[发明专利]炭黑、其生产方法及用途

说明书

炭黑的描述可见第4版的Ullmanns Enzyklopaedie der technischenChemie第14卷第663页至648页。

最重要的制备炭黑的方法是基于含碳的炭黑原料的氧化热解。此时，炭黑原料在氧气的存在下于高温下发生不完全的燃烧。这些工艺方法包括如炉炭黑法、气炭黑法和火焰炭黑法。通常，用多核芳香炭黑油作为炭黑原料。

在轮胎工业中，炭黑可作为制备橡胶混合物时的填充剂和增强剂。除了天然和/或合成橡胶外，橡胶混合物中一般还含有炭黑、矿物油、其他的助剂以及作为硫化剂的硫。

炭黑可以影响由这些橡胶混合物所生产的轮胎的抗磨能力、滚动阻力以及湿滑性能。用作轮胎胎面的橡胶混合物也叫做胎面混合物，要求其具有较高的抗磨能力，同时具有较低的滚动阻力，还要有较好的湿滑性能。滚动阻力低，车辆的燃料消耗也就低。

滚动阻力和湿滑性能受胎面混合物粘弹性质的影响。对于周期性的变形，粘弹性质可以用损耗系数tanδ来描述，而对于伸长或压缩，可以用弹性的动态模量|E^*|来描述。这两个量都大大依赖于温度。

胎面混合物的湿滑性能与0℃的损耗系数tanδ₀相关，而其滚动阻力则与60℃时的损耗系数tanδ₆₀相关。一般来说，低温时损耗系数越高，轮胎混合物的湿滑性能就越好。然而，为了降低滚动阻力，高温时损耗系数要尽可能的低。

抗磨能力和粘弹性质以及胎面混合物的损耗系数，基本上都是由所用的炭黑增强剂的性质决定的。

炭黑中对橡胶有活性作用的表面部分的重要指标是比表面，特别是CTAB表面积和STSA表面积。CTAB表面积或STSA表面积增加，抗磨能力和tanδ都增加。

其它重要的炭黑参数是DBP吸附，它可以定量衡量初始结构，而24M4-DBP吸附则可以衡量炭黑在经受机械应力后仍保留的残余结构。

对于胎面混合物来说，CTAB表面积在80～180m²/g之间、24M4-DBP吸附值在80～140ml/100g之间的炭黑是合适的。

已知ASTM炭黑不能如此影响损耗系数tanδ的温度依赖性，使得胎面混合物既具有较低的滚动阻力，同时又具有相同或更好的湿滑性能。大家知道，滚动阻力的降低直接与湿滑性能变差相关联。具有较低滚动阻力的炭黑叫做“低滞后”炭黑。

大家还知道，用硅石代替炭黑可以降低轮胎的滚动阻力(EP 0447066A1)。为了将硅石结合到橡胶的聚合物结构单元上，要使用硅烷偶联剂。含有硅石的橡胶混合物，其损耗系数tanδ₆₀可以降低至50％。

本发明的目的就是提供一种炭黑，它可以赋予天然橡胶、合成橡胶或混合橡胶的橡胶混合物以较低的滚动阻力，同时又改善其湿滑性能和抗磨能力。

本发明所提供的炭黑，其STSA表面积为20～180m²/g,24M4-DBP吸附值为40～140ml/100g,BET比表面为20～250m²/g，硅含量相对于其总重量为0.01～20wt％，其特征在于，橡胶混合物所具有的tanδ₀/tanδ₆₀的比值大于3.37-0.0068·STSA。

在本发明的一个实施方案中，除了硅外，炭黑还含有0.01～1wt％的氮。

硅是在制备过程中结合到炭黑聚集体中的。为达到这一目的，例如含硅的化合物可以混合到炭黑原料中。合适的含硅的化合物可以是有机硅化合物如有机硅烷、有机氯硅烷、硅氧烷和硅氮烷。特别是可以使用硅油、四氯化硅、硅氧烷和硅氮烷。优选使用硅烷和硅油。

起始化合物对于硅原子结合到炭黑聚集体中的影响很小。X-射线光电子谱(XPS)和二次离子质谱(SIMS)显示，硅原子是氧化性结合并分散于炭黑聚集体中的。氧化性结合主要由二氧化硅构成。其它的硅原子形成硅烷醇基团。尽管硅烷醇基团主要分布在炭黑聚集体的表面，二氧化硅却均匀地分散于炭黑聚集体的截面上。

在本发明的一个实施方案中，硅可以浓缩在炭黑聚集体的亚表面区域。

在结合到橡胶混合物中后，炭黑聚集体表面上的含硅基团会影响填充剂与橡胶高分子组份的相互作用。为了使炭黑的硅烷醇基团共价结合到混合物聚合物上，可以在橡胶混合物中加入双官能的硅烷作硅烷偶联剂，例如德古萨(Degussa)生产的Si69(双-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)-四元硫烷)。