[发明专利]具有宽聚集体尺寸分布和改进的分散性的炭质材料

说明书

对相关申请的参考

本申请要求2004年5月13日提交的第10/845,368号美国正式专利申请的权益，出于各种目的通过参考其整体而并入本文。

发明背景

炭黑是被制备的颗粒状的元素碳，应用于日常的无数产品中。例如，它是轮胎和其它机械橡胶物品的基本成分，提高了它们的强度、耐久性和整体性能。它也在例如印刷油墨水、油漆及塑料中用作染料。

用于橡胶的炭黑典型地用四字符的“N”或“S”数字识别，例如，NXXX或SXXX。该类别(级别)根据ASTM D1765确定。类别的第一个字符给出该炭黑对含有该炭黑的典型橡胶制剂的硫化速度的影响的某些指示。第二个字符给出该炭黑的平均表面积的信息。具有相同第二字符的炭黑列入以“00”结尾的系列，例如，N200系列。最后二个字符是任意赋值的。吸碘值(Iodine no.)(ASTM D1510，ISO 1304)是定义不同等级的表面积的主要指标。氮表面面积(NSA，ASTM D6556)和统计厚度表面积(STSA，ASTM D6556)现在更经常地用于表面积。N-二丁基邻苯二甲酸酯吸收(DBPA)(ASTM D2414，ISO 4656/1)(现在的吸油值，OAN，ASTM D2414)已经成为区分不同级别炭黑的主要结构指标。

炭黑的物理特征(形态学)，例如粒度和结构，影响各种加工特性及诸如轮胎等成品的性能特征，如轮胎胎面磨损、滚动阻力、热累积及抗撕裂性。因此，取决于轮胎的具体应用所需，不同级别的炭黑应用于不同的聚合物制剂。各种等级的炭黑也用于轮胎的各个部分，例如N100、N200及N300系列炭黑经常用于胎面，而N300、N500、N600及N700系列黑经常出现在侧壁和胎体。

炭黑的形态学特征例如包括粒度/细度、表面积、聚集体尺寸/结构、聚集体尺寸分布及聚集体形状。

粒度是测得的炭黑的初级颗粒的直径。炭黑的这些大致球形的颗粒的平均直径在纳米范围。粒度可以通过电子显微镜直接测量或者用间接的表面积测量来测量。平均粒度是决定炭黑的相对色强度和可分散性的重要因素。在同样的结构时，较小的粒度赋予更浓的颜色，并增加了分散的难度。细度是对颗粒尺寸的测量。

炭黑的表面积是粒度和孔隙率的函数。表面积用气液相吸附技术测定，并依赖于形成表面单分子层所需的吸附剂的量。氮表面面积(NSA，ASTM D6556)和统计厚度表面积(STSA，ASTM D6556)为比吸碘值(Iodine no.，ASTM D1510)更好的对真实表面积的度量，因为它们很少受到炭黑表面化学组成的影响。这些检测使用液氮，并基于起初的Brunauer、Emmett及Teller方法(BET)，但用多点检测以排除在微孔内的吸附。在最终的应用中，表面积反映了每单位重量炭黑可接触到橡胶分子的面积。虽然高表面积与高的强化水平相关联，但是以扩散和加工更困难并增加滞后作用为代价的。

炭黑颗粒接合形成较大的簇、聚集体，这是炭黑的可分散单元。聚集体尺寸在反应器内被控制。可以用电子显微镜或油吸附测量聚集体结构。具有相对大的聚集体的等级是高结构等级，它们体积较大，有更多的空隙空间，并且在给定的表面积上有高的油吸附。炭黑的结构由炭黑聚集体的形状和尺寸决定。高结构炭黑增加橡胶合成物的粘度、模量和传导性。高结构也减少了挤出物胀大(die swell)、负载能力，并改善了可分散性。较低结构炭黑显示较高的延伸率，并且增加的炭黑负载减小延伸率。如果炭黑的所有其它特征保持不变，窄的聚集体尺寸分布增加炭黑分散的难度，并降低弹性。