Газовые сажи с низким содержанием пау и способы их производства

Газовые сажи с низким содержанием пау и способы их производства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки создания изобретения

По настоящей заявке испрашивается приоритет согласно §119(e) статьи 35 Кодекса законов США предварительной заявке на патент США №60/864750, поданной 7 ноября 2006 года, которая включена здесь во всей ее полноте посредством ссылки.

Настоящее изобретение относится к газовым сажам, составам, содержащим газовые сажи, таким как эластомерные или резиновые составы, способам получения газовых саж, а также способам использования газовых саж.

Промышленно изготовленную газовую сажу получают пиролизом углеводородов при высоких температурах в контролируемых технологических условиях. В данных условиях следовые количества полиароматических углеводородов, также известных как ПАУ, образуются на поверхности газовой сажи.

Некоторые ПАУ потенциально оказывают неблагоприятные воздействия на здоровье. Хотя ПАУ, прилипшие к газовой саже, не могут непосредственно воздействовать на человеческий организм, как регулятивные органы ЕС, так и потребители принимают меры для уменьшения концентрации ПАУ в газовой саже (смотри Borm P.J. с сотр., Formation of PAH-DNA adducts after in vivo and vitro exposure of rats and lung cells to different commercial carbon blacks, Toxicology and Applied Pharmacology, 1 июня 2005; 205(2): 157-167). Недавние примеры включают:

- Введение в действие предписания ЕС 2007/19/ЕС, которое согласовывает правила, предъявляемые к пластмассам и изделиям, предназначенным для контакта с пищевыми продуктами. Предписание устанавливает содержание бензо(a)пирена в газовой саже на уровне 0,25 мг/кг. До введения данного предписания не существовало ограничения на содержание ПАУ в газовой саже.

- Введение в действие предписания ЕС 2005/69/ЕС, которое регулирует содержание ПАУ в маслах для наполнения, используемых для производства шин. Данное предписание не регулирует непосредственным образом содержание ПАУ в газовой саже; однако ЕС было решено ограничить содержание ПАУ в маслах для наполнения и смесях, используемых для производства шин, с целью понижения общего годового выделения ПАУ, чего требует протокол 1998 Соглашения 1979 по долговременному международному загрязнению воздуха стойкими органическими загрязняющими веществами.

Приведенные выше примеры демонстрируют увеличивающееся стремление к понижению содержания ПАУ в газовых сажах.

Хотя существует увеличивающееся стремление к понижению содержания ПАУ в газовых сажах, любое уменьшение ПАУ не должно сопровождаться ухудшением желаемых свойств газовой сажи в резине и других областях применения. Таким образом, желательно уменьшить концентрацию ПАУ в газовой саже без ухудшения свойств используемых в настоящее время газовых саж.

Сущность настоящего изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в разработке газовых саж с низким содержанием ПАУ.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в разработке газовых саж с низким содержанием ПАУ, которые сохраняют приемлемые физические свойства в резине и других областях применения.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в разработке способов производства газовых саж с низким содержанием ПАУ.

Дополнительная цель настоящего изобретения заключается в разработке газовых саж с желаемыми резиновыми свойствами и, в то же время, с низким содержанием ПАУ.

Дополнительные цели и преимущества настоящего изобретения будут частично приведены ниже в последующем описании и частично будут очевидны из описания, или их можно установить в ходе применения настоящего изобретения. Цели и другие преимущества настоящего изобретения будут осуществляться и достигаться при помощи элементов и сочетаний, особенно отмеченных в описании и приложенной формуле изобретения.

Для достижения этих и других преимуществ и в соответствии с целями настоящего изобретения, воплощенными и подробно описанными здесь, настоящее изобретение относится к газовой саже с низким содержанием ПАУ, таким как низкая общая концентрация определенной группы из 22 ПАУ (см. Фиг.1). В целях настоящего изобретения ПАУ22 представляет собой количество ПАУ, представленных на Фиг.1, за исключением бензо(j)флуорантрена, то есть бензо(а)антрацена, бензо(а)пирена, бензо(е)пирена, бензо(b)флуорантрена, бензо(k)флуорантрена, хризена, дибензо(a,h)антрацена, нафталина, аценафтилена, аценафтена, флуорена, фенантрена, антрацена, флуорантена, пирена, бензо(g,h,i)перилена, индено(1,2,3-cd)пирена, циклопента(с,d)пирена, бензо(g,h,i)флуорантена, перилена, антантрена и коронена. Помимо этого, для целей настоящего изобретения ПАУ8 представляет собой количество бензо(а)антрацена, бензо(а)пирена, бензо(е)пирена, бензо(b)флуорантрена, бензо(j)флуорантрена, бензо(k)флуорантрена, хризена и дибензо(a,h)антрацена. БаП относится к бензо(а)пирену. Например, газовая сажа может иметь низкую общую концентрацию 22 ПАУ порядка 500 м.д. или меньше, например, 300 м.д. или меньше, 100 м.д. или меньше, или 75 м.д. или меньше, или 30 м.д. или меньше.

Настоящее изобретение также относится к эластомерным или резиновым составам, содержащим по крайней мере одну газовую сажу по настоящему изобретению в эластомерном или резиновом составе вместе с по крайней мере одним эластомером, или полимером, или резиной.

Настоящее изобретение также относится к способу получения газовых саж с низкой общей концентрацией ПАУ, который включает стадию нагревания газовой сажи, достаточного для удаления по крайней мере части ПАУ из газовой сажи и/или экстракции газовой сажи растворителем для удаления по крайней мере части ПАУ из газовой сажи. Настоящее изобретение также относится к способу производства газовой сажи с низким содержанием ПАУ, при котором в ходе производства газовой сажи, включающего наличие горячего отходящего газа, содержащего газовую сажу и ПАУ, способ включает удаление горячего отходящего газа (или по крайней мере его части) с ПАУ из газовой сажи.

Необходимо понимать, что как приведенное выше общее описание, так и следующее подробное описание приведены в качестве примера и только для объяснения и предназначены для более детального объяснения настоящего изобретения, как указано в формуле изобретения.

Сопутствующие чертежи, которые включены в данную заявку и составляют ее часть, иллюстрируют некоторые варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой таблицу из 22 ПАУ (за исключением бензо(j)флуорантрена), которые для целей настоящего изобретения именуются как «ПАУ 22».

Фиг.2 представляет собой график, иллюстрирующий зависимость ПАУ 22 от температуры обработки.

Фиг.3 представляет собой столбцовую диаграмму, показывающую общее содержание ПАУ в трех образцах, один из которых имеет низкую общую концентрацию ПАУ.

Фиг.4 представляет собой столбцовую диаграмму, демонстрирующую сравнительные свойства резины для трех образцов.

Фиг.5 представляет собой схему, на которой приведен пример регенерационной системы циклонного типа.

Фиг.6A-C представляют собой графики, иллюстрирующие понижение содержания нафталина, коронена и общего содержания ПАУ 22, которые уменьшаются в газовой саже VULCAN 7H при различных температурах.

Подробное описание настоящего изобретения

Настоящее изобретение относится к газовым сажам с низким содержанием ПАУ, таким как низкое содержание ПАУ 22. Настоящее изобретение также относится к резиновым или эластомерным составам, содержащим по крайней мере одну газовую сажу по настоящему изобретению вместе с по крайней мере одним эластомером. Настоящее изобретение также относится к способам получения газовых саж по настоящему изобретению.

В по крайней мере одном варианте осуществления настоящего изобретения настоящее изобретение относится к газовой саже с низким содержанием ПАУ. Газовую сажу можно получить таким образом, что газовая сажа имеет низкое содержание ПАУ, или коммерчески доступную газовую сажу можно надлежащим образом обработать для удаления ПАУ, так что получатся газовые сажи с низким содержанием ПАУ. Газовая сажа по настоящему изобретению может иметь низкое содержание ПАУ в соответствии с любыми стандартными техническими характеристиками ASTM газовой сажи, например, по отношению к абсорбции йода, абсорбции дибутилфталата (DBPA), абсорбции дибутилфталата в измельченном состоянии (CDBPA), площади поверхности по цетилтриметиламмонийбромиду (CTAB), площади поверхности по азоту, статистической площади поверхностного слоя (STSA) и/или интенсивности окраски и подобному. Газовая сажа может быть газовой сажей в соответствии с техническими характеристиками ASTM, такой как газовая сажа N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358, N375, N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774, N787 и/или N990, которая обладает техническими характеристиками ASTM для конкретной газовой сажи N-серии. Газовая сажа может иметь значение STSA, лежащее в диапазоне от 20 м²/г до 150 м²/г или выше. Газовая сажа может быть любой газовой сажей типа ASTM с низким содержанием ПАУ, такая как от газовой сажи ASTM N110 до газовой сажи ASTM N990 и, более предпочтительно, от газовой сажи ASTM N110 до N500. Можно получить любую газовую сажу коммерческого качества с низким содержанием ПАУ и/или ее можно в последующем обработать так, чтобы она имела низкое содержание ПАУ, основываясь на настоящем изобретении. Газовая сажа может быть печной сажей, канальной сажей, ламповой сажей, термической сажей, ацетиленовой сажей, плазменной сажей, продуктом на основе углерода, содержащим кремнийсодержащие вещества и/или металлсодержащие вещества, и подобным.

В по крайней мере одном варианте осуществления изобретения настоящее изобретения относится к одной или более газовым сажам с низким содержанием ПАУ (в целях настоящего изобретения содержание ПАУ измеряется/проверяется при помощи способа, описанного в сборнике федеральных норм и правил 21 часть 17B федерального регистра FDA, т.62, №90, пятница, 9 мая 1997, включенного здесь во всей его полноте посредством ссылки) и, необязательно, способным приобретать по крайней мере одно выгодное механическое свойство в резиновой матрице или эластомерном составе. По крайней мере одно выгодное механическое свойство может быть одним или более свойствами из следующего списка:

- сопротивление истиранию (сдвиг 21%) - проверено в соответствии с патентом США 4995197;

- удлинение (%) - стандартные тестовые способы ASTM D 3191-02 для газовой сажи в бутадиен-стирольном каучуке - средства и способы оценки;

- предел прочности на разрыв (МПа) - стандартные тестовые способы ASTM D 3191-02 для газовой сажи в бутадиен-стирольном каучуке - средства и способы оценки;

- напряжение при удлинении на 100% (МПа) - стандартные тестовые способы ASTM D 3191-02 для газовой сажи в бутадиен-стирольном каучуке - средства и способы оценки;

- напряжение при удлинении на 300% (МПа) - стандартные тестовые способы ASTM D 3191-02 для газовой сажи в бутадиен-стирольном каучуке - средства и способы оценки;

- соотношение напряжения при удлинении на 300% и напряжения при удлинении на 100% (M300%/M100%) - стандартные тестовые способы ASTM D 3191-02 для газовой сажи в бутадиен-стирольном каучуке - средства и способы оценки;

- вулканизированная резина (%) - S.Wolff, M-J Wang, E-H Tan, Rubber Chem Techn, т.66, 163 (1993);

- максимальное значение тангенса дельта при 0°C, измеренное при помощи ARES/реометрического динамического спектрометра II (RDS II, Rheometrics, Inc., N.J.), работающего в режиме крутящего момента (деформация сдвига). Измерения проводили при 0°C для изменения натяжения с двойной амплитудой натяжения (ДАН), изменяющейся от 0,2 до 120%, при постоянной частоте в 10 Гц.

В одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения газовая сажа по настоящему изобретению может иметь низкое содержание ПАУ и по крайней мере одно из данных выгодных механических свойств, по крайней мере два, по крайней мере три, по крайней мере четыре, по крайней мере пять, по крайней мере шесть, по крайней мере семь и/или все восемь из данных выгодных механических свойств. Данные механические свойства измерены в соответствии с известными ASTM или опубликованными стандартами, которые указаны рядом с каждым из приведенных выше механических свойств.

В по крайней мере одном варианте осуществления настоящего изобретения настоящее изобретение относится к газовой саже с низким содержанием ПАУ, таким как низкое содержание ПАУ 22, где газовая сажа способна приобретать по крайней мере одно выгодное механическое свойство, как описано выше, где по крайней мере одно из данных механических свойств составляет в пределах 10% (например, в пределах 5%, в пределах 3%, в пределах 1%) от значения того же самого механического свойства того же самого типа газовой сажи с высоким содержанием ПАУ, таким как высокое содержание ПАУ 22. Высокое содержание ПАУ 22 может составлять, например, 600 м.д. или выше, например, от 600 м.д. до 1000 м.д. ПАУ 22. Газовая сажа по настоящему изобретению с низким содержанием ПАУ, способная приобретать по крайней мере одно выгодное механическое свойство в полимерной матрице в пределах 10% от значения того же самого механического свойства того же самого типа газовой сажи с высоким содержанием ПАУ, может обладать по крайней мере одним выгодным механическим свойством, по крайней мере двумя, по крайней мере тремя, по крайней мере четырьмя, по крайней мере пятью, по крайней мере шестью, по крайней мере семью и/или всеми восемью из данных выгодных механических свойств. Другими словами, настоящее изобретение способно обеспечить газовую сажу с низким содержанием ПАУ, таким как низкое содержание ПАУ 22, и все еще способную придавать по крайней мере сравнимые механические свойства или резиновые свойства полимерной матрице, такой как эластомерный состав, где под термином «сравнимые» подразумевается «в пределах 10%» (например, в пределах 5% или в пределах 1%) конкретного механического свойства.

В целях настоящего изобретения низкое содержание ПАУ включает или обозначается как низкое ПАУ 22. Как описано выше, ПАУ 22 представляет собой измерение количество ПАУ, как указано на Фиг.1 настоящей заявки. В целях настоящего изобретения низкое содержание ПАУ может быть определено как низкое ПАУ 22. Примеры подходящих количеств включают 500 м.д. или меньше, 400 м.д. или меньше, 300 м.д. или меньше, 200 м.д. или меньше, 150 м.д. или меньше, 125 м.д. или меньше, 100 м.д. или меньше, 75 м.д. или меньше, 50 м.д. или меньше, 25 м.д. или меньше по отношению к количеству ПАУ 22, присутствующему в газовой саже. Подходящие диапазоны включают от, приблизительно, 1 м.д. до, приблизительно, 500 м.д., от, приблизительно, 5 м.д. до, приблизительно, 500 м.д., от, приблизительно, 15 м.д. до, приблизительно, 500 м.д., от, приблизительно, 5 м.д. до, приблизительно, 50 м.д., от, приблизительно, 5 м.д. до, приблизительно, 100 м.д., от, приблизительно, 1 м.д. до, приблизительно, 100 м.д., от, приблизительно, 1 м.д. до, приблизительно, 30 м.д. по отношению к общему количеству ПАУ 22, присутствующему в газовой саже. Для любого из диапазонов или количеств, приведенных выше, нижний предел может быть 0,1 м.д., 1 м.д., 2 м.д., 5 м.д., 10 м.д. или 15 м.д. Диапазоны могут быть точными или примерными (например, «приблизительно 1 м.д.» и подобное). В по крайней мере одном варианте осуществления данные диапазоны м.д. могут относиться ко всем или некоторым номерам ПАУ (например, всем ПАУ или одному или более ПАУ). В целях настоящего изобретения ПАУ22 представляет собой количество ПАУ, представленных на Фиг.1, за исключением бензо(j)флуорантрена. Также ПАУ8 для целей настоящего изобретения представляет собой количество бензо(a)антрацена, бензо(a)пирена, бензо(e)пирена, бензо(b)флуорантрена, бензо(j)флуорантрена, бензо(k)флуорантрена, хризена и дибензо(a,h)антрацена. БаП относится к бензо(a)пирену.

В одном или более вариантах осуществления одна или более газовых саж по настоящему изобретению может иметь содержание ПАУ от, приблизительно, 0,15 до, приблизительно, 2 мкг/м², такое как от 0,2 до 1,5 мкг/м², или от 0,3 до 1,25 мкг/м², или от 0,4 до 1,0 мкг/м², и подобное.

В одном или более вариантах осуществления и, необязательно, в качестве отдельного варианта осуществления настоящее изобретение относится к газовой саже с низким содержанием ПАУ от, приблизительно, 0,15 до, приблизительно, 2 мкг/м², где указанное содержание ПАУ определяют на основе содержания ПАУ22, и, необязательно, газовая сажа может обладать любой одной или более характеристиками и/или свойствами, описанными здесь, и, необязательно, может быть частью полимерного или резинового состава (или другого состава), описанного здесь. Другие диапазоны включают от 0,2 до 1,5 мкг/м², или от 0,3 до 1,25 мкг/м², или от 0,4 до 1,0 мкг/м², и подобные.

В одном или более вариантах осуществления настоящее изобретение относится к газовой саже с низким содержанием ПАУ. Содержание ПАУ может быть определено и его предпочтительно определяют, основываясь на содержании ПАУ22, как показано здесь. Газовая сажа может представлять собой печную сажу или другие газовые сажи, описанные здесь. В одном или более вариантах осуществления газовая сажа с низким содержанием ПАУ характеризуется конкретным диапазоном STSA, конкретным отношением I₂No/STSA, а также конкретным содержанием ПАУ и, в некоторых случаях, конкретным диапазоном значений содержания DBP (дибутилфталата). В одном или более вариантах осуществления газовая сажа по настоящему изобретению может быть выбрана из одной или более следующих групп:

a) STSA: 110-250 м²/г

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 1,2-0,70

ПАУ: 400 м.д. или меньше

b) STSA: 80-110 м²/г

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 1,15-0,70

ПАУ: 30 м.д. или меньше

с) STSA: 65-75 м²/г

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 1,10-0,88

ПАУ: 500 м.д. или меньше

DBP: 115-125 мл/100 г

d) STSA: 65-80 м²/г

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 0,70-0,88

ПАУ: 500 м.д. или меньше

e) STSA: 1-35 м²/г

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 1,40-0,70

ПАУ: 50 м.д. или меньше, или

f) STSA: 70-90 м²/г

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 1,00-1,20

ПАУ: 50 м.д. или меньше

DBP: 60-80 мл/100 г, или

g) STSA: 87-95 м²/г

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 0,91-1,08

ПАУ: 100 м.д. или меньше

DBP: 109-119 мл/100 г.

Приведенные выше группы предоставляют конкретное сочетание свойств и содержания ПАУ, которые особенно полезны во множестве областей применения, включая резиновые или эластомерные составы (или другие составы) и подобные, не ограничиваясь ими.

Для каждой из групп от a) до g), приведенных выше, далее приведены примеры конкретных диапазонов, поддиапазонов и так далее, которые можно использовать.

a) STSA (м²/г): 110-200, 110-180, 110-175, 110-130, 115-250, 115-200, 115-180, 115-175, 120-250, 120-200, 120-175, 125-250; и/или

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 1,15-0,7, 1,2-0,7, 1,1-0,7, 1,0-0,7, 0,9-0,7, 1,0-0,8, 1,2-0,8, 1,2-0,9, 1,15-0,8; и/или

ПАУ (м.д): 350 или меньше, 300 или меньше, 250 или меньше, 200 или меньше, 50 или меньше, 1-150, 100 или меньше, 20 или меньше, 1-200, 5-200, 10-200, 10-100, 5-150, 5-100, 5-50, 1-50, 1-20, 1-10.

b) STSA (м²/г): 80-105, 80-100, 80-90, 82-110, 83-110, 83-105, 85-105, 90-110, 90-107, 83-100; и/или

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 1,10 или меньше, 1,15-0,7, 1,15-0,8, 1,10-0,75, 1,0-0,75, 1,15-0,85; и/или

ПАУ (м.д.): 1-20, 10 или меньше, 1-10, 5-30, 1-30, 3-30, 1-15, 1-25.

с) STSA (м²/г): 66-68, 67-75, 70-75, 68-72, 69-70, 70-74; и/или

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 1,1-0,89, 1,1-0,90, 1,1-0,90, 1,0-0,96, 1,0-0,95, 1,05-0,90; и/или

ПАУ (м.д.): 1-450, 400 или меньше, 350 или меньше, 300 или меньше, 250 или меньше, 200 или меньше, 175 или меньше, 150 или меньше, 125 или меньше, 100 или меньше, 75 или меньше, 55 или меньше, 45 или меньше, 1-5, 1-9, 1-8, 1-7, 1-6, 8 или меньше, 0,5-9.

Примером газовой сажи группы c) может быть газовая сажа N-351.

d) STSA (м²/г): 68-80, 70-80, 72-80, 70-77, 68-75, 72-80, 69-74; и/или

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 0,88-0,72, 0,85-0,72, 0,83-0,70, 0,85-0,7, 0,85-0,75; и/или

ПАУ (м.д): 400 или меньше, 200 или меньше, 150 или меньше, 1-100, 50 или меньше, 20 или меньше, 1-500, 1-400, 1-300, 1-200, 0,5-100, 0,5-50, 1-30, 1-25, 1-20, 1-10, 0,5-10, 0,5-5.

e) STSA (м²/г): 1-30, 3-25, 5-20, 7-20, 7-30, 2-20, 2-15; и/или

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 1,3 или меньше, 1,2 или меньше, 1,15 или меньше, 1,10 или меньше, 1,0 или меньше, 0,9 или меньше, 1,4-0,7, 1,3-0,7, 1,25-0,7, 1,2-0,7, 1,15-0,7, 0,9-0,7, 0,95-0,7, 0,75-0,7; и/или

ПАУ (м.д.): 1-20, 20 или меньше, 1-50, 1-40, 1-30, 1-20, 1-10, 0,5-5, 3-50, 3-25.

f) STSA (м²/г): 70-87, 70-85, 73-90, 73-85, 73-80, 72-77; и/или

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 1,0-1,15, 1-1,1, 1,05-1,2, 1,05-1,15; и/или

ПАУ (м.д.): 20 или меньше, 10 или меньше, 1-20, 1-50, 1-40, 1-30, 1-20, 1-10, 0,5-5, 3-50, 3-25; и/или

DBP (мл/100 г): 65-80, 70-80, 72-80, 65-78, 68-77, 69-76.

Примером газовой сажи группы f) может быть газовая сажа N-326.

g) STSA (м²/г): 90-95, 89-94, 90-94; и/или

I₂No(мг/г)/STSA(м²/г): 0,92-1,07, 0,94-1,05, 0,96-1,03, 0,97-1,00; и/или

ПАУ (м.д.): 80 или меньше, 60 или меньше, 50 или меньше, 40 или меньше, 30 или меньше, 20 или меньше, 10 или меньше, 1-20, 1-50, 1-40, 1-30, 1-20, 1-10, 0,5-5, 3-50, 3-25; и/или

DBP (мл/100 г): 110-115, 112-114, 111-118, 113-117.

Примером газовой сажи группы g) может быть газовая сажа N-375.

Необязательно, в дополнение к содержанию ПАУ22 или отдельно, ПАУ8 для газовой сажи группы a) может составлять 15 м.д. или меньше (например, 12 м.д. или меньше, от 0,5 м.д. до 10 м.д., от 1 м.д. до 5 м.д., 5 м.д. или меньше). В дополнение или в качестве альтернативы содержание БаП может составлять 4 м.д. или меньше (от 0,1 м.д. до 4 м.д., от 0,5 м.д. до 3 м.д.). Газовые сажи по настоящему изобретению могут иметь в равной степени более низкое ПАУ8 и, в общем случае, могут иметь ПАУ8, которое по крайней мере на 50% (например, от 50% до 80%) меньше описанных здесь значений ПАУ 22. Более того, содержание БаП для газовых саж, как правило, может быть по крайней мере на 75% (например, от 75% до 95%) меньше описанных здесь значений ПАУ22.

В по крайней мере одном варианте осуществления настоящего изобретения газовая сажа по настоящему изобретению может быть газовой сажей для использования в производстве резины или шин в том смысле, в котором данный термин понимается в промышленности. Газовая сажа по настоящему изобретению по крайней мере в одном варианте его осуществления может иметь значение STSA (м²/г), составляющее от, приблизительно, 20 м²/г до 200 м²/г, или от, приблизительно, 20 м²/г до 150 м²/г, или от, приблизительно, 80 до, приблизительно, 140 м²/г. Например, значение STSA может быть от, приблизительно, 80 до, приблизительно, 100 м²/г или от, приблизительно, 80 до, приблизительно, 90 м²/г. В качестве альтернативы, газовая сажа может иметь отношение I₂No/STSA, меньшее чем 1,0, такое как от 0,7 (или меньше) до 0,98.

В одном или более вариантах осуществления газовая сажа по настоящему изобретению может иметь отношение I₂No/STSA, которое равно y или меньше его, где

y=0,004x+(0,6221),

где y=I₂No/STSA и x=STSA, где STSA может составлять от 20 м²/г до 150 м²/г. Йодное число (I₂No) газовых саж определяется в соответствии с тестовой процедурой D1510 ASTM. STSA (статистическая площадь поверхностного слоя) определяется в соответствии с тестовой процедурой D-5816 ASTM (измеряется при помощи адсорбции азота).

В по крайней мере одном варианте осуществления настоящего изобретения газовая сажа, такая как газовая сажа для производства резины или шин, может обладать одним или несколькими следующими механическими свойствами или резиновыми свойствами в сочетании со значением STSA от 20 м²/г до 150 м²/г или от 80 до, приблизительно, 140 м²/г, где механические свойства и/или резиновые свойства определяют, когда газовая сажа присутствует в резиновом составе, в соответствии со стандартными тестовыми способами ASTM D 3191-02 для газовой сажи в бутадиен-стирольном каучуке - средства и способы оценки:

- сопротивление истиранию (сдвиг 21%) от 80 до 170;

- удлинение (%) от 300 до 600;

- предел прочности на разрыв (МПа) от 20 до 35;

- напряжение при удлинении на 100% (МПа) от 2,4 до 4,5;

- напряжение при удлинении на 300% (МПа) от 12 до 23;

- соотношение напряжения при удлинении на 300% и напряжения при удлинении на 100% (M300%/M100%) от 3,5 до 6;

- вулканизированная резина (%) от 15 до 30; и/или

- максимальное значение тангенса дельта при 0°C от 0,25 до 0,4.

Данные свойства могут быть достигнуты для одного или более соединений на основе резины, и их можно достичь, когда резина представляет собой природный каучук или бутадиен-стирольный каучук.

В одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения настоящее изобретение относится к газовой саже с низким содержанием ПАУ, как описано выше, а также значением STSA от 20 м²/г до 150 м²/г или от 80 до 140 м²/г, а также обладающей одним или более из следующих механических свойств на основе формулы для каждого свойства, где x представляет собой STSA (м²/г) газовой сажи и y представляет собой механическое свойство:

- сопротивление истиранию (сдвиг 21%): y=5/6(x)+(43+/-10).

Другие механические свойства, указанные выше, могут находиться в таком же или аналогичном отношении с STSA.

В одном или нескольких вариантах осуществления настоящее изобретение относится к эластомерному составу или резиновой матрице, содержащей по крайней мере одну газовую сажу по настоящему изобретению и по крайней мере один эластомер. Газовую сажу можно использовать в тех же пропорциях с эластомером, которые обычно используются в случае газовых саж аналогичной морфологии, но с более высоким содержанием ПАУ. Специалисту в данной области техники будет понятно, что соответствующее соотношение будет зависеть от морфологии газовой сажи, состава матрицы и желаемого использования наполненного полимера. В зависимости от площади поверхности и структуры можно использовать различные газовые сажи при загрузке от, приблизительно, 10 фунтов в час до, приблизительно, 100 фунтов в час, например, от, приблизительно, 10 фунтов в час до, приблизительно, 60 фунтов в час.

Более того, выбор эластомеров, используемых в настоящем изобретении для получения эластомерного состава, некритичен. Могут присутствовать один или более эластомеров, и эластомеры, которые можно использовать, являются стандартными для получения эластомерных составов, таких как резиновые составы. Эластомер может использоваться в стандартных количествах.

Любой подходящий эластомер можно смешивать с газовыми сажами для получения эластомерных соединений по настоящему изобретению. Такие эластомеры включают гомо- или сополимеры 1,3-бутадиена, стирола, изопрена, изобутилена, 2,3-диметил-1,3-бутадиена, акрилонитрила, этилена и пропилена, но не ограничиваясь ими. Температура стеклования (Тс) эластомера, измеренная при помощи дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), может изменяться от, приблизительно, -120°C до, приблизительно, 0°C. Примеры включают бутадиен-стирольный каучук (БСК), природный каучук, полибутадиен, полиизопрен и их маслонаполненные производные, но не ограничиваясь ими. Также можно использовать смеси любых вышеприведенных компонентов.

Среди каучуков, пригодных для использования в настоящем изобретении, природный каучук и его производные, такие как хлорированный каучук. Газовые сажи по изобретению можно также использовать с искусственными каучуками, такими как сополимеры, образованные стиролом, составляющим от, приблизительно, 10 до, приблизительно, 70% по массе, и бутадиеном, составляющим от, приблизительно, 90 до, приблизительно, 30% по массе, а также сополимер, состоящий из 19 частей стирола и 81 части бутадиена, сополимер, состоящий из 30 частей стирола и 70 частей бутадиена, сополимер, состоящий из 43 частей стирола и 57 частей бутадиена, и сополимер, состоящий из 50 частей стирола и 50 частей бутадиена; полимеры и сополимеры сопряженных диенов, таких как полибутадиен, полиизопрен, полихлоропрен и подобные, и сополимеры подобных сопряженных диенов с сополимеризуемым с ними этилен-содержащим мономером, таким как стирол, метилстирол, хлорстирол, акрилонитрил, 2-винилпиридин, 5-метил-2-винилпиридин, 5-этил-2-винилпиридин, 2-метил-5-винилпиридин, алкилзамещенные акрилаты, винилкетон, метилизопропенилкетон, метилвиниловый эфир, альфа-метилкарбоновые кислоты и их сложные эфиры и амиды, такие как амиды акриловой и диалкилакриловой кислот; для использования здесь также пригодны сополимеры этилена и других высших альфа-олефинов, таких как пропилен, бутен-1 и пентен-1.

Эластомерные соединения по настоящему изобретению можно дополнительно смешивать с одним или более связывающими агентами для большего усиления свойств эластомерного соединения. Связывающие агенты, используемые здесь, включают соединения, способные связывать наполнители, такие как газовая сажа или диоксид кремния, с эластомером, но не ограничиваясь ими. Подходящие связывающие агенты включают связывающие агенты на основе силанов, такие как бис(3-триэтоксисилилпропил)тетрасульфан (Si-69), 3-тиоцианатопропилтриэтоксисилан (Si-264 производства Degussa AG, Германия), γ-меркаптопропилтриметоксисилан (A189 производства Union Carbide Corp., Danbury, Коннектикут); связывающие агенты на основе цирконатов, такие как циркония динеоалканолато-ди(3-меркапто)-O-пропионат (NZ 66A производства Kenrich Petrochemicals, Inc., Bayonne, Нью Джерси); связывающие агенты на основе титанатов; связывающие агенты на основе нитросоединений, такие как N,N'-бис(2-метил-2-нитропропил)-1,6-диаминогексан (Sumifine 1162 производства Sumitomo Chemical Co., Япония); и смеси любых указанных выше компонентов, но не ограничиваясь ими. Связывающие агенты могут представлять собой смесь с подходящим носителем, например, X50-S, который представляет собой смесь Si-69 и газовой сажи N330 производства Degussa AG.

Эластомерные составы, раскрытые в настоящем изобретении, включают вулканизированные составы (ВС), термопластичные вулканизаты (ТПВ), термопластичные эластомеры (ТПЭ) и термопластичные полиолефины (ТПО), но не ограничиваясь ими. ТПВ, ТПЭ и ТПО материалы дополнительно классифицируют по их способности к многократным экструзии и плавлению без потери рабочих характеристик.

Эластомерные составы по настоящему изобретению могут, следовательно, содержать эластомер, отверждающий агент, усиливающий наполнитель, связывающий агент и, необязательно, различные технологические добавки, нефтяные мягчители и стабилизаторы. В дополнение к упомянутым выше примерам эластомер может представлять собой полимеры (например, гомополимеры, сополимеры и тройные сополимеры), полученные из 1,3-бутадиена, стирола, изопрена, изобутилена, 2,3-диметил-1,3-бутадиена, акрилонитрила, этилена, пропилена и подобных, но не ограничиваясь ими. Предпочтительно, чтобы температура стеклования (Тс) данных эластомеров, измеренная при помощи ДСК, лежала между -120°C и 0°C. Примеры таких эластомеров включают полибутадиен, сополимер стирола и бутадиена и полиизопрен.

Эластомерные составы могут включать один или более отверждающих агентов, таких как, например, сера, доноры серы, активаторы, ускорители, пероксиды и другие системы, используемые для влияния на вулканизацию эластомерного состава. В следующих патентах приведены примеры различных ингредиентов, таких как отверждающие агенты, эластомеры, применения и т.д., что можно использовать в настоящем изобретении; патенты США 6573324, 6559209, 6518350, 6506849, 6489389, 6476154, 6878768, 6837288, 6815473, 6780915, 6767945, 7084228, 7019063 и 6984689. Каждый из данных патентов включен здесь во всей его полноте посредством ссылки.

Составы (например, эластомерные или другие составы или композиции) по настоящему изобретению могут содержать, в качестве альтернативы, газовые сажи с высоким содержанием ПАУ или могут содержать любые стандартные газовые сажи (или любые другие наполнители или усиливающие агенты), наравне с газовыми сажами по настоящему изобретению. Предпочтительно, количества газовых саж с более высоким содержанием ПАУ или стандартных газовых саж равны нулю или малы, например, 30% или меньше от общей массы присутствующей газовой сажи (например, от 0% по массе до 30% по массе, или от 0,01% по массе до 10% по массе, или от 0,01% по массе до 1% по массе).

Стандартные способы, хорошо известные специалистам в данной области техники, можно использовать для получения эластомерных составов и для включения газовой сажи. Смешивание резинового или эластомерного соединения можно проводить при помощи способов, известных специалистам в области смешивания резиновых соединений. Например, ингредиенты, как правило, смешивают в по крайней мере две стадии, т.е. по крайней мере одну непроизводительную стадию с последующей производительной стадией смешивания. Конечные вулканизующие вещества, как правило, смешивают на конечной стадии, которую обычно называют «производительной» стадией смешивания, на которой смешивание, как правило, протекает при температуре (конечной температуре), которая ниже температур(ы) предыдущей(их) непроизводительной(ых) стадии(й) смешивания. Термины «непроизводительная» и «производительная» стадии смешивания хорошо известны специалистам в области смешивания резиновых соединений. Мокрые способы смешения на основе маточных смесей для производства наполненных эластомерных составов, таких как составы, раскрытые в патентах США 5763388, 6048923, 6841606, 6646028, 6929783, 7101922 и 7105595, можно использовать для получения эластомерных составов, содержащих газовые сажи в соответствии с различными вариантами осуществления данного изобретения, и данные патенты включены здесь во всей их полноте посредством ссылки.

Что касается эластомерных составов или резиновых матриц по настоящему изобретению, эластомерный состав содержит по крайней мере одну газовую сажу по настоящему изобретению и по крайней мере один эластомер. Эластомерный состав может обладать одним или более из ранее указанных механических свойств в любом из указанных выше вариантов осуществления. Различные изделия промышленного производства, включая шины и продукты промышленности, могут содержать по крайней мере один компонент, состоящий из эластомерного состава по данному изобретению. Например, эластомерный состав по данному изобретению можно использовать для получения композита с усиливающим материалом, как, например, в производстве шин, ремней или шлангов. Предпочтительно, состав по настоящему изобретению имеет форму шины и, более конкретно, представляет собой компонент шины, включая, например, один или более протекторов шины, покрытий каркаса, покрытий брекера, боковин, бортов, бортовых лент и покрытий оболочек брекера.

Газовые сажи по настоящему изобретению можно получать различными путями. Например, можно начать с коммерчески доступной газовой сажи. Примеры исходных материалов включают коммерчески доступную газовую сажу для производства резины или газовую сажу для производства шин, которая включает газовые сажи N234, но не ограничиваясь ими. Газовая сажа может быть газовой сажей из серии N100, серии N200, серии N300, серии N400, серии N500, серии N600 и/или серии N700. Например, газовые сажи, которые можно использовать, включают газовые сажи от N110 до N990 ASTM (например, N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358, N375, N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774 и/или N990), но не ограничиваясь ими. Газовая сажа может быть газовой сажей от N220 до N375 ASTM. Коммерчески доступные примеры исходных материалов включают газовую сажу Vulcan® 7H и газовую сажу Vulcan® J производства Cabot Corporation, но не ограничиваясь ими. Коммерчески доступные газовые сажи нужно затем обработать для удаления по крайней мере части ПАУ с газовой сажей, которые в общем случае находятся на поверхности газовой сажи. В общем случае, количество удаленных ПАУ и, более предпочтительно, ПАУ 22 представляет собой количество, достаточное для достижения низких значений содержания ПАУ, указанных выше.

Газовые сажи по настоящему изобретению могут быть получены в соответствии с параметром STSA и I₂No/STSA при помощи коммерчески доступных способов, используемых для получения, например, газовых саж типа Vulcan^®, газовых саж типа Sterling^®, газовых саж типа Regal^®, газовых саж типа Black Pearl^®, газовых саж типа ASTM, газовых саж для производства резины, газовых саж типа Spheron^® и т.д. Конкретные примеры включают газовые сажи ASTM 121, газовые сажи Vulcan^® 10, газовые сажи Vulcan^® 10H, газовые сажи Vulcan^® M, газовые сажи Vulcan^® J, газовые сажи Regal^® 300, газовые сажи Vulcan^® 3, газовые сажи Vulcan^® 3H, газовые сажи Vulcan^® K, газовые сажи Sterling^® SO, газовые сажи Sterling^® NS1, газовые сажи Regal^® 85, газовые сажи Spheron^® 5000 и т.д., но не ограничиваясь ими. Хотя можно использовать способы, применяемые для коммерческого производства различных газовых саж с STSA и/или отношением I₂No/STSA, способы, объясненные здесь, для достижения, в то же время, желаемого низкого содержания ПАУ, необходимо использовать комплексно для достижения сочетания подходящих параметров, что полезно во множестве областей применения, включая резиновые и эластомерные составы, а также другие составы и области применения.

Пример процесса для удаления ПАУ может включать подвергание газовой сажи с более высоким содержанием ПАУ тепловому воздействию или ее обработку достаточным колич