Углеродные сажи и композиция, содержащая углеродные сажи

 

Изобретение может быть использовано при получении композиций, содержащих углеродную сажу и каучук или пластмассы. Композиции содержат углеродную сажу со следующими характеристиками: I₂No 17 - 23 мг/г, DВР 115 - 150 куб. см/100 г или I₂No 10 - 19 мг/г, DВР 70 - 95 куб.см/100 г, или I₂No 12 - 20 мг/г, DВР 34 - 65 куб.см/100 г, или I₂No 28 - 43 мг/г, DВР 28 - 47 куб. см/100 г, или I₂No 8 - 32 мг/г, DВР 28 - 150 куб.см/100 г, М - отношение 1,25 - 2,00, или I₂No 33 - 70 мг/г, DВР 28 - 60 куб.см/100 г, М - отношение 1,25 - 2,00, или I₂No 42 - 50 мг/г, DВР 61 - 105 куб.см/100 г, М - отношение 1,25 - 2,00, или I₂No 51 - 62 мг/г, DВР 61 - 125 куб.см/100 г, М - отношение 1,25 - 2,00, или I₂No 63 - 70 мг/г, DВР 61 - 105 куб.см/100 г, М - отношение 1,25 - 2,00. Композиции имеют улучшенные свойства. 10 с. и 5 з.п.ф-лы, 2 ил. , 13 табл.

Настоящая заявка представляет собой частично продолженную заявку США N 07/935794, поданную 27 августа 1992 г.

Настоящее изобретение относится к углеродным сажам нового класса, которые пригодны для различных применений, причем их можно использовать, в частности, в составах пластмасс и каучука.

Известный уровень техники Углеродную сажу можно использовать в качестве пигментов, наполнителей, упрочняющих агентов и в других различных применениях. Ее широко используют для получения композиций из резины и пластмасс, где она требуется для достижения оптимальной комбинации технологических свойств материала и физических свойств готовых изделий.

Углеродную сажу обычно характеризуют на основе ее свойств, включая, без ограничения ее площадь поверхности, химию поверхности, размеры агрегата и частиц.

Свойства углеродной сажи определяют аналитически через известные в технике испытания, включая определение иодного адсорбционного числа (I₂No), степени адсорбции дибутилфталата (DBP), красящей способности (TINT - оттенок, тон), среднего диаметра по уравнению Стокса (D_st), диаметра согласно уравнению Стокса в точке пика (D_mode) и отношения M-Ratio, которое определено как средний диаметр (Median Stokes Diameter) по Стоксу, разделенный на диаметр по Стоксу в точке пика на кривой распределении диаметра Стокса (M-Ratio = D_st/D_mode).

Среди документов, относящихся к известным техническим решениям, можно указать несколько патентов. Они включают в себя патенты США NN 4366139, 4221772, 3799788, 3787562, патент СССР N 1279991, патент Канады N 455504, патент Японии N 61-047759, патент Великобритании N 1022988 и патент Японии N 61-283635. Однако ни в одном из указанных патентов не раскрыты продукты углеродной сажи, полученные в соответствии с настоящим изобретением. Кроме того, ни в одном из этих патентов не описаны применения, для которых предназначена углеродная сажа в соответствии с настоящими изобретением.

Краткое описание изобретения Заявители открыли девять новых классов углеродной сажи, предназначенной преимущественно для ее включения в составы резины и пластмассы, где важны такие технологические и физические свойства материала, как, например, энергия смешения, вязкость, скорость отверждения, усадка при экструзии, прочность на разрыв, усталостная прочность, остаточная деформация при сжатии, твердость, удельное сопротивление и внешний вид поверхности. Обнаружено, что эти углеродные сажи обладают уникальной комбинацией свойств, которые делают их особенно пригодными для применения в экструзиях, формованных изделиях, шлангах и ремнях.

Первый класс углеродной сажи имеет иодное число I₂No= 17-23 мг/г (миллиграмм I₂ на грамм углеродной сажи) и показатель адсорбции дибутилфталата DBP = 115-150 куб.см/100 г (кубических сантиметров дибутилфталата на 100 грамм углеродной сажи). Предпочтительно этот класс углеродной сажи отличается тем, что имеет иодное число (I₂No), равное примерно 20 мг/г.

Второй класс углеродной сажи имеет I₂No = 10-19 мг/г и DBP = 70-95 куб. см/100 г.

Третий класс углеродной сажи имеет I₂No = 12-20 мг/г и DBP = 34-65 куб. см/100 г. Предпочтительно этот класс углеродной сажи отличается тем, что имеет I₂No = 14-18 мг/г и DBP = 36-55 куб.см/100 г, а более предпочтительно DBP = 36-42 куб.см/100 г либо 45-55 куб.см/100 г.

Четвертый класс углеродной сажи имеет I₂No = 28-43 мг/г и DBP = 28-47 куб.см/100 г. Предпочтительно этот класс углеродной сажи отличается тем, что имеет I₂No = 30-42 мг/г.

Пятый класс углеродной сажи имеет I₂No = 8-32 мг/г, DBP = 28-150 куб. см/100 г и M - отношение 1,25-2,00.

Шестой класс углеродной сажи имеет I₂No = 33-70 мг/г, DBP = 28-60 куб. см/100 г и M - отношение 1,25-2,00.

Седьмой класс углеродной сажи имеет I₂No = 42-50 мг/г, DBP = 61-105 куб. см/100 г и M - отношение 1,25-2,00.

Восьмой класс углеродной сажи имеет I₂No = 51-62 мг/г, DBP = 61-125 куб. см/100 г и M - отношение 1,25-2,00.

Девятый класс углеродной сажи имеет I₂No = 62-70 мг/г, DBP = 61-105 куб. см/100 г и M - отношение 1,25-2,00.

Были также открыты новые классы композиций из резины и пластмассы, содержащие углеродные сажи.

Углеродные сажи в соответствии с настоящим изобретением можно получить в реакторе для производства печной углеродной сажи, имеющем зону горения, переходную зону и реакционную зону. Исходное сырье для производства углеродной сажи вводят в поток горячих дымовых газов. Полученная смесь горячих дымовых газов и исходного сырья проходит в реакционную зону. Пиролиз исходного сырья для получения углеродной сажи прекращают путем резкого охлаждения смеси после образования углеродной сажи в соответствии с настоящим изобретением. Предпочтительно пиролиз прекращают путем инжекции жидкости для резкого охлаждения. Способ получения новой углеродной сажи в соответствии с настоящим изобретением будет описан более подробно.

Резина и пластмасса, в которых можно применять углеродную сажу нового класса в соответствии с настоящим изобретением, включают в себя натуральный и искусственный каучук и пластмассу. В общем, на каждые 100 частей по массе каучука или пластмассы можно применять примерно от 10 до 300 мас. частей продукта углеродной сажи.

Среди каучуков или пластмасс, пригодных для применения в соответствии с настоящим изобретением, можно упомянуть натуральный, искусственный каучук и их производные, например хлорированный каучук; сополимеры, содержащие от примерно 10 до 70 мас.% стирола и примерно 90-30 мас.% бутадиена, такой как сополимер, содержащий 19 частей стирола и 81 часть бутадиена, содержащий 30 частей стирола и 70 частей бутадиена, сополимер - 43 частей стирола и 57 частей бутадиена и сополимер - 50 частей стирола и 50 частей бутадиена; полимеры и сополимеры диенов с сопряженными двойными связями, например полибутадиен, полиизопрен, полихлоропрен и т.п., и сополимеры таких диенов с сопряженными двойными связями с сополимеризуемым мономером, содержащим этиленовую группу, например стирол, метилстирол, хлорстирол, акрилонитрил, 2-винил-пиридин, 5-метил-2-винилпиридин, 5-этил-2-винилпиридин, 2-метил-5-винилпиридин, алкилзамещенные акрилаты, виниловый кетон, метилизопропениловый кетон, метилвиниловый сложный эфир, альфа-метилен-карбоновые кислоты и сложные эфиры и их амиды, например амид акриловой кислоты и диалкилакриловой кислоты; причем для применения в соответствии с изобретением также пригодны сополимеры этилена и других высших альфа-олефинов, например пропилен, бутен-1-и пенетен-1; особенно предпочтительны этилен-пропиленовые сополимеры, в которых содержание этилена составляет от 20 до 90 мас.%, а также этилен-пропиленовые полимеры, которые содержат дополнительно третий мономер, например дициклопентадиен, 1,4-гексадиен и метилен-норборнен. Также предпочтительными полимерными композициями являются олефины, например, полипропилен и полиэтилен.

Преимуществом углеродных саж в соответствии с настоящим изобретением является то, что сажа пригодна для ее введения в натуральные каучуки, искусственные каучуки, пластмассы или их смеси для промышленных применений, особенно, когда важны технологические свойства материала и рабочие характеристики изделия.

Дополнительным преимуществом углеродных саж в соответствии с настоящим изобретением является то, что определенная углеродная сажа в соответствии с настоящим изобретением будет заменять смеси углеродной сажи в тех применениях, которые в настоящее время требуют применения смесей углеродной сажи для достижения требуемых рабочих характеристик.

Другие преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего, более подробного описания изобретения.

Краткое описание чертежей Фиг. 1 - вид в разрезе части одного типа реактора для производства печной углеродной сажи, который можно применять для получения углеродной сажи в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 - гистограмма весовой доли агрегатов образца углеродной сажи в зависимости от диаметра согласно Стоксу в данном образце.

Подробное описание изобретения Аналитические характеристики каждого из девяти классов углеродной сажи в соответствии с настоящим изобретением указаны в таблице 1.

Углеродную сажу в соответствии с настоящим изобретением можно получить в модульном, так называемом "ступенчатом" реакторе для производства углеродной сажи. Вид в разрезе типичного модульного реактора, который можно применять для производства углеродной сажи в соответствии с настоящим изобретением, представлен на фиг. 1. Другие данные типичного модульного реактора для производства углеродной сажи можно найти, например, в описании патента США N 3922335, который указан здесь в качестве ссылки.

Реактор для производства углеродной сажи, который особенно хорошо подходит для получения углеродной сажи в соответствии с настоящим изобретением, описан в заявке США серийный номер 07/818943, поданной 10 января 1992 г. данным заявителем и указанной здесь для ссылки.

Углеродную сажу в описанных здесь примерах получали способом, раскрытым в заявке США' 943.

В заявке' 943 описан способ получения углеродной сажи, согласно которому в реакционную зону многоступенчатого реактора добавляют вспомогательный углеводород, при этом первичное и полное сгорание в реакции регулируют так, чтобы SSI процесса составляла меньше, чем ноль. SSI процесса можно определить по следующим уравнениям: где ; ;
(DВР)_mf- изменение в значении адсорбции дибутилфталата (DBPA) углеродной сажи из-за изменения скорости течения сырья, расхода сырья, тогда как все другие рабочие условия постоянные;
(иодное число)_ah - изменение в иодном числе углеродной сажи из-за изменения расхода сырья; все другие рабочие условия процесса постоянные;
(DBP)_ah - изменение в DBPA углеродной сажи вследствие изменения расхода дополнительного углерода, тогда как все другие рабочие условия процесса остаются постоянными; и
(иодное число)_ah - изменение показателя адсорбции иода углеродной сажи вследствие изменения расхода дополнительного углеводорода, тогда как все другие рабочие условия процесса остаются постоянными.

"Дополнительный углеводород" содержит водород или любой углеводород, имеющий молярное отношение водорода к углероду больше, чем молярное отношение водорода к углероду в исходном сырье.

Как показано на фиг. 1, углеродную сажу в соответствии с настоящим изобретением можно получить в реакторе 2 для производства печной углеродной сажи, имеющем зону 10 горения, которая включает в себя зону конвергентного диаметра 11, переходную зону 12, входную секцию 18 и реакционную зону 19. Диаметр зоны горения 10 до точки, где начинается зона конвергентного диаметра 11, обозначен как D-1; диаметр зоны 12 - как D-2; диаметры ступенчатой входной секции 18 - как D4, D5, D6, D7, а диаметр зоны 19 - как D-3. Длина зоны горения 10 вплоть до точки, где начинается зона конвергентного диаметра 11, обозначена как L-1; длина зоны конвергентного диаметра - L-2, длина переходной зоны - L-3 и длины ступеней во входной секции 18 реактора обозначены как L4, L5, L6 и L7.

Для получения углеродной сажи в зоне горения 10 образуются горячие дымовые газы при контакте жидкого или газообразного топлива с потоком соответствующего окислителя, например воздуха, кислорода, смеси воздуха и кислорода или т.п. Среди топлив, пригодных для контакта потока окислителя в зоне горения 10 для образования горячих дымовых газов, могут быть любые горючий газ, пар или потоки жидкости, например, природного газа, водорода, окиси углерода, метана, ацетилена, спирта или керосина. Однако обычно предпочтительно применять топлива, имеющие высокое содержание углеродсодержащих компонентов, в частности углеводороды. Отношение содержания воздуха к природному газу, используемому для производства углеродной сажи в соответствии с настоящим изобретением, может предпочтительно составлять от примерно 10:1 до примерно 100:1. Для упрощения образования горячих дымовых газов поток окислителя можно предварительно нагревать.

Поток горячих дымовых газов проходит вниз по течению из зон 10 и 11 в зоны 12, 18 и 19. Направление потока горячих дымовых газов обозначено на фигуре стрелкой. Исходное сырье 30 для производства углеродной сажи вводят в точке 32 (расположена в зоне 12) и-или в точке 70 (расположена в зоне 11). Соответствующими материалами для применения здесь в качестве углеводородного исходного сырья для производства углеродной сажи, которые легко улетучиваются в условиях реакции, являются ненасыщенные углеводороды, например, ацетилен, олефины, например этилен, пропилен, бутилен; ароматические углеводороды, например бензол, толуол и ксилол; определенные насыщенные углеводороды и другие углеводороды, например керосины, нафталины, терпены, этиленовые смолы, ароматические циклические углеводороды и т.п.

Расстояние от конца зоны конвергентного диаметра 11 до точки 32 обозначено как P-1. Обычно исходное сырье 30 для производства углеродной сажи вводят в виде множества потоков, которые проходят во внутренние зоны потока горячих дымовых газов для обеспечения высокой степени смешения и сдвига исходного сырья исходных материалов посредством горячих дымовых газов для ускорения полного разложения и превращения исходного сырья в углеродную сажу.

Вспомогательный углеводород вводят в точке 70 через зонд 72 или каналы 75 для вспомогательного углеводорода в стенках, которые образуют границы зоны 12 процесса образования сажи, или через каналы 76 для вспомогательного углеводорода, выполненные в стенках, образующих границы зон 18 и/или 19 в процессе производства углеродной сажи. Дополнительный углеводород можно вводить в любом месте между точкой, расположенной сразу после начальной реакции сжигания топлива на первой ступени, и точкой, расположенной сразу до завершения образования углеродной сажи, при условии, что не вступивший в реакцию дополнительный углеводород входит в конце концов в реакционную зону.

Расстояние от точки 32 до точки 70 обозначено как H-1.

В описанных здесь примерах дополнительный углеводород вводили через три или четыре отверстия в одной осевой плоскости с потоками исходного сырья для производства углеродной сажи. Отверстия расположены попеременно - одно для исходного сырья, другие для дополнительного углеводорода, причем они равномерно разнесены по наружной периферии секции 12. Однако, как можно увидеть, это просто пример, который не ограничивает способы ввода дополнительного углеводорода.

Смесь исходного сырья для производства углеродной сажи и горячих дымовых газов проходит вниз по течению через зону 12 в зону 18 и затем в зону 19. Охлаждающий сборник 60, установленный в точке 62, для ввода охлаждающей жидкости 50, в качестве которой может быть вода, применяют для прекращения химической реакции, когда образуется углеродная сажа. Любым известным способом можно определить точку 62 для выбора положения охлаждающего сборника для прекращения пиролиза. Один способ определения положения охлаждающего сборника для прекращения пиролиза - это определение точки, в которой достигается допустимый уровень извлечения толуола для углеродной сажи. Уровень извлечения толуола можно измерить испытанием D1618-82 ASTM "Экстрагируемые вещества углеродной сажи - изменение цвета толуола". Q представляет собой расстояние от начала зоны 18 до точки 32 резкого охлаждения, причем это расстояние будет изменяться в зависимости от положения охлаждающего сборника 60.

После резкого охлаждения смеси горячих дымовых газов и исходного сырья для производства углеродной сажи охлажденные газы проходят вниз по течению в любое известное средство охлаждения и разделения, таким образом извлекают углеродную сажу. Отделение сажи от потока газов легко достигается посредством обычного средства, например осадителя, циклонного сепаратора или мешочного фильтра. За этим разделением может последовать грануляция с применением, например, устройства для грануляции мокрым методом.

Для оценки аналитических и физических свойств углеродной сажи в соответствии с настоящим изобретением применяют следующие методы испытания.

Иодное адсорбционное число углеродной сажи (I₂No) определили методом испытания D1510 ASTM. Красящую способность (Tint) углеродной сажи определили в соответствии с методом испытания D3265-85a ASTM. Число DBP (значение дибутилфталата) для углеродной сажи определили согласно методу ASTM D3493-86. Степень поглощения цетил-триметилбромида аммония (CTAB) углеродной сажей определили в соответствии с методом испытания ASTM D3766-85.

Диаметр (D_mode) и диаметр (S_st) углеродной сажи определяли по гистограмме весовой доли углеродной сажи в зависимости от диаметра, выраженного по Стоксу, агрегатов углеродной сажи, как показано на фиг. 2. Данные, применяемые для составления гистограммы, были получены при применении дисковой центрифуги, например, фирмы Джойс Лоебл Ко., Лимитед ов Тайн энд Уиэр, Великобритания. Следующий способ представляет собой усовершенствование способа, описанного в руководстве ДСГ 4.008 по эксплуатации дисковой центрифуги фирмы Джойс Лоебл, опубликованном 1 февраля 1985 г., который указан здесь для справки и которое используют в определении данных.

Метод заключается в следующем
10 мг (миллиграмм) образца углеродной сажи взвешивают во взвешивающем сосуде, затем добавляют к 50 куб. см. раствора 10% абсолютного этанола и 90% дистиллированной воды, в который добавляют 0,05% поверхностно-активного вещества NONIDET P-40 (торговая марка для поверхностно-активного вещества, поставляемого фирмой Шелл Кемикал Ко.). Полученную суспензию диспергируют посредством ультразвуковой энергии в течение 15 минут с применением ультразвукового устройства Sonifier модели W385, изготовленного и поставляемого фирмой Хит Система Ультразоникс Инк., Фармингдейл, Нью-Йорк.

До начала работы дисковой центрифуги вводят следующие данные в компьютер, который записывает данные дисковой центрифуги:
1. удельный вес углеродной сажи, выраженный как 1,86 г/куб.см;
2. объем раствора углеродной сажи, диспергированной в растворе воды и этанола, количество которого составляет в этом случае 0,5 куб.см;
3. объем жидкости для центрифугового формования, который в этом случае составляет 10 куб.см воды;
4. вязкость жидкости для центрифугового формования 0,933 сантипуаза при температуре 23^oC;
5. плотность жидкости для центрифугового формования 0,9975 г/куб. см при температуре 23^oC;
6. скорость диска 8000 об/мин;
7. интервал выборки данных, который в этом случае составляет 1 секунду.

Дисковая центрифуга работает со скоростью 8000 об/мин, при этом действует стробоскоп. Во вращающийся диск центрифуги вводят 10 куб.см. дистиллированной воды в качестве среды для формования. Уровень мутности установлен на 0; в качестве буферной жидкости вводят 1 куб.см. раствора 10% абсолютного этанола и 90% дистиллированной воды. Затем нажимают на кнопки повышения и понижения скорости дисковой центрифуги для создания плавного градиента в концентрации между жидкостью для формования и буферной жидкостью, при этом градиент контролируют визуально.

Когда градиент становится плавным так, что отсутствует различимая граница между двумя жидкостями, вводят 0,5 куб.см диспергированной сажи в водном растворе этанола в дисковую центрифугу и сразу же начинают сбор данных. Если происходит течение, работа прекращается. Диск вращается в течение 20 минут после ввода диспергированной сажи в водном растворе этанола. После вращения в течение 20 минут диск останавливают, измеряют температуру жидкости для формования и среднее значение температуры жидкости для формования, измеренную вначале работы, и температуру жидкости, измеренную в конце работы, вводят в компьютер, который записывает данные дисковой центрифуги. Данные анализируют согласно стандартному уравнению Стокса, и их представляют с использованием следующих определений:
агрегат углеродной сажи
- дискретный жесткий коллоидный объект, который представляет собой наименьшую диспергируемую структурную единицу, причем агрегат состоит из сильно слипаемых частиц;
диаметр по уравнению Стокса
- это диаметр сферы, которая осаждается в вязкой среде в центробежном или гравитационном поле согласно уравнению Стокса, несферический объект, например агрегат углеродной сажи, можно также представить в значениях диаметра согласно уравнению Стокса, если считать, что он ведет себя как гладкая жесткая сфера одинаковой плотности, а скорость осаждения - как объект, обычные единицы выражены как диаметр в нанометрах;
мода (D_mode для целей сообщения)
- диаметр согласно уравнению Стокса в точке пика (в данном случае точка A на фиг. 2) на кривой распределения для диаметра Стокса.

Среднее значение диаметра Стокса (D_st - для целей сообщения) - точка на кривой распределения диаметра Стокса, где 50% по массе образца - большая либо малая. Таким образом он представляет среднее значение определения.

Модули упругости при растяжении и удлинении композиций EPDM были измерены методом ASTM D412-87.

Твердость по Шору A композиций EPDM определили методом D-2240-86 ASTM.

Данные упругого отскока композиций EPDM были определены в соответствии с методом D1054 ASTM, применяя прибор модели 5109, изготовленный фирмой Цвик ов Америка, Инк., почтовый ящик 997, Ист Виндзор, Коннектикут 06088, который предназначен для испытания на упругий отскок. К прибору приложена инструкция для определения значения упругого отскока.

Усадку при сжатии композиций EPDM определили методом ASTM D395, согласно которому материал испытывали при температуре 150^oF (65,56^oC) в течение 70 часов.

Усадку при экструдировании композиций EPDM определили согласно методу ASTM D-3674. Усадку при экструдировании измеряли на экструдере Брабендер при температуре 100^oC и скорости 50 об/мин, применяя экструзионную головку диаметром 5 мм.

Вязкость композиции EPDM определили методом ASTM D-1646 с применением капиллярного реометра Монсанто МРТ, поддерживаемого при температуре 100^oC, имеющего головку с отношением длины к диаметру L/D' = 16 и D=0,0787 мм. Скорость двига составляла 10-150 л/сек.

Энергия смешения представляет собой общее количество энергии, заложенной в композиции, которое определяют путем интегрирования кривой крутящего момента при смешении в процессе цикла смешения, который будет описан.

Характеристики вулканизации композиций EPDM были измерены с применением прибора Монсанто MDR для определения характеристик отверждения, который поддерживали при температуре 160^oC. Время для достижения 90% реакции вулканизации (t'90), общее изменение в крутящем моменте во время реакции вулканизации (L) и показатель скорости вулканизации (CR1; CR1=1/(t'90-ts1)100, где ts1 -время, когда уровень крутящего момента на 1 единицу выше минимального крутящего момента (ts1 также определяют как время преждевременной вулканизации) указаны для примера композиций EPDM. Испытания проводили в соответствии с инструкцией, приложенной к прибору Монсанто MDR для испытания на вулканизацию.

Удельное сопротивление композиций измеряли на образцах 2 в виде пластин шириной 2 дюйма х 6 дюймов длины х 0,085 дюйма толщины (50,8 мм х 152,4 мм х 21,8 мм). Пластины покрасили на обоих концах толщиной примерно половины дюйма (12,7 мм) серебряной краской. Образец привели к требуемым условиям для получения устойчивого показания путем циклического изменения температуры от комнатной температуры до 100^oC и назад до комнатной температуры с последующим старением при 90^oC в течение 24 часов. Стабилизированное сопротивление измеряли в конце цикла старения и еще раз после охлаждения образца до комнатной температуры.

Эффективность и преимущества настоящего изобретения будут дополнительно проиллюстрированы следующими примерами.

Примеры 1-8.

Примеры углеродной сажи класса в соответствии с настоящим изобретением были получены в описанном выше реакторе, который показан на фиг. 1, с использованием условий и геометрии реактора, указанных в таблице 3. В качестве топлива в реакции горения применяли природный газ. В качестве применяемого дополнительного углеводорода был также природный газ. Жидкое исходное сырье имело свойства, указанные в таблице 2.

Геометрия и условия реактора указаны ниже в таблице 3.

HC - углеводород.

Сажу, полученную в примерах 1-8, затем анализировали в соответствии с описанными способами. Аналитические свойства углеродной сажи указаны в таблице 4.

Эту углеродную сажу и четыре контрольных образца углеродной сажи использовали в следующих примерах. Применяемые четыре (А-D) контрольных образца сажи имели аналитические свойства, показанные в таблице 5.

Пример 9.

Углеродную сажу в соответствии с настоящим изобретением, полученную в примерах 1-8, добавили в композиции EPDM (этиленпропилендиен-полиметилен) и сравнили с композициями EPDM, включающими в себя четыре типа контрольной сажи. Композиции EPDM приготовили с использованием каждого образца углеродной сажи в количестве 200 частей по массе в составе композиции EPDM, указанном в таблице 6.

ЕРDМ-ЕXXON VIST-AL-ON 5600- продукт фирмы Эксон Корпорейшн, Хьюстон, Техас,
Sunpar 2280 - торговая марка масла, производимого и продаваемого фирмой Сан Оил Компани,
TMTDS - тетраметилтиурамдисульфид,
Butyl Zimate - торговая марка продукта - цинкдибутилдитиокарбамат, производимого и поставляемого фирмой Р.Т. Вандербилт Ко.,
Methyl Zimate - торговая марка продукта - цинкдиметилдитиокарбамат-, производимого и поставляемого фирмой Р.Т.Вандербилт Ко.,
Sulfasan R - торговая марка 4,4'-дитиодиморфолина, производимого и поставляемого фирмой Монсанто Ко., Луис, Миссури.

Композиции EPDM были получены следующим образом.

Включили мешалку модели Banbury BR и поддерживали ее при температуре 45^oC и скорости вращения ротора 77 об/мин. В смеситель добавили EPDM и смешивали в течение примерно 30 секунд. В EPDM добавили масло Sunpаr 2280, окись цинка и стеариновую кислоту и смешивали в течение примерно 2 дополнительных минут. В смесь добавили углеродную сажу, температуру в смесительной камере уменьшили и поддерживали ее ниже примерно 135^oC. Смесь EPDM, содержащую углеродную сажу, смешивали в течение примерно 4 1/2 минут и затем в смесь добавили вулканизирующие вещества TMIDS, Butyl Zimаte (цинкдибутилдитиокарбамат), Methyl Zimаte (цинкдиметилдитиокарбамат), серу и 4-дитиодиморфолин (Sulfаsаn R). Полученную смесь смешивали в течение примерно 1 1/2 минуты, при этом температуру поддерживали ниже примерно 135^oC. Затем из смесителя взяли порцию композиции, проанализировали описанным здесь способом.

Композиции EPDM, полученные с использованием углеродной сажи в соответствии с настоящим изобретением в описанных примерах 1-8, имели рабочие характеристики, указанные в таблице 7.

Были также оценены описанными способами композиции EPDM, включающие в себя контрольные образцы A-D углеродной сажи. Результаты представлены в таблицах 8-13, где проведены сравнения между композициями EPDM, содержащими углеродную сажу в соответствии с настоящим изобретением, и композициями EPDM, содержащими наиболее соответствующую контрольную сажу.

Результаты, представленные в таблице 8, показывают, что при уровне содержания углеродной сажи 200 частей на 100 частей каучука композиции EPDM, включающие в себя углеродную сажу в соответствии с настоящим изобретением, имеют низкую вязкость и низкую энергию смешения. Таким образом, композиции EPDM, включающие в себя углеродную сажу в соответствии с настоящим изобретением, обладают более лучшими технологическими свойствами, чем композиции EPDM, содержащие контрольную сажу.

Результаты, представленные в таблице 9, показывают преимущество использования углеродной сажи в соответствии с настоящим изобретением, в композиции EPDM для такого применения, где критическим требованием является удельное сопротивление. Как показано в таблице, при нагрузке 150 частей/100 частей каучука, которая типична для применения в охлаждающем шланге, композиция EPDM, включающая в себя углеродную сажу в соответствии с настоящим изобретением, имеет более высокое удельное сопротивление, чем композиция EPDM, содержащая контрольную сажу.

Также композиция EPDM, содержащая углеродную сажу в соответствии с настоящим изобретением, имеет более низкую вязкость и низкую энергию смешения, чем композиция EPDM, включающая в себя контрольную углеродную сажу. Это указывает на то, что композиции EPDM, включающие в себя углеродную сажу в соответствии с настоящим изобретением, будут иметь улучшенную способность к обработке, чем композиции EPDM, содержащие контрольную сажу.

Результаты, представленные в таблице 10, показывают, что усадка при сжатии композиции EPDM, содержащей углеродную сажу в соответствии с настоящим изобретением меньше, чем у композиции EPDM, включающей в себя контрольную сажу. Таким образом, композиция EPDM, содержащая сажу в соответствии с настоящим изобретением, более стойка к остаточной деформации. В результате композиции особенно пригодны для уплотнения, в частности для уплотнения дверей и прокладок для герметизации.

Результаты, представленные в таблице 11, показывают, что углеродная сажа в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает улучшенные свойства усиления, в частности более высокий модуль и высокую твердость, композициям EPDM в сравнении с термической углеродной сажей. Таким образом, углеродная сажа в соответствии с настоящим изобретением позволяет успешно заменить термическую сажу или смеси саж, содержащие термическую сажу, печной углеродной сажей.

Результаты, представленные в таблице 12, показывают, что углеродную сажу в соответствии с настоящим изобретением можно применять вместо смесей термической сажи и сажи типа SRF (полуусиливающая печная сажа) для обеспечения удовлетворительной степени рабочих характеристик. Композиции EPDM, включающие в себя углеродную сажу из примера 5, также демонстрируют профили, имеющие текстурированное матовое покрытие, когда их экструдируют или формуют.

Результаты, представленные в таблице 13, показывают, что композиция EPDM, включающая в себя сажу в соответствии с настоящим изобретением, имеет более высокую скорость экструзии, чем композиции EPDM, содержащие контрольную сажу. Таким образом, композиции EPDM, включающие в себя сажу в соответствии с настоящим изобретением, можно экструдировать с более высокой скоростью, чем композиции EPDM, содержащие контрольную сажу.

Композиция EPDM, включающая в себя сажу в соответствии с настоящим изобретением, имеет более низкую усадку при экструдировании и, следовательно, лучший размерный контроль во время операции экструдирования, чем композиции EPDM, содержащие контрольную сажу.

Эти результаты также показывают, что композиция EPDM, включающая в себя сажу в соответствии с настоящим изобретением, имеет хорошие физические свойства. Кроме того, сажа в соответствии с настоящим изобретением имеет уникальную комбинацию площади поверхности и структуры, таким образом, эту сажу можно использовать для приготовления композиций EPDM, которые должны вулканизировать при ультравысокой частоте.

Понятно, что описанные формы настоящего изобретения являются иллюстративными, и они не ограничивают объем изобретения.

Формула изобретения

1. Углеродная сажа, имеющая иодное число I₂No, равное 17 - 23 мг/г, и показатель адсорбции дибутилфталата ДВР, равный 115 - 150 см³/100 г.

2. Сажа по п.1, отличающаяся тем, что имеет иодное число I₂No, равное 20 мг/г.

3. Углеродная сажа, имеющая иодное число I₂No 10 - 19 мг/г и ДВР = 70 - 95 см³/100 г.

4. Углеродная сажа, имеющая иодное число I₂No 12 - 20 мг/г и ДВР = 34 - 65 см³/100 г.

5. Сажа по п.4, отличающаяся тем, что значение I₂No = 14 - 18 мг/г, а ДВР = 36 - 55 см³/100 г.

6. Сажа по п.5, отличающаяся тем, что ДВР = 36 - 42 см³/100 г.

7. Сажа по п.5, отличающаяся тем, что ДВР = 45 - 55 см³/100 г.

8. Углеродная сажа, имеющая иодное число I₂No 28 - 43 мг/г и показатель адсорбции дибутилфталата ДВР = 28 - 47 см³/100 г.

9. Сажа по п.8, отличающаяся тем, что иодное число равно 30 - 42 мг/г.

10. Углеродная сажа, имеющая иодное число I₂No = 8 - 32 мг/г, ДВР = 28 - 150 см³/100 г и М-отношение (М-Ratio), равное 1,25 - 2,00.

11. Углеродная сажа, имеющая иодное число I₂No = 33 - 70 мг/г, показатель адсорбции дибутилфталата ДВР = 28 - 60 см³/100 г и М-отношение (М-Ratio) = 1,25 - 2,00.

12. Углеродная сажа, имеющая иодное число I₂No = 42 - 50 мг/г, ДВР = 61 - 105 см³/100 г и М-отношение = 1,25 - 2,00.

13. Углеродная сажа, имеющая иодное число I₂No = 51 - 62 мг/г, ДВР = 61 - 125 см³/100 г и М-отношение = 1,25 - 2,00.

14. Углеродная сажа, имеющая иодное число I₂No = 63 - 70 мг/г, ДВР = 61 - 105 см³/100 г и М-отношение = 1,25 - 2,00.

15. Композиция, содержащая углеродную сажу и материал, выбранный из группы, состоящей из каучука и пластмассы, отличающаяся тем, что в качестве углеродной сажи она содержит сажу по одному из пп.1, 3, 4, 8, 10 - 14.

Приоритет по пунктам и признакам:
25.06.93 по пп. 1 - 11 и 15 по признакам углеродной сажи по одному из пп.1, 3, 4, 8, 10, 11;
27.08.92 по пп. 12 - 14 и 15 по признакам углеродной сажи по одному из пп. 12, 13, 14.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9