Способ получения сажи, продукт сажи и его использование

Способ получения сажи, продукт сажи и его использование

Реферат

 

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при получении наполнителей для пластмасс, бумаги, резиновых смесей, волокон и текстильных композиций. Сажу обрабатывают диазониевой солью, перемешивают, фильтруют, промывают и сушат. Обработку можно проводить в апротонной или протонной реакционной среде, например в воде, спирте и т.д. Диазониевую соль готовят заранее или в процессе обработки путем взаимодействия первичного амина с нитритом и кислотой или с водным раствором диоксида азота. Первичный амин может иметь общую формулу A_yArNH₂, где Аr - ароматический или гетероароматический радикал, А - заместитель на указанном радикале, например функциональная группа, линейный, разветвленный или циклический углеводородный радикал; у1. При у>1 А может быть одинаковым или различным. Обработку сажи можно проводить в грануляторе сухой или влажной грануляцией. Полученный продукт представляет собой сажу и химически связанную с ней органическую группу. Продукт в зависимости от состава органической группы проявляет различные свойства. 21 с. и 93 з.п. ф-лы, 35 табл.

Эта заявка является частично продолжающей патентной заявки США сер. N 08/356660, поданной 15 декабря 1944, на которую здесь ссылаются в качестве уровня техники.

Описание Область техники Данное изобретение относится к способу получения продуктов сажи. Способ включает взаимодействие диазониевой соли с сажей с получением продукта сажи, имеющего органическую группу, связанную с сажей. Данное изобретение также относится к новым продуктам сажи и их применениям.

Известный уровень техники На протяжении последних десятилетий предпринималось много попыток модифицировать поверхность сажи химическим путем. Хотя возможно нанесение физически адсорбированного вещества на поверхность сажи, необратимое изменение химии поверхности сажи является значительно более трудным.

Известно несколько способов химического изменения поверхности сажи и их используют коммерчески. Например, хорошо известно, что поверхность сажи можно окислить с помощью ряда обрабатывающих агентов. Для получения некоторых коммерческих продуктов используют окисление поверхности. Кроме того, известно сульфирование с использованием серной кислоты или хлорсульфоновой кислоты и галогенирование поверхности сажи. В Polym. Sci., Vol. 17, pp. 417-470, 1992 дан обзор Tsubakowa нескольких известных способов прививки полимеров к поверхности сажи. Смотри также Пат. США N 4014844, в котором сообщается о прививке полимеров к саже путем контактирования сажи с полимером и нагревания.

В Пат. США N 3479300 описываются каталитические композиции на основе углерода и способ их получения. Эти каталитические композиции получают путем обработки частиц углерода щелочным или щелочно-земельным металлом и в дальнейшем обработкой полученной углерод/металл композиции сольватирующим эфиром. Углеродные части каталитических композиций могут быть подвергнуты взаимодействию с различными реагентами, включая органические соединения, с получением углеродных композиций.

В пат. США N 3043708 описываются модифицированные углеродные сажи, имеющие углеводородные группы, химически связанные с поверхностью сажи. Модифицированные сажи получают путем взаимодействия сажи с алкилирующим агентом в присутствии катализатора реакции типа Фиделя-Крафтса. Углеводородные группы, которые можно присоединить к поверхности сажи, включают алифатические и ароматические группы. Сообщается о модифицированной саже, содержащей арильные группы, связанные с поверхностью сажи, которую можно получить путем взаимодействия галогенированной сажи с ароматическим углеводородом в присутствии катализатора типа Фиделя-Крафтса. В Пат. США N 3 025 259 описываются резиновые смеси, содержащие модифицированные сажи, указанные в Пат. США N 3043708.

В Пат. США N 3335020 описываются модифицированные сажи, где сажу подвергают обработке бензолом, который затем полимеризуют на саже. Чтобы получить эти модифицированные сажи, бензол и сажу смешивают с катализатором-кислотой Льюиса в безводных условиях в течение приблизительно десяти минут. Бензол на саже затем полимеризуется в параполифенил посредством комбинации сокатализатор-окисляющий агент и при этом присоединяется к саже.

В Пат. США N N 2502254 и 2514236 описывается получение пигментов, содержащих сажу. В Пат. США N 2502254 сообщается, что можно получить высокодиспергированные пигменты, пригодные для пигментации вискозы в массе, путем генерирования азопигмента в присутствии сажи.

Пигмент получают путем связывания диазотированного амина и другого обычного интермедиата с желтым, оранжевым, или красным пигментом в присутствии сажи в одном или другом водных растворах, смешение в которых приводит к связыванию. В Пат. США N 2514236 сообщается, что этим способом можно также получить шоколадно-коричневый пигмент путем связывания одной молярной части бисдиазотированного бензидина с двумя молярными частями арилметил пиразолона в присутствии сажи.

В PCT патентной заявке N WO 92/13983 описывается способ модификации поверхностей углеродсодержащих материалов с помощью электрохимического восстановления солей диазония. Способ может быть применен, в частности, к углеродным пластинам и углеродным волокнам для композитных материалов. Описаны также углеродсодержащие материалы, модифицированные по данному способу. Электрохимическое восстановление диазониевых солей, содержащих функционалированные арильные радикалы с ковалентно модифицированными углеродными поверхностями, описано также Delmar et al., J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 5883-5884.

Согласно WO 92/13983, способ модификации поверхности углеродсодержащего материала состоит из прививки ароматической группы к поверхности этого материала путем электрохимического восстановления диазониевой соли, включающей эту ароматическую группу. Углеродсодержащий материал подвергают контакту с раствором диазониевой соли в апротонном растворителе и отрицательно заряжают в отношении анода, который также находится в контакте с раствором диазониевой соли. Использование протонного растворителя, как сообщается, препятствует электрохимическому процессу получения предполагаемого продукта в результате восстановления диазониевой тройной связи с образованием гидразина.

Несмотря на технологию, обсуждаемую выше, существует потребность в модификации поверхности сажи химическим путем и придании требуемых свойств саже.

Сущность изобретения В соответствии с этим, данное изобретение относится к способу получения продукта сажи, имеющего органическую группу, связанную с сажей. Один способ включает стадию взаимодействия, по крайней мере, одной диазониевой соли с сажей в отсутствии приложенного извне электрического тока, достаточного для восстановления диазониевой соли. Другой способ включает стадию взаимодействия, по крайней мере, одной диазониевой соли с сажей в протонной реакционной среде.

Другие варианты осуществления данного изобретения относятся к новым продуктам на основе сажи, которые могут быть получены по способу данного изобретения. Продукты сажи могут использоваться в тех же самых применениях, как обычные сажи. К таким применениям относятся, но ими не ограничиваются, пластичные композиции, водные чернила, водные покрытия, резиновые смеси, бумажные композиции, и текстильные композиции.

Описание, которое следует ниже, представляет дополнительные признаки и преимущества данного изобретения. Эти функции становятся очевидными из прилагаемого описания или могут быть извлечены из описанного практического применения данного изобретения. Цепи и другие преимущества можно реализовать и достигнуть благодаря способам, продуктам, и композициям, в частности, указанным в нижеследующем описании и прилагаемой формуле изобретения.

Детальное описание изобретения Способы получения продукта сажи Первый вариант осуществления данного изобретения обеспечивает способы получения продукта сажи, имеющего органическую группу, связанную с сажей. Один способ включает взаимодействие, по крайней мере, одной диазониевой соли с сажей в отсутствии прилагаемого извне электрического тока, достаточного для восстановления диазониевой соли. Т.е., взаимодействие между диазониевой солью и сажей протекает без внешнего источника электронов, достаточных для восстановления диазониевой соли. В данном способе изобретения могут использоваться смеси различных диазониевых солей. Этот способ можно осуществлять в ряде реакционных условий и в реакционной среде любого типа, включая как системы протонного растворителя, так и системы апротонного растворителя, или суспензии.

В другом способе, по крайней мере, одна диазониевая соль взаимодействует с сажей в протонной реакционной среде. В этом способе данного изобретения можно использовать смеси различных диазониевых солей. Этот способ может проводиться в ряде реакционных условий.

Предпочтительно, в обоих способах, диазониевую соль получают in situ. При необходимости, в любом способе, продукт сажи можно выделить и высушить способами, известными в данной области техники. Кроме того, полученный продукт сажи можно обработать, чтобы удалить примеси с помощью известных техник. Ниже обсуждаются различные варианты осуществления этих способов и они представлены в примерах.

В способах данного изобретения можно использовать любую сажу. Полученные продукты сажи находят такие же применения, как и обычные сажи. Свойства саж выбирают, исходя из предполагаемого применения. Более важно, что способы изобретения данного изобретения можно использовать для получения продуктов саж, имеющих полезные свойства, не ассоциированные со свойствами обычных саж.

Способы данного изобретения можно осуществлять в широком ряде условий и, в целом, они не ограничиваются каким-либо конкретным условием. Реакционные условия должны быть такими, в которых конкретная диазониевая соль была достаточно стабильной, для того, чтобы позволить ей взаимодействовать с сажей. Так, способы можно проводить в реакционных условиях, где диазониевая соль имеет короткий период жизни. Как иллюстрируют примеры ниже, реакция между диазониевой солью и сажей протекает, например, в широком диапазоне pH и температуры. Способы можно осуществлять при кислом, нейтральном и основном значении pH. Предпочтительно, pH варьируется в диапазоне от около 1 до 9. Температура реакции предпочтительно, варьируется от 0^oC до 100^oC.

Диазониевые соли, известные в данной области, можно получить, например, путем взаимодействия первичных аминов с водными растворами азотистой кислоты. Обзор диазониевых солей и способов их получения содержится в публикации Morrison and Boyd, Organic Chemistry, 5th Ed., pp. 973-983, (allyn and Bacon, Inc. 1987) abd March, Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms, and Structures, 4th Ed., (Wiley, 1992). Согласно данному изобретению, диазониевая соль представляет органическое соединение, имеющее одну или более диазониевых групп.

В способах данного изобретения, диазониевую соль можно получить до реакции с сажей или, более предпочтительно, ее можно генерировать in situ, используя техники, известные в данной области. Кроме того, in situ образование позволяет использование нестабильных диазониевых солей, таких, как алкил диазониевые соли, и позволяет избежать излишней манипуляции с диазониевой солью. В особенно предпочтительном способе данного изобретения, как азотистую кислоту, так и диазониевую соль генерируют in situ. Каждая из этих вариаций представлена в примерах ниже.

Диазониевую соль, как известно в данной области, можно получить взаимодействием первичного амина, нитрита и кислоты. Нитритом может быть нитрит любого металла, предпочтительно, нитрит лития, нитрит натрия, нитрит калия, или нитрит цинка, или любой органический нитрит, такой например, как изоамилнитрит или этилнитрит. Кислотой может быть любая кислота, неорганическая или органическая, которая эффективна в генерировании диазониевой соли. К предпочтительным кислотам относятся азотная кислота, HNO₃, хлористоводородная кислота, HCl, и серная кислота, H₂SO₄.

Кроме того, диазониевую кислоту можно генерировать путем взаимодействия первичного амина с водным раствором диоксида азота. Водный раствор диоксида азота, NO₂/H₂O, обеспечивает азотистую кислоту, необходимую для образования диазониевой соли.

Образование диазониевой соли в присутствии избытка HCl может быть менее предпочтительным, чем другие альтернативы, поскольку HCl является коррозирующей по отношению к нержавеющей стали. Образование диазониевой соли с помощью NO₂/H₂O имеет дополнительное преимущество, будучи менее коррозионным по отношению к нержавеющей стали или другим металлам, обычно используемым для реакционных сосудов. Образование с использованием H₂SO₄/NaNO₂ или HNO₂/NaNO₂ также относительно некоррозийно.

В целом, получение диазониевой соли из первичного амина, нитрита, и кислоты требует два эквивалента кислоты в расчете на количество используемого амина. In situ способе, диазониевую соль можно получить, используя один эквивалент кислоты. В том случае, когда первичный амин содержит сильную кислотную группу, добавление отдельной кислоты в способе данного изобретения необязательно. Кислая группа или группы первичного амина могут поставлять один или оба необходимых эквивалента кислоты. В том случае, когда первичный амин содержит сильную кислотную группу, в способе данного изобретения для генерирования диазониевой соли in situ, предпочтительно, либо не добавляют дополнительную кислоту, либо добавляют вплоть до одного эквивалента дополнительной кислоты. Можно использовать слабый избыток дополнительной кислоты. Одним примером такого первичного амина является пара-аминобензолсульфоновая кислота (сульфаниловая кислота). Другие представлены в примерах ниже. В общем, диазониевые соли термически нестабильны. Их обычно получают в растворе при низких температурах, таких, как 0-5^oC, и используют без выделения соли. Нагревание растворов не которых диазониевых солей может приводить к выделению азота и образованию либо соответствующих спиртов в кислых средах, либо органических свободных радикалов в щелочных средах.

Однако для осуществления способа данного изобретения, диазониевая соль должна быть достаточно стабильной для того, чтобы допустить ее взаимодействие с сажей. Таким образом, способы данного изобретения могут осуществляться с некоторыми диазониевыми солями, в другом отношении рассматриваемыми как нестабильные и подвергаемые разложению. Некоторые процессы разложения могут конкурировать с реакцией взаимодействия между сажей и диазониевой солью и могут уменьшить общее число органических групп, связанных с сажей. Кроме того, реакцию можно проводить при повышенных температурах, при которых многие диазониевые соли могут быть чувствительными к разложению. Повышенные температуры могут выгодно увеличивать растворимость диазониевой соли в реакционной среде и облегчать манипулирование с ней вовремя процесса. Однако, повышенные температуры могут приводить к некоторой потере диазониевой соли из-за других процессов разложения.

Способы данного изобретения можно осуществлять путем добавления реагентов, которые образуют диазониевую соль in situ, к суспензии сажи в реакционной среде, например, воде. Таким образом, суспензия сажи, подлежащая использованию, может уже содержать один или более реагентов, чтобы образовать диазониевую соль, и способ данного изобретения осуществляется путем добавления оставшихся реагентов. Несколько пермутирований таких способов представлены в примерах ниже.

Реакции, которые образуют диазониевую соль, совместимы с широким рядом функциональных групп, обычно имеющихся в органических соединениях. Таким образом, только пригодность диазониевой соли для реакции с сажей ограничивает способы данного изобретения.

Способы данного изобретения осуществляют в любой реакционной среде, которая допускает протекание реакции между диазониевой солью и сажей. Предпочтительно, чтобы реакционной средой была система, основанная на растворителе. Растворителем может быть протонный растворитель, апротонный растворитель, или смесь растворителей. Протонные растворители представляют растворители, подобные воде или метанолу, содержащие водород, соединенный с кислородом или азотом, и таким образом достаточно кислые для того, чтобы образовать водородные связи. Апротонные растворители представляют растворители, которые не содержат кислых водородов, как определено выше. К апротонным растворителям, относятся, например, растворители, такие как гексаны, тетрагидрофуран (ТГФ), ацетонитрил, и бензонитрил. Обсуждение протонных и апротонных растворителей смотри в публикации Morrison and Boyd, Organic Chemistry, 5th ed., pp. 228-231, (Allyn and Bacon, Inc. 1987).

Способы данного изобретения предпочтительно, проводят в протонной реакционной среде, т. е., в протонном растворителе одном или в смеси растворителей, которая содержит, по крайней мере, один протонный растворитель. Предпочтительными протонными средами являются, но ими не ограничиваются, вода, водные среды, содержащие воду и другие растворители, спирты, и любые среды, содержащие спирт, или смеси таких сред.

Согласно способам данного изобретения, взаимодействие между диазониевой солью и сажей происходит с любым типом сажи, например, в рыхлой или гранулированной форме. В одном варианте осуществления, направленном на уменьшение стоимости продукции, реакция происходит во время процесса получения гранул сажи. Например, продукт сажи данного изобретения можно получить в барабанной сушилке путем распыления раствора или суспензии диазониевой соли на сажу. Альтернативно, продукт сажи можно получать путем гранулирования сажи в присутствии системы растворителя, такой как вода, содержащей диазониевую соль или реагенты для генерирования диазониевой соли in situ. Предпочтительны водные системы растворителя. Соответственно, другой вариант осуществления данного изобретения обеспечивает способ получения гранулированной сажи, включающий стадии: введение сажи и водной суспензии или раствора диазониевой соли в гранулятор, взаимодействие диазониевой соли с сажей, сопровождающееся связыванием органической группы с сажей, и гранулирование полученной сажи, имеющей связанную органическую группу. Продукт - гранулированная сажа может быть затем подвергнут сушке с использованием обычных техник.

В общем, способы данного изобретения дают неорганические побочные продукты, такие как соли. В некоторых конечных приме нениях, таких как обсуждаются ниже, эти побочные продукты могут быть нежелательны. Имеются несколько возможных путей, которые дают возможность получить продукт сажи по способу данного изобретения, не содержащий нежелательных неорганических побочных продуктов, ими являются следующие: Первый, диазониевую соль можно очистить перед использованием путем удаления нежелательного неорганического побочного продукта, используя способы, известные в данной области. Второй, диазониевую соль можно генерировать, используя органический нитрит в качестве агента диазотирования, получая соответствующий спирт, а не неорганическую соль. Третий, когда диазониевую соль генерируют из амина, имеющего кислую группу, и водного NO₂, неорганических солей не образуется. Специалистам в данной области могут быть известны и другие пути.

Помимо неорганических побочных продуктов, способ данного изобретения может также давать органические побочные продукты. Их можно удалить, например, экстракцией органическими растворителями. Специалистам в данной области могут быть известны и другие способы их удаления.

Продукты сажи Реакция между диазониевой солью и сажей согласно способу данного изобретения приводит к образованию продукта сажи, имеющего органическую группу, связанную с сажей. Диазониевая соль может содержать органическую группу, подлежащую связыванию с сажей. Таким образом, данное изобретение относится к продуктам сажи, имеющим органическую группу, связанную с сажей, в частности, к продуктам, полученным по способу данного изобретения. Возможно получение продуктов сажи данного изобретения другими способами, известными специалистам в данной области.

Органическая группа может быть алифатической группой, циклической органической группой или органическим соединением, имеющим алифатическую часть и циклическую часть. Как обсуждалось выше, диазониевую соль, используемую в способах данного изобретения, можно получить из первичного амина, имеющего одну из этих групп и способного к образованию, даже скоротечно, диазониевой соли. Органическая группа может быть замещенной или незамещенной, разветвленной или неразветвленной. К алифатическим группам относятся, например, группы, получаемые из алканов, алкенов, спиртов, простых эфиров, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и углеводов. Циклическими органическими группами являются, но ими не ограничиваются, алициклические углеводородные группы (например, циклоалкилы, циклоалкенилы), гетероциклические углеводородные группы (например, пирролидинил, пирролинил, пиперидинил, морфолинил и т.п.), арильные группы (например, фенил, нафтил, антраценил и т.п.), и гетероарильные группы (имидазолил, пиразолил, пиридинил, тиенил, тиазолил, фурил, индолил и т.п.). По мере того, как стерическое затруднение замещенных органических групп увеличивается, число органических групп, связанных с сажей, в результате реакции между диазолиниевой солью и сажей может уменьшаться.

В том случае, когда органическая группа является замещенной, она может содержать любую функциональную группу, совместимую с образованием диазониевой соли. Предпочтительные функциональные группы включают, но ими не ограничиваются, R, OR, COR, COOR, OCOR, карбоксилатные соли, такие как COOLi, COONa, COOK, COO^-NR₄⁺, галоген, CN, NR₂, SO₃H, сульфонатные соли, такие как SO₃Li, SO₃Na, SO₃K, SO₃^-NR₄⁺, OSO₃H, OSO₃^-, соли, NR(COR), CONR₂, OPO₃H₂ моноосновной или диосновной фосфатной соли PO₃H₂, фосфонатные соли, такие как PO₃HNa и PO₃Na₂, фосфатные соли, такие как OPO₃HNa и OPO₃Na₂, N=NR, N₂⁺X, NR₃⁺X^-, PR₃⁺X, S_kR, SSO₃H, SSO₃^- соли, SO₂HRR', SO₂SR, SNRR', SNQ, SO₂NQ, CO₂NQ, S-(1,4-пиперазиндиил)-SR, 2-(1,3-дитианил), 2-(1,3-дитиоланил), SOR и SO₂R. R и R', которые могут быть одинаковыми или отличными, являются, независимо, водородом, разветвленным или неразветвленным C₁-C₂₀ замещенным или незамещенным, насыщенным или ненасыщенным углеводородом, например, алкилом, алкенилом, алкинилом, замещенным или незамещенным арилом, замещенным или незамещенным гетероарилом, замещенным или незамещенным алкиларилом, или замещенным или незамещенным арилалкилом. Целое число k варьируется в диапазоне 1-8 и, предпочтительно, 2-4. Анион X^- является галогеном или его получают из минеральной или органической кислоты. Q представляет (CH₂)_w, (CH₂)_x(CH₂)_z, (CH₂)_xNR(CH₂)_z, или (CH₂)_xS(CH₂)_z, где w равно целому числу от 2 до 6 и x и z равны целым числам от 1 до 6.

Предпочтительной органической группой является ароматическая группа формулы A_yAr^-, которая соответствует первичному амину формулы A_yArNH₂. В этой формуле переменные имеют следующие обозначения: Ar представляет ароматический радикал, такой как арильная или гетероарильная группа. Предпочтительно, Ar выбирают из группы, состоящей из фенила, нафтила, антрила, фенатрила, бифенила, пиридила, бензотиадиазолила и бензотиазолила; A представляет заместитель на ароматическом радикале, независимо выбранном из предпочтительной функциональной группы, описанной выше, или A представляет линейный, разветвленный или циклический углеводородный радикал (предпочтительно, содержащий от 1 до 20 углеродных атомов), незамещенный или замещенный одной или более из вышеуказанных функциональных групп; и y равен целому числу от 0 до общего числа -CH радикалов в ароматическом радикале. Например, y равен целому числу от 1 до 5, когда Ar является фенилом, от 1 до 7, когда Ar является нафтилом, от 1 до 9, когда Аг является антраценилом, фенантренилом, или бифенилом, или от 1 до 4, когда Ar является пиридинилом.

В вышеупомянутой формуле, конкретными примерами R и R' являются NH₂-C₆H₄-, CH₂CH₂-C₆H₄-NH₂, CH₂-C₆H₄-NH₂, и C₆H₅.

Другим предпочтительным рядом органических групп, которые могут быть связаны с сажей, является ряд органических групп, замещенных ионной или способной к ионизации (ионизируемой) группой в качестве функциональной группы. Ионизируемая группа представляет группу, которая способна к образованию ионной группы в среде использования. Ионная группа может быть анионной группой или катионной группой, и ионизируемая группа может образовывать анион или катион.

Ионизируемые функциональные группы, образующие анионы, включают, например, кислотные группы или соли кислотных групп. Органические группы, поэтому, включают группы, получаемые из органических кислот. Предпочтительно, когда она содержит способную к ионизации группу, образующую анион, такая органическая группа имеет a) ароматическую группу и b) по крайней мере, одну кислотную группу, имеющую pK_a менее чем 11, или, по крайней мере, одну соль кислотной группы, имеющей pK_a менее чем 11, или смесь, по крайней мере, одной кислотной группы, имеющей pK_a менее чем 11, и, по крайней мере, одной соли кислотной группы, имеющей pK_a менее чем 11. pK_a кислотной группы относится к pK_a органической группы, в цепом, а не только к кислотному заместителю. Более предпочтительно, когда pK_a менее чем 10, и наиболее предпочтительно, менее чем 9. Предпочтительно, чтобы ароматическая группа органической группы была непосредственно связана с сажей. Ароматическая группа может быть также замещенной или незамещенной, например, алкильными группами. Более предпочтительно, когда органическая группа представляет собой фенильную или нафтильную группу, а кислотная группа является группой сульфоновой кислоты, группой сульфиновой кислоты, группой фосфоновой кислоты или группой карбоновой кислоты. Примеры этих кислотных групп и их солей обсуждены выше. Наиболее предпочтительно, когда органической группой является замещенная или незамещенная сульфофенильная группа или ее соль; замещенная или незамещенная (полисульфо)фенильная группа или ее соль; замещенная или незамещенная сульфонафтильная группа или ее соль; или замещенная или незамещенная (полисульфо)нафтильная группа или ее соль. Предпочтительной замещенной сульфофенильной группой является гидроксисульфофенильная группа или ее соль.

Конкретными органическими группами, имеющими ионизируемую функциональную группу, образующую анион (и их соответствующие первичные амины, используемые в способе согласно изобретению), являются п-сульфофенильная (п-сульфаниловая кислота), 4-гидрокси-3-сульфофенильная (2-гидрокси-5-амино-бензолсульфоновая кислота), и 2-сульфоэтильная (2-аминоэтансульфоновая кислота). Другие органические группы, имеющие ионизируемые функциональные группы, образующие анионы, представлены в примерах ниже.

Амины представляют собой примеры ионизируемых функциональных групп, которые образуюти катионные группы. Например, амины могут протонироваться с образованием аммониевых групп в кислых средах. Предпочтительно, когда органическая группа, имеющая аминовый заместитель, имеет pK_b менее чем 5. Группы четвертичного аммония (-NR₃⁺) и группы четвертичного фосфония (-PR₃⁺) также представляют собой примеры катионных групп. Предпочтительно, когда органическая группа содержит ароматическую группу, такую как фенильная или нафтильная группа, и группу четвертичного аммония или группу четвертичного фосфония. Предпочтительно, чтобы ароматическая группа была непосредственно связана с сажей. Кватернизованные циклические амины, и даже кватернизованные ароматические амины, также могут использоваться в качестве органической группы. Таким образом, N-замещенные пиридиниевые соединения, такие как N-метилпиридил, могут быть использованы в этом отношении. Примеры органических групп включают, но ими не ограничиваются, (C₅H₄N)C₂H₅⁺, C₆H₄(NC₅H₅)⁺, C₆H₄COCH₂N(CH₃)₃⁺, C₆H₄COCH₂(NC₅H₅)⁺, (C₅H₄N)CH₃⁺, и C₆H₄CH₂N(CH₃)₃⁺.

Преимущество продуктов сажи, имеющих связанную органическую группу, замещенную ионной или ионизируемой группой, заключается в том, что продукт сажи может иметь повышенную диспергируемость в воде по сравнению с соответствующей необработанной сажей. Как показано в примерах, диспергируемость в воде продукта сажи увеличивается по мере увеличения числа связанных с сажей органических групп, имеющих ионизируемую группу, или по мере увеличения числа ионизируемых групп, связанных с данной органической группой. Таким образом, увеличение числа ионизируемых групп, связанных с продуктом сажи, должно повышать его диспергируемость в воде и позволяет контролировать диспергируемость в воде до требуемого уровня. Следует заметить, что диспергируемость в воде продукта сажи, содержащего амин в качестве органической группы, связанной с сажей, можно повысить подкислением водной среды.

Поскольку диспергируемость в воде продуктов сажи зависит, до некоторой степени, от стабилизации заряда, предпочтительно, чтобы ионная сила водной среды составляла менее чем 0,1 молярной. Более предпочтительно, чтобы ионная сила составляла менее чем 0,01 молярной.

Когда получают такой диспергируемый в воде продукт сажи по способу данного изобретения, предпочтительно, чтобы ионные или ионизируемые группы были ионизованы в реакционной среде. Раствор полученного продукта или суспензию можно использовать как таковой или можно разбавить до использования. Альтернативно, продукт сажи можно высушить при помощи техник, используемых для обычных саж. Эти техники включают, но ими не ограничиваются, сушку в печах и вращающихся сушильных печах. Пересушивание, однако, может вызвать потерю в степени диспергируемости в воде.

Помимо диспергируемости в воде продукты сажи, имеющие органическую группу, замещенную ионной или ионизируемой группой, могут также диспергироваться в полярных органических растворителях, таких как диметилсульфоксид (ДМСО), и формамид. В спиртах, таких как метанол или этанол, использование комплексующих агентов, таких как краун эфиры, повышает диспергируемость продуктов сажи, имеющих органическую группу, содержащую соль металла кислотной группы.

Ароматические сульфиды заключают в себе другую группу предпочтительных органических групп. Продукты сажи, имеющие ароматические сульфидные группы, особенно полезны для резиновых смесей. Эти ароматические сульфиды могут быть представлены формулами Ar(CH₂)_qS_k(CH₂)_rAr' или A(CH₂)_qS_k(CH₂)_rAr'', где Ar и Ar' представляют, независимо, замещенную или незамещенную ариленовую или гетероарипеновую группы, Ar'' является арильной или гетероарильной группой, k равен 1-8 и q и r равны 0-4. Замещенные арильные группы могут включать замещенные алкиларильные группы. Предпочтительные ариленовые группы включают фениленовые группы, особенно п-фениленовые группы, или бензотиазолиленовые группы. Предпочтительные арильные группы включают фенил, нафтил и бензотиазолил. Число (атомов) присутствующей серы, определяемой k, колеблется от 2 до 4. Особенно предпочтительными ароматическими сульфидными группами являются бис-пара-(C₆H₄)-S₂-(C₆H₄)- и пара-(C₆H₄)-S₂-(C₆H₅). Диазониевые соли этих ароматических сульфидных групп можно удобно получать из их соответствующих первичных аминов. H₂N-Ar-S_k-Ar'-NH₂ или H₂N-Ar-S_k-Ar''.

Другим предпочтительным рядом органических групп, которые могут быть связаны с сажей, является ряд органических групп, имеющих аминофенил, такие как (C₆H₄)-NH₂, (C₆H₄)-CH₂-(C₆H₄)-NH₂, (C₆H₄)-SO₂-(C₆H₄)-NH₂. Применение продуктов сажи Продукты сажи данного изобретения могут использоваться в тех самых применениях, как обычные сажи. Органические группы, связанные с сажей, однако, могут быть использованы для модификации и улучшения свойств данной сажи для конкретного использования. При необходимости эти органические группы, связанные с сажей, могут быть химически изменены, используя способ, известный в данной области, в другие группы для практического использования. Например, кислотная группа может быть превращена в свою соль или амид.

Продукты сажи согласно изобретению были получены и оценены в ряде применений при использования. Эти применения включают, например, пластичные композиции, водные чернила, водные покрытия, резиновые смеси, бумажные композиции и текстильные композиции. В следующих абзацах описываются эти применения в общем виде и примеры каждого из них представлены ниже.

Продукты сажи данного изобретения могут использоваться в качестве пигментов или красителей в пластичном материале. Продукты сажи данного изобретения также можно использовать для придания проводимости веществу-пластику. Продукты сажи данного изобретения могут давать повышенную степень диспергирования или улучшенное качество диспергирования по сравнению с соответствующими необработанными сажами. Эти улучшения дают экономическое преимущество в производстве пластика и в ценности конечного продукта, соответственно. Как показано в примерах 47-62, использование продуктов сажи изобретения может улучшать ударную вязкость пластика. Таким образом, изобретение относится к улучшенной композиции пластика, включающей пластик и сажу, причем улучшение включает использование продукта сажи согласно изобретению.

Как и для обычных саж, продукты сажи можно использовать с рядом пластмасс, включая, но не ограничиваясь пластиками, изготовленными из термопластичных смол, термоотверждающихся смол, или конструкционными материалами, например, композитами. К типичным видам термопластичных смол относятся: (1) акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС, ABS) смолы; (2) ацетали; (3) акрилаты; (4) целлюлозные материалы; (5) хлорированные полиэфиры; (6) фторуглероды, такие как политетрафторэтилен (ПТФЭ, TFE), полихлортрифторэтилен (ПХТФЭ, CTFE), и фторированный этиленпропилен (ФЭП, FEP); нейлоны (полиамиды); (8) поликарбонаты; (9) полиэтилены (включая сополимеры); (10) полипропилены (включая сополимеры); (11) полистиролы; (12) винилы (поливинилхлорид); (13) термопластичные сложные полиэфиры, такие как полиэтилентерефталат или полибутилентерефталат; (14) сплавы полифениленовых эфиров; и смеси и сплавы вышеуказанных смол с модификаторами резины. Типичные термоотверждающиеся смолы включают: (1) алкиды; (2) аллилики (allylics); аминос (aminos) (меламин и мочевина); (4) эпоксиды; (5) производные фенола; (6) сложные полиэфиры; (7) силиконы; и (8) уретаны.

Обычно продукты сажи добавляют, подобно любому другому пигменту, к пластмассе, используемой для получения предварительно приготовляемой смеси (премикса) пластмассы. Это может делаться, например, при сухом смешении или на стадии расплава. Продукты сажи изобретения можно использовать в комбинации с другими обычными добавками в композициях пластиков. Согласно изобретению, термопластичные композиции включают, но ими не ограничиваются, любое вещество-пластик, изделие, изделия-товары, поверхность, ткань, лист и т.п. Например, вещества-пластики включают части для автоматики, шнуры для плавательных бассейнов, упаковочные материалы, и ряд других изделий для домашнего хозяйства и промышленных изделий.

Продукты сажи данного изобретения также используют в водных составах чернил. Обсужденные выше вододиспергируемые продукты сажи особенно предпочтительны для этого использования. Таким образом, изобретение обеспечивает улучшенную композицию для чернил, включающую воду и сажу, причем улучшение включае