使用して決定された。測定は、0.2乃至120％に亙り二重ひずみ振幅（DSA）の範囲でストレイン・スイープにより０℃および70℃で行われた。図３ａおよび図３ｂに見られるエラストマー性コンパウンドの間のヒステリシスを比較する為に、ストレイン・スイープ曲線上の最大tan δ値が選択された。代替的に、5%のDSAおよび10Hzにおける温度掃引によりヒステリシス測定が行われた。図３ｃに見られる様に、温度範囲は-60℃〜100℃であった。
0003977437.tif 000010
上記表６に見られる様に、OMTS−CBがN234に対して代用されたとき、SSBRサンプルに対しては、70℃におけるtan δは７％だけ減少され、０℃におけるtan δは2.3％だけ減少され、耐摩耗性は15％だけ減少された。しかし乍ら、組成物内にSi-69結合剤が導入されたときは、OMTS−CBサンプルに対する耐摩耗性はN234に対する値の110％だけ改善された。70℃におけるtan δの値は、結合剤の無いN234と比較して19.6％だけ減少されると共に結合剤によるN234と比較して10.5％減少した。結合剤がOMTS−CBに対して付加された場合、結合剤無しのOMTS−CBと比較して０℃におけるtan δは11％だけ増大した。同様に、TEOS−CBに対しては、70℃におけるtan δ値は11.6％だけ減少され、０℃におけるtan δ値は変化せず、摩耗は21.9％だけ減少した。結合剤と混合されたとき、70℃におけるtan δ値は24.9％だけ減少し、０℃におけるtan δ値は8.3％だけ減少し、摩耗は2.8％だけ減少した。
エラストマー性組成物においてケイ素処理カーボンブラックおよびエラストマを使用すると、一般的には、同一のエラストマおよびN234カーボンブラックを含むエラストマー性組成物と比較して耐摩耗性が低くなることが確認された。しかし乍ら、表６に見られる如く組成物内にSi-69結合剤が導入されたとき、耐摩耗性は、未処理カーボンブラックにより得られるのと略々同一の値に戻る。
本明細書中で使用された如く、“未処理カーボンブラック（untreated carbon black）”とは、対応する処理済ブラックを調製すべく使用されたプロセスと類似し乍らも揮発性ケイ素コンパウンド無しのプロセスにより、かつ、プロセス条件に対して適切な調節を行うことにより処理済ブラックのそれに略々等しい外部表面積を有するカーボンブラックを達成することにより調製されたカーボンブラックを意味する。
実施例６Ａ
実施例３Ａの手順により作成された（且つ1.91％のSiを含む）ブラックの動的ヒステリシスおよび摩耗特性は実施例６と同様に測定された。以下の表６Ａに見られる如く、N234に対してTEOS−CBが代用されたとき、SSBRサンプルに対しては、70℃におけるtan δ値は14％減少され、０℃におけるtan δ値は６％減少され、且つ、耐摩耗性は22％減少された。しかし乍ら、組成物内にSi-69結合剤が導入されたとき、TEOS−CBサンプルに対する耐摩耗性はN234に対する値の108％に改善された。70℃におけるtan δ値は、結合剤の無いN234と比較して18％減少し、結合剤によるN234と比較して７％減少した。TEOS−CBに対して結合剤が付加されたときは、結合剤によるN234と比較して０℃におけるtan δ値は僅かに1.5％減少した。
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実施例７−３段階配合
本発明のエラストマー性コンパウンドとカップリング剤前処理された処理済カーボンブラックを使用して得られた有用な特性は、コンパウンド化プロセスの間に付加的な混合段階を使用することにより更に強化され得る。前述のコンパウンド化実施例において使用された２段階混合に対する処置は、実施例４で上記している。
３段階混合に対しては、段階１の混合機は80℃で60rpmに設定された。ダミー混合物と共にチャンバを加熱することにより100℃に調節した後、エラストマは100℃の混合機に導入されると共に１分間粉砕された。カップリング剤前処理されたカーボンブラックがエラストマに付加されると共に、混合は更に３分間継続された。段階１のマスターバッチが次に取り出されると共に、開放粉砕器を３回通され、室温で２時間貯蔵された。第２段階のチャンバ温度もまた80℃および60rpmに設定された。100℃に調節した後、マスターバッチは混合機内に導入され、１分間粉砕されてから酸化防止剤が付加された。４分の時点でまたは160℃の温度に達したとき、段階２のマスターバッチが取り出されると共に開放粉砕器を３回通され、室温で２時間貯蔵された。第３段階のチャンバ温度は80℃かつ35rpmに設定された。段階２からのマスターバッチが次に混合機に付加されて１分間粉砕された。硬化パッケージが次に付加され、段階３の材料が２分の時点で取り出されて開放粉砕器を３回通された。
以下の表７は２段階混合および３段階混合を使用したTEOS−CBによりコンパウンド化されたエラストマに対してヒステリシスおよび摩耗特製を比較している。この表から理解される如く、３段階混合は０℃における大きなtan δおよび70℃における低いtan δに帰着する。表１Ａに示されたエラストマを採用したエラストマー性コンパウンドは、前述の手順を追随することにより調製され得る。
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実施例８−酸化カーボンブラック
この発明の他の態様で、カップリング剤で前処理したケイ素処理カーボンブラックを酸化させると、ヒステリシスが増進したエラストマー組成物を得ることができることを、この発明の発明者らが確認した。表１の条件を使用し、但し揮発性ケイ素含有化合物としてOMTSを使用し最終のカーボンブラック中に2.74％のケイ素を含有させて製造したカーボンブラックの場合の、酸化によって得られた改善点を以下の表に示す。
この酸化カーボンブラックは、前記カーボンブラックを硝酸で処理することによって製造される。小型のステンレス鋼製ドラムに前記カーボンブラックを入れて回転する。回転しながら、65％硝酸溶液を、カーボンブラックに噴霧して、カーボンブラック100量部当り15量部添加する。５分間浸漬させた後、上記ドラムを約80℃まで加熱して酸化反応を開始させる。この酸化反応中、温度は約100〜120℃まで上昇する。この温度は、反応が完了するまで保持される。次に、その処理されたカーボンブラックを200℃まで加熱して、残っている硝酸を除去する。次にその処理されたカーボンブラックを、減圧オーブン内で115℃にて一夜乾燥する。OMTS−CBおよび酸化OMTS−CBをカップリング剤ありおよびなしで配合したエラストマーのヒステリシス特性を比較して下記表８に示す。表１Ａに記載のエラストマーを利用する追加のエラストマーコンパウンドは先に述べた手順にしたがって配合することができる。
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実施例９−各種エラストマーのヒステリシスと耐摩耗性
異なるエラストマーに処理済カーボンブラックを配合し、さらにカップリング剤を配合したエラストマーコンパウンドとカップリング剤を配合しなかったエラストマーコンパウンドのヒステリシスと耐摩耗性を比較した。従来品のカーボンブラックを別の対照として使用した。試験結果を、以下の表９に示す。これらのデータは、試験した５種のエラストマー系すべてのヒステリシス特性が改善されたことを示している。
カップリング剤を使用しない場合、処理済カーボンブラックのコンパウンドを、未処理の対照カーボンブラックのコンパウンドと比較すると、すべての場合、耐摩耗性が低下することが分かるであろう。耐摩耗性は、カップリング剤を使用すると実質的に改善される。
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実施例10−有機基の結合
OMTS−CBを実施例１に記載されているようにして製造したが、以下の性質を有している。
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先に記載した好ましい手順に基づいて、上記カーボンブラック７を、その１ｇ当り0.15mmolの４−アミノジフェニルジスルフィド（APDB）で処理して有機基を結合させる。次に、そのOMTS−CBを、以下の配合にしたがって配合する。
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Tacketene 1203は、カナダ所在のPolysay Rubber Corporationから入手できるエラストマーである。Vanax DPGとテトラメチルチウラムジスルフィド（TMTD）はそれぞれ、米国コネティカット州ノーウォーク所在のR.T. Vanderbilt Co. および米国オハイオ州アクロン所在のAkrochem Co.から入手できる加硫促進剤である。
実施例７に記載の混合手順を使用する。上記オイルは、第一混合ステージで添加する。これらコンパウンドの性能を表12に示す。
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表12に示すように、OMTS−CBにAPDSを結合させると、70℃におけるtanδが31％低下しかつ０℃におけるtanδが20％低下すると考えられる。
実施例11
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諸成分の供給元
Royalene 509 EPDM           Uniroyal Chemical Co.,米国コネティカット州
AZO-66酸化亜鉛              Asarco, Inc., 米国オハイオ州
Hystreneステアリン酸        Humko Chemical Co.米国テネシー州
Sunpar 2280 Paraffinic Oil  Sun Refiningand Marketing,米国ペンシルベニア州
Rubbemakers 硫黄            R.E. Carroll, 米国ニュージャージー州
Methyl Tuads                R.T. Vanderbilt,米国コネティカット州
Rhenogram MBT-75（75％活性）Rhein-Chemie Corp., 米国ニュージャージー州
Si-69 Polysulfidic Silane   Struktol, 米国オハイオ州
実施例12
２種のケイ素処理カーボンブラックを、実施例１で先に記載したようにして製造した。そのケイ素処理カーボンブラックの特性を表15に示す。そのケイ素処理カーボンブラックを、次に、表16に示す手順にしたがって、カップリング剤で前処理すなわち前修飾を行った。カップリング剤で前処理したケイ素処理カーボンブラックおよび遅れた時点でカップリング剤で処理したケイ素処理カーボンブラックを、表17と18に記載の配合と混合手順を使用して配合し、別個に試験を行った。次に、カップリング剤で前処理したケイ素処理カーボンブラックを含有するコンパウンドの特性を、通常のカーボンブラックおよび通常の方法でカップリング剤を添加したケイ素処理カーボンブラックと比較した。その試験結果を表19に示す。カップリング剤で前処理すると、OMTS−CB−Ａの場合、カップリング剤を通常の方法で添加するのと比べて、70℃におけるtanδが耐摩耗性を失うことなしに11％低下しかつ０℃におけるtanδが５％だけ低下することが分かる。類似の試験結果がOMTS−CB−Ｂにも見られる。
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上記EPDMの実施例から分かるように、カップリング剤で前処理したケイ素処理カーボンブラックは、匹敵する硬度レベルにおいて、引張強さ、伸びおよび引裂強さが実質的に改善されている。物理特性がこのように改善されると、シール、ブーツおよび一般的な成形ゴム部材の有効寿命にとって有利である。
上記のカップリング剤で前処理したケイ素処理カーボンブラックの利点と類似の利点が、例えばEPDMのような不飽和二重結合を含有していないか、またはその望ましい特性を達成するために追加のカップリング剤を必要としない過酸化物加硫エラストマーに予想される。
また、カップリング剤で前処理したケイ素処理カーボンブラックの利点は、カーボンブラックのケイ素を含有するドメインと追加の相互作用を行う、炭素と水素以外の元素を含有するエラストマーでも予想される。非炭化水素基を含有するエラストマーの例としては、限定されないが、NBR（アクリロニトリル−ブタジエンゴム）、XNBR（カルボキシルアクリロニトリル−ブタジエンゴム）、HNBR（水素化−アクリロニトリル−ブタジエンゴム）、CR（クロロプレンゴム）、ECO（エチレンオキシド−クロロメチルオキシラン）、GPO（ポリプロピレンオキシド−アリルグリシジルエーテル）、PPO（ポリプロピレンオキシド）、CSM（クロロスルホニル−ポリエチレン）、CM（クロロ−ポリエチレン）、BIIR（ブロモ−イソブテン−イソプレンゴム）、CIIR（クロロ−イソブテン−イソプレンゴム）、ACM（エチルアクリレートまたは他のアクリレートと少量の加硫可能なコモノマーとの共重合体）、およびAEM（エチルアクリレートまたは他のアクリレートとエチレンとの共重合体）がある。
また、この発明によって、エラストマーコンパウンドを製造する際の融通性も改善することができる。例えば、この発明がなされる前は、マスターバッチにカップリング剤を導入するのに、固定したプロトコルが用いられていた。この発明によれば、この固定したプロトコルはもはや不要である。その上、この発明は、同じヒステリシスを得るために必要なカップリング剤の量を減らすことができる。換言すれば、カップリング剤で前処理したケイ素処理カーボンブラックを製造するのに使用されるカップリング剤の量は、エラストマーおよびフィラーに対し、伝統的に添加されているカップリング剤の量より少なくて、しかも同じヒステリシスが得られる。さらに、この発明によれば、カップリング剤とケイ素処理カーボンブラックを、天然ゴムおよびエマルション重合SBRのようなエラストマーとともに、一層容易にかつより成功裡に使用できる。
本明細書で引用した特許、特許願、試験法および刊行物はすべて本明細書に援用するものである。
この発明を、当然のことであるが、特定の具体的な方法と材料を参照して、本明細書で考察してきた、これらの方法と材料を列挙しているのは例示しているに過ぎず、この発明の範囲を限定するものではない。当業技術者は、この発明の範囲から逸脱することなしに、本明細書に記載の具体的教示の変形または代替物を識別して実施できるであろう。例えば、この発明の組成物は、他の補強剤、他のフィラー、油展剤、劣化防止剤などを含有していてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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