(57)【要約】【課題】一般的な化石原料以外の原料を用いたカーボンブラックの製造方法、該方法により得られる、一般的な化石原料由来のカーボンブラックと比べて遜色の無い物理化学特性を有するカーボンブラック、該カーボンブラックを配合したゴム組成物、及び該ゴム組成物を用いたタイヤの提供。【解決手段】燃焼ガス生成帯域、反応帯域及び反応停止帯域を同軸上に連設した反応装置を用いたカーボンブラックの製造方法において、反応帯域に導入する原料炭化水素として廃タイヤの熱分解反応により生成する液状炭化水素を用いるカーボンブラックの製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガス生成帯域、反応帯域及び反応停止帯域を同軸上に連設した反応装置を用い、燃焼ガス生成帯域で燃料炭化水素の燃焼により高温燃焼ガスを生成させ、続いて反応帯域で前記高温燃焼ガス流中に複数の原料導入装置から原料炭化水素を噴霧導入し、不完全燃焼又は熱分解反応により前記原料炭化水素から転化したカーボンブラックを含む反応ガス流となし、次いで反応停止帯域において急冷媒体の導入により前記反応ガス流を反応停止温度まで冷却して反応を終結させるカーボンブラックの製造方法において、該原料炭化水素として廃タイヤの熱分解反応により生成する液状炭化水素を用いることを特徴とするカーボンブラックの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法により得られるカーボンブラック。
【請求項３】
請求項２記載のカーボンブラックを配合したゴム組成物。
【請求項４】
請求項３記載のゴム組成物を用いて作製されたタイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンブラックの製造方法、この方法により得られるカーボンブラック、該カーボンブラックを配合したゴム組成物、及び該ゴム組成物を用いたタイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンブラックは、厳密に制御された条件下においてファーネス炉内で発生させた高温燃焼ガス中及び／又は外部で発生させて炉内に導入された高温燃焼ガス中へ原料炭化水素を噴霧導入し、この原料炭化水素の熱分解又は不完全燃焼により生産される産業上有用でほぼ純粋な炭素元素からなる原材料である。そして、ゴム配合時の組成物に対して機械的性質、特に引張り強さ、耐摩耗性などの特性を飛躍的に向上させることができるという特異な性質を有することから、タイヤを始めとする各種ゴム製品の充填補強剤として広く、かつ約１００年もの長期間に亘って用いられてきており、その色彩的特徴である黒色度を利用して各種塗料、インキ用原材料などとしても利用されている。
ゴム配合用カーボンブラックは、その物理化学的特性、即ちカーボンブラックを構成する単位粒子径、単位重量当たりの表面積（比表面積）、粒子のつながり度合（ストラクチャー）、表面性状などにより、配合ゴム組成物の特性・性能に大きな影響を与えるので、要求されるゴム製品の性能、使用される環境等によって各種特性の異なるカーボンブラックが選択的に使用されている。
【０００３】
このように多岐に渡って用いられているカーボンブラックであるが、その製造原料には、収率の高さから主として化石原料である石炭・石油系の原料油を用いている。しかし、この原料油は昨今の世界情勢や将来における埋蔵量を考慮すると、その供給が長期に亘って安定であるとは言えない為、代替原料の検討が行われてきた。
代替原料の一例として現在、非化石原料、即ち動植物油又はその改質品に関する検討が進められており、例えば特許文献１では主にひまし油を用いたカーボンブラックの生成について検討している。
しかし、非化石原料をカーボンブラック原料油として用いた場合、カーボンブラック生成時の凝集体成長反応が著しく遅い傾向にあり、その為、上記のカーボンブラックの物理化学的特性が化石原料を用いた場合と比較して自由に制御できず、ゴム配合時の物性、例えば補強性等において化石原料由来のカーボンブラックよりも劣るという問題があった。したがって、通常は非化石原料由来のカーボンブラックを単独で用いることは少なく、シリカや化石原料系カーボンブラック等の他の補強性のある材料と併用する場合が多い。
【０００４】
このような問題に対し、本発明者はカーボンブラック生成に用いる反応炉の特定部位の径を制御することにより、化石原料由来のカーボンブラックと比べて遜色の無い物理化学特性を有するカーボンブラックを得ることに成功した（特許文献２参照）。
この発明の他にも、代替原料としての非化石原料の検討が種々行われている。しかし、これらの技術によるカーボンブラックの製造には様々な制約が生じるため、より平易に使用できる原料に関する検討が行われているのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−５６８０２号公報
【特許文献２】特開２０１４−１３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、一般的な化石原料以外の原料を用いたカーボンブラックの製造方法、該方法により得られる、一般的な化石原料由来のカーボンブラックと比べて遜色の無い物理化学特性を有するカーボンブラック、該カーボンブラックを配合したゴム組成物、及び該ゴム組成物を用いたタイヤの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は、次の１）〜４）の発明によって解決される。
１）  燃焼ガス生成帯域、反応帯域及び反応停止帯域を同軸上に連設した反応装置を用い、燃焼ガス生成帯域で燃料炭化水素の燃焼により高温燃焼ガスを生成させ、続いて反応帯域で前記高温燃焼ガス流中に複数の原料導入装置から原料炭化水素を噴霧導入し、不完全燃焼又は熱分解反応により前記原料炭化水素から転化したカーボンブラックを含む反応ガス流となし、次いで反応停止帯域において急冷媒体の導入により前記反応ガス流を反応停止温度まで冷却して反応を終結させるカーボンブラックの製造方法において、該原料炭化水素として廃タイヤの熱分解反応により生成する液状炭化水素を用いることを特徴とするカーボンブラックの製造方法。
２）  １）記載の製造方法により得られるカーボンブラック。
３）  ２）記載のカーボンブラックを配合したゴム組成物。
４）  ３）記載のゴム組成物を用いて作製されたタイヤ。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、一般的な化石原料以外の原料を用いたカーボンブラックの製造方法を提供できる。また、一般的な化石原料由来のカーボンブラックと比べて遜色の無い物理化学特性を有するカーボンブラックを提供できる。更に、該カーボンブラックの特性を活かしたゴム組成物、及び該ゴム組成物を用いたタイヤを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に用いるカーボンブラック反応装置の一例の縦断正面説明図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視における断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、上記本発明について詳しく説明する。
本発明者らは、一般的な化石原料以外のカーボンブラック原料について検討する為に、種々の非化石原料を用いてカーボンブラック製造を行った結果、廃タイヤの熱分解反応により生成する液状炭化水素が適しており、これを用いると、一般的な化石原料を用いた場合に比べて遜色の無い物性を有するカーボンブラックが得られることを見出した。
即ち、本発明の製造方法は、燃焼ガス生成帯域、反応帯域及び反応停止帯域を同軸上に連設した反応装置を用いたカーボンブラックの製造方法において、原料炭化水素が廃タイヤの熱分解反応により生成する液状炭化水素であることを特徴とするカーボンブラックの製造方法である。
これにより、一般的な化石原料以外の原料を用いたカーボンブラックを製造することが可能となるのみならず、当該原料は廃タイヤに含まれる炭化水素であるから、マテリアルサイクルを構築することが可能となり、安価でかつ安定した原料供給が達成される。
【００１１】
ここで、本発明で用いるカーボンブラック反応装置について、その一例である図１を参照しつつ説明する。
このカーボンブラック反応装置１は、酸素含有ガス導入管３と、可燃性流体導入室２の内部に反応装置頭部外周から導入された酸素含有ガスを整流するための整流板５を有する酸素含有ガス導入用円筒４と、その中心軸に燃料炭化水素噴霧装置導入管６を有し、前記円筒の下流側は次第に収れんする収れん室７とし、収れん室７の下流側には図２に一例を示したような原料炭化水素噴霧装置を同一平面上に設置した４つの別個の平面を形成する原料炭化水素噴霧平面（８Ａ〜８Ｄ）を含む原料炭化水素導入室９を有し、この下流側は反応停止のための急冷媒体圧入噴霧手段（ａ〜ｙ）を備えた反応継続兼冷却室１０からなり、全体が耐火物で覆われた装置である。
なお、反応継続兼冷却室１０という名称を用いたのは、原料導入時点から前記急冷媒体圧入噴霧手段の作動時点までが反応帯域、その下流側で急冷媒体圧入噴霧手段の作動時点以降が反応停止帯域であり、この急冷媒体圧入噴霧手段の作動時点が、要求されるカーボンブラック性能により移動することがある為である。
また、通常、急冷媒体としては水を用いる。
【００１２】
燃焼ガス生成帯域とは燃料と空気との反応により高温ガス流が生成される領域であり、この下流端は原料炭化水素が反応装置内に導入される点、例えば図１の８Ａの原料炭化水素噴霧平面から原料炭化水素が導入される場合は、それよりも上流側（図１では左端）から原料炭化水素が導入される８Ａまでを指す。また、複数位置から原料炭化水素が導入される場合の燃焼ガス生成帯域とは、例えば図１の８Ａ、８Ｂ、８Ｃの原料炭化水素噴霧平面から同時に原料炭化水素が導入される場合は、図１の左端から原料炭化水素が導入される最も上流の８Ｃまでを指す。
【００１３】
反応帯域とは原料炭化水素が導入された点（複数位置での導入の場合は最も上流側）から、反応継続兼冷却室１０内の急冷媒体圧入噴霧手段設置用空間（略ａとｚの間の空間）における反応生成物用の急冷媒体圧入噴霧手段（ａ〜ｙ）を作動させた点までを指す。
急冷媒体圧入噴霧手段（ａ〜ｙ）は抜き差し自在であり、生産する品種、特性により使用位置は選択される。即ち、８Ｂで原料炭化水素を導入し、急冷媒体を位置ｆで導入した場合、この間の領域（８Ｂ〜ｆ）が反応帯域となる。
【００１４】
反応停止帯域とは急冷媒体圧入噴霧手段（ａ〜ｙ）を作動させた点よりも下流側（図１では右側）の帯域を指す。
なお、ｚは急冷媒体圧入噴霧手段設置用空間（略ａとｚの間の空間）の下流端という意味合いだけで、設置空間の数又は長さを限定するものではない。また、ｚは反応停止帯域の最後の反応停止位置であるが、前述のように急冷媒体圧入噴霧手段（ａ〜ｙ）は、本願発明で特定した条件を満足させるように適宜選択されるから、これに伴い、反応停止位置も変化する。
【００１５】
本発明の製造方法によって得られるカーボンブラックは、タイヤ用のゴム組成物に用いると好適である。該カーボンブラックを配合したゴム組成物は、一般的な化石原料由来のカーボンブラックを配合したゴム組成物と同等の特性を有する。更に該ゴム組成物を用いれば、有用なタイヤを作製することができる。
【実施例】
【００１６】
以下、実施例、参考例及び比較例を示して本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００１７】
実施例１〜３、参考例１〜３、比較例１〜３
図１〜図２に示すカーボンブラック反応装置１を用い、表１〜表３の各実施例、参考例及び比較例の欄に示す条件となるように制御して各カーボンブラックを製造した。
実施例１〜３は、本発明に係る、廃タイヤの熱分解反応により生成する液状炭化水素（タイヤ熱分解油）を用いた例、参考例１〜３は、一般的な化石原料油である重質油を用いた例、比較例１〜３は、代表的な非化石原料であるトール油を用いた例である。
また、表１〜表３中の実施例及び比較例は、それぞれ、各表中の参考例１〜参考例３になるべく近い物性のカーボンブラックの製造を目標として行ったものである。
カーボンブラック反応装置１は、可燃性流体導入室２（内径４５０ｍｍφ、長さ４００ｍｍ）の内部に、整流板５を有する酸素含有ガス導入用円筒４（内径２５０ｍｍφ、長さ３００ｍｍ）と燃料炭化水素噴霧装置導入管６を備え、円筒の下流側が収れん室７（上流端内径３７０ｍｍφ、下流端内径８０ｍｍφ、収れん角度５．３°）となり、かつ、収れん室７の下流側には図２に８Ｂ平面で例示した４つの原料炭化水素噴霧装置（８Ｂ−１〜４）を同一平面上に設置した４つの別個の平面を形成する原料炭化水素噴霧平面（８Ａ〜８Ｄ）を含む原料炭化水素導入室９を有し、この下流側は急冷媒体圧入噴霧手段を２００ｍｍ間隔で２５ヶ所備えた反応継続兼冷却室１０（長さ６５００ｍｍ）からなる、全体が耐火物で覆われた装置である。
【００１８】
【表１】
2017008214.tif 000002
【００１９】
【表２】
2017008214.tif 000003
【００２０】
【表３】
2017008214.tif 000004
【００２１】
上記各カーボンブラックについて、その物理化学的特性を下記（１）〜（３）の方法により測定した。結果を表４〜表６に示す。
（１）ＤＢＰ吸油量、２４Ｍ４ＤＢＰ吸油量
ＪＩＳ  Ｋ６２１７−４：２００８に記載の方法で、カーボンブラック１００ｇ当たりに吸収されるジブチルフタレート（ＤＢＰ）の量（ｍＬ／１００ｇ）を測定した。
（２）ＩＡ（ヨウ素吸着量）
ＪＩＳ  Ｋ６２１７−１：２００８に記載の方法で、試料１ｇあたりのヨウ素吸着量（ｍｇ／ｇ）を測定した。
（３）Ｎ２ＳＡ（窒素吸着比表面積）
ＪＩＳ  Ｋ６２１７−２：２００１に記載の方法で、単位重量当たりの比表面積（ｍ２／ｇ）を測定した。
【００２２】
【表４】
2017008214.tif 000005
【００２３】
【表５】
2017008214.tif 000006
【００２４】
【表６】
2017008214.tif 000007
【００２５】
表１〜表３に示したように実施例、参考例及び比較例の製造条件はほぼ同じであるが、表４〜表６の結果から分かるように、実施例1〜３では、一般的な化石原料を用いた参考例１〜３とほぼ同等のＤＢＰ吸油量を示しており、従来の製法と何ら遜色の無いカーボンブラックが得られる。
一方、従来の非化石原料を用いた比較例１〜３は、他のカーボンブラックよりもＤＢＰ吸油量が低く、カーボンブラック製造工程における凝集体成長において劣る傾向にあることが分かる。
このように、非化石原料を用いた従来技術では、特定の油物性を有する限られた原料を選択したり特殊な製法を選択する必要があったが、本発明の製造方法によると優れた物性のカーボンブラックを容易に得ることができる。
【００２６】
実施例４〜６、参考例４〜６、比較例４〜６
＜ゴム組成物の調製＞
本発明の製造方法により得られたカーボンブラックは、一般的な化石原料油から得られたカーボンブラックと同等の物性を有するので、タイヤ用のゴム組成物に用いると好適である。そこで、各カーボンブラックを使用した下記表７に示す配合処方のゴム組成物を、バンバリーミキサーにより混練して調製した。
【表７】
2017008214.tif 000008
上記表７中の＊１〜＊４の材料の詳細は次のとおりである。
＊１  乳化重合ＳＢＲ        ［ＪＳＲ社製ＳＢＲ＃１５００］
＊２  老化防止剤６ＰＰＤ    ［大内新興化学工業社製ノクラック６Ｃ］
＊３  加硫促進剤ＤＰＧ      ［大内新興化学工業社製ノクセラーＤ］
＊４  加硫促進剤ＤＭ        ［大内新興化学工業社製ノクセラーＤＭ］
【００２７】
＜ゴム組成物の評価＞
上記各ゴム組成物について、破壊強度及び耐摩耗性を下記の方法で測定した。
その結果を表８〜表１０に示す。
＜破壊強度＞
ＪＩＳ  Ｋ６２５１：２０１０に準拠して、各ゴム組成物の引張試験を行って切断時伸び（Ｅｂ）を測定し、各参考例の値を１００として指数表示した。
指数値が大きい程、耐疲労性、耐カット性に優れる。
＜耐摩耗性＞
ランボーン型摩耗試験機を用いて、室温、スリップ率２５％の条件で試験を行い、各参考例の摩耗量の逆数を１００として指数表示した。指数値が大きい程、摩耗量が少なく、耐摩耗性が良好である。
【００２８】
【表８】
2017008214.tif 000009
【００２９】
【表９】
2017008214.tif 000010
【００３０】
【表１０】
2017008214.tif 000011
【００３１】
表８〜表１０に示したように、従来の非化石原料由来のカーボンブラックを配合したゴム組成物を用いた場合には、一般的な化石原料由来のカーボンブラックを配合したゴム組成物を用いた場合と比べて、補強性等の点で劣る傾向にあるが、本発明の製造方法により得られたカーボンブラックを配合したゴム組成物を用いると、一般的な化石原料由来のカーボンブラックを配合したゴム組成物を用いたタイヤと比べても、何ら遜色のないタイヤを得ることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１        カーボンブラック反応装置
２        可燃性流体導入室
３        酸素含有ガス導入管
４        酸素含有ガス導入用円筒
５        整流板
６        燃料炭化水素噴霧装置導入管
７        燃料導入手段を備えた収れん室
８Ａ      原料炭化水素噴霧平面
８Ｂ      原料炭化水素噴霧平面
８Ｃ      原料炭化水素噴霧平面
８Ｄ      原料炭化水素噴霧平面
８Ｂ−１  原料炭化水素噴霧装置
８Ｂ−２  原料炭化水素噴霧装置
８Ｂ−３  原料炭化水素噴霧装置
８Ｂ−４  原料炭化水素噴霧装置
９        原料炭化水素導入室
１０      反応継続兼冷却室
ａ〜ｚ    急冷媒体圧入噴霧手段設置用空間
ａ〜ｙ    急冷媒体圧入噴霧手段、又は反応空間温度測定装置設置用空間
ｚ        反応停止帯域の最後の反応停止位置
【図１】
2017008214.tif 000012
【図２】
2017008214.tif 000013