JP3893278B2 - ビーズカーボン、その製法および使用 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビーズカーボン、その製法および使用に関する。
【0002】
工業的にカーボンブラックを加工するにあたり、ビーズカーボンとして公知の造粒生成物を有利に使用する。工業規模でカーボンブラックを造粒するために、2種類の異なる方法を利用する:造粒装置中で湿式造粒し次いで乾燥させる方法および造粒ドラム中で乾式造粒する方法である。2種類の方法は、各方法の物理的凝塊過程および得られるビーズ特性と密接に関係する、全く異なる方法パラメーターを有する(Ullmanns Encyklopaedie der technischen Chemie、第4版、14巻、639〜640頁(1977))。
【0003】
ビーズカーボンは、EP0924268から公知であり、少なくとも1種の天然および/または合成ワックスを含有し、粉末原料カーボンブラックを造粒することにより製造され、ここでビーズカーボン中のワックスの含量はビーズカーボンの総質量に対して1〜10質量%を越えず、ビーズカーボン中の個ビーズの硬度は0.15Nを越える。
【0004】
公知のビーズカーボンの欠点は、規定ビーズ硬度における乏しい分散性にある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、向上した分散性、耐摩耗性、流動挙動および輸送安定性を有するビーズカーボンを製造することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも1種の造粒添加物および少なくとも1種の合成油を含むことを特徴とするビーズカーボンを提供する。総質量に対する造粒添加物の含有量は、0.1〜10質量%を越えず、有利には1〜5質量%であり、油の含有量は1〜12質量%、有利には4〜8質量%である。0.5mm〜0.71mmのビーズ分画に属する個ビーズの硬度は、2gを上回っていてよい。
【0007】
造粒添加物は油溶性であってよい。カーボンブラックを製造するために使用される造粒添加物は、天然および合成ワックスのいずれでもよい。本発明に好適なワックスの概要は、Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry、Vol A28、103〜163頁、1996、Karsten, Lackrohstoff- Tabellen、第9版、Vincentz Verlag、第33章、558〜569頁(1992)、Roampp Lexikon "Lacke und Druckfarben"、Georg Thieme Verlag、157〜162頁(1998)および"The Printing Ink Manual"、第4版、VNR International、第4章、セクションVII"Waxes"、249〜257頁(1988)に見出される。ビーズカーボンを包含する完成品を製造するために常用されるこのようなワックスを有利に使用してよい。この方法では、より少ない量のワックスの均質な適用が可能なので、等量の純粋なワックスを使用するよりも高い効果が得られる。一般的に、ビーズカーボンを用いて完成品に組み込まれるワックスの割合は、通常の方法で組み込まれる場合よりも少なくなる、というのも造粒油で希釈されてカーボンブラックが表面に均質に分散するからである。この方法のビーズカーボンは、完成品に含まれるワックスの量を最小限に抑える。パラフィンワックスまたは精製炭化水素ワックス配合物もワックスとして有利に使用できる。
【0008】
樹脂、有利には歴青液を造粒添加物として使用してもよい。本発明の好適な樹脂の概要は、Karsten、Lackrohstoff-Tabellen、第9版、Vincentz Verlag、第1〜32章、55〜558頁(1992)、Roampp Lexikon "Lacke und Druckfarben"、Georg Thieme Verlag、157〜162頁(1998)、"The Printing Ink Manual"、第4版、VNR International、第4章、セクションIV "Resin"、192〜224(1988)およびPrinting Materials : Science and Technology、Bob Thompson Pira International、Vehicles、Oils、Resins、338〜340頁(1998)に見出される。
【0009】
ワックスの混合物、樹脂の混合物およびワックスと樹脂との混合物を造粒添加物としても使用してよい。
【0010】
鉱油、有利にはナフテン系オイルを合成油として使用してもよい。本発明の好適な合成油の概要は、Karsten、Lackrohstoff-Tabellen、第9版、Vincentz Verlag、第37章、601〜620頁(1992)、Roampp Lexikon "Lacke und Druckfarben"、Georg Thieme Verlag、157〜162頁(1998)、"The Printing Ink Manual"、第4版、VNR International、第4章、セクションIII "Oils"、188〜191およびセクションV "Solvents"、225〜243頁(1988)およびPrinting Materials : Science and Technology、Bob Thompson Pira International、Vehicles、Oils、Resins、342頁(1998)に見出される。
【0011】
本発明のビーズカーボンの総ビーズ硬度は、6kgを上回り、有利には7kgを上回る。0.5mm〜0.71mmのビーズ分画に属するビーズの強度は70KPaを上回り、有利には80kPaを上回る。0.71mm〜1.00mmのビーズ分画に属するビーズの強度は60kPaを上回り、有利に68kPaを上回る。0.71mm〜1.00mmのビーズ分画に含まれる個ビーズの平均硬度は、3gを上回ってよい。
【0012】
ランプブラック、チャネルブラック、ガスブラックまたはファーネスブラックを原料カーボンブラックとして使用してよい。DBP吸着が40〜250ml/100gでありかつ窒素表面積が5〜500m2/gである原料カーボンブラックを有利に使用する。Degussa−Huels社製のCoraxN330、Printex3、Printex30、Printex300およびPrintex35を原料カーボンブラックとして特に有利に使用できる。
【0013】
本発明はまた、本発明のビーズカーボンを製造する方法を提供し、これは粉末カーボンブラックおよび油/造粒添加物混合物をいっしょに混合することを特徴とする。造粒装置、連続または不連続混合機またはミル、例えば圧縮空気ミルまたはハンマーミル中で混合する。
【0014】
1つの態様において、本発明のビーズカーボンはピンシャフトを有しかつ取り込みゾーン、混合および造粒ゾーンおよび排出ゾーンを設けた造粒装置中で製造され、ここで、粉末カーボンブラックを造粒装置の取り込みゾーンに供給し、造粒装置の排出口から連続的に取り出し、造粒装置の手前でまたは造粒装置の最初の3分の1の位置で、油/造粒添加物混合物を粉末原料カーボンブラック上に噴霧する。
【0015】
造粒装置は加熱することができる。
【0016】
DE19623198の装置を本発明で使用してよい。
【0017】
本発明のビーズカーボンを製造するために、ピンシャフトの速度を、ピンチップの周速度が1〜30m/sの値となるように調節してよい。カーボンブラックの造粒装置中の平均滞留時間は、20〜600秒でよく、有利には20〜180秒である。
【0018】
油/造粒添加物混合物を添加する方法は、完成ビーズカーボンの質に大きな影響を及ぼす。滴の大きさが平均50μmを下回る粉末原料カーボンブラック上に、油/造粒添加物混合物を非常に細かく噴霧すると、造粒添加物をビーズカーボン中に10質量%を下回る量で含有する所望のビーズ硬度が得られる。
【0019】
最初に造粒添加物の溶融温度から分解温度の間の温度で加熱することにより溶融し、次いで噴霧ノズルから供給することにより、油/造粒添加物混合物を噴霧してよい。2流型ノズルを介して油/造粒添加物混合物を噴霧するのが、本発明の目的に好適である。圧縮空気6barで油/造粒添加物を噴霧することにより、滴の大きさを平均約20μmにできる。混合物を圧力噴霧により噴霧してもよい。
【0020】
油/造粒添加物を噴霧する方法に加えて、噴霧位置も、形成されるビーズカーボンの質に大きく影響する。本発明で使用される造粒装置は、中でピンシャフト(ローター)が回転する水平固定パイプ(固定子)を有していてよい。造粒装置は、粉末原料カーボンブラックを造粒装置へ供給する取り込みゾーンを有する。このゾーンには、カーボンブラックを供給するための、軸方向運動要素をもたらす供給スクリューが含まれる。取り込みゾーンと隣り合うのは実質的に混合および造粒を行うゾーンであり、ここで最初にカーボンブラックが油/造粒添加物で被覆され、次いで回転ピンの機械的作用とローリング運動により固定子の内壁で凝塊する。
【0021】
造粒装置の設計により、造粒装置の各ゾーンの大きさは変化し得る。いずれの場合でも、取り込みゾーンおよび排出ゾーンは、混合造粒ゾーンを大きく取るためにできる限り小さめに設計する。油/造粒添加物混合物がカーボンブラックビーズの全断面にできるだけ均質に分布するように、造粒装置の手前で、または造粒装置の最初の3分の1の位置で、油/造粒添加物混合物をカーボンブラック上に噴霧すべきである。ビーズ形成の後半で油/造粒添加物混合物を導入すると、カーボンブラックビーズの構造は不均一となり硬度が減少する。
【0022】
固定子の外周のピンシャフトに対して同一レベルで垂直に配置された数個の噴霧ノズルから噴霧すると、油/造粒添加物混合物をカーボンブラックに組み込む際の均質性を更に向上させることができる。ノズルの数は、1〜6個に制限されるのが有利である。非常に均質な取り込みを保証するために、ノズルをピンシャフトに対して垂直に同一レベルで配置するのがよい。
【0023】
油および造粒添加物を、軸を調節することにより、異なる凝塊工程で組み込むことができる。
【0024】
供給スクリューを、造粒装置の造粒ゾーンへ粉末カーボンブラックを供給するために使用してよい。従って、造粒装置から取り出されるまたは排出されるカーボンブラックはスクリューの輸送速度と等しく、そのため広い制限範囲で調節できる。処理可能量および滞留時間は、取り込みゾーンに対して排出ゾーンを高く位置づけることにより増加する。水平面から造粒装置の軸までの角度を0〜15゜に調節できる。
【0025】
処理可能量および滞留時間もピンシャフトの速度に影響され得る。カーボンブラックの供給が均一であれば(一定のカーボンブラック処理量)、処理可能量および滞留時間はそれぞれ速度の増加に比例して減少する。
【0026】
本発明のカーボンブラックを製造するために有利な滞留時間は、20〜180秒である。20秒を下回ると、凝塊工程は幾らか不完全になる。しかしそれにも関わらず、この際、造粒ドラム中での造粒を助成する混合装置として機能する単位は、一定割合のビーズ種を輸送する。600秒を越える滞留時間では、上限が処理可能量であるため、一般的にカーボンブラック処理速度が遅い場合でのみ可能である。
【0027】
凝塊は有利に、ビーズカーボンを凝塊種(以下、接種源とも記載される)である粉末カーボンブラックへ組み込むことにより開始される。造粒されるべきカーボンブラックと同じ銘柄のビーズカーボンを使用するのが有利である。カーボンブラックのビーズ特性に応じて、ビーズカーボンを60質量%までで添加してよい。ビーズカーボンを有利に5〜40質量%の量で粉末ブラックへ添加できる。速やかに造粒されるカーボンブラックの場合、ビーズカーボンの添加を全く実施しなくてもよく、または造粒開始直前に停止してもよい。
【0028】
粉末ブラックを造粒装置へ供給する前に、150〜350g/lのかさ密度まで圧縮できれば、造粒はさらに改良される。前圧縮は、公知の方法で、例えば真空フィルターロールを使用して実施できる。
【0029】
本発明のビーズカーボンを、ゴム製品およびプラスチック製品の充填剤および/または顔料として、あるいは印刷用インキ製造物中の顔料として有利に使用する。その優れたビーズ硬度の結果として輸送および測量特性に優れ、その上、速やかな分散も可能となる。
【0030】
ペレットの良好な分散性を保持したままビーズ硬度およびビーズ強度を改良することができる。本発明の磨砕機分散カーボンブラックは、粉末ブラックと同程度の分散性を有しかつビーズカーボンの材料取扱有利性も示す。印刷用インキにおいて、本発明のビーズカーボンは、油またはワックスを使用して造粒したカーボンブラックよりも優れた耐摩耗性を有する。
【0031】
図1に示すように、本発明のビーズカーボンは造粒装置を用いて製造できる。図1は、そのような造粒装置の設計模型図である。造粒装置は、水平に固定されたパイプ1(固定子)、およびその中で軸方向に位置する、ピンが螺旋状に配置された回転ピンシャフト2を内蔵する。造粒装置のビーズチャンバー4は、ピンシャフト2と固定子1との間を意味する。粉末ブラックを取り込み口5から造粒装置へ供給する。取り込みゾーンのピンシャフト上に、供給スクリュー6が存在し、これは粉末カーボンブラックを軸方向に排出口7まで運搬する。固定子1は二重の壁構造を有し、固定子壁の温度は液体または蒸気8により調整されている。固定子の造粒ゾーンの最初の3分の1の場所に通り孔が存在し、これを通って油/造粒添加物混合物を添加するための噴霧ノズルが組み込まれている。
【0032】
図2は、本発明のビーズカーボンの製法をフローチャートで示した図である。造粒装置10の軸を、滞留時間を調節するために、水平面から0゜〜15゜の角度に傾けてよい。これに対応して、造粒装置の排出口は取り込み口よりも高く位置する。粉末カーボンブラック11および任意の接種源13を、収集容器12および14から造粒装置10または造粒ドラムの取り込み口15へ供給する。造粒装置中の固定子を、サーモスタット16を用いて所望の温度に調節する。
【0033】
【実施例】
原料カーボンブラックとしてPrintex30粉末(表1)を使用する。
【0034】
【表1】
【0035】
試験を表2のように設定する。
【0036】
【表2】
【0037】
分析結果を表3に示す。
【0038】
【表3】
【0039】
油−造粒カーボンブラックの分散性の測定(前分散)
装置および試薬:
−Getzmann社製の最高速度20000rpmのDispermat高速混合装置;
−直径25mmの歯付きディスクとしての高速混合機ディスク;
−以下の寸法を有する分散容器としてのスチールシリンダー:d=55mm、H=200mm;
−DIN53203によるつぶゲージ;
−Haltermann社製の歴青液169;
−Shell社製のGravex942。
【0040】
方法
−試験用の印刷ワニスの組成および製造
以下の成分をカセロールに測り入れ均質化する:
500.0g 歴青液169
500.0g Gravex942
新しく製造された試験用印刷ワニスを調査するために、対照として公知の分散曲線を示す対照サンプルを製造した。
【0041】
−分散試験の実施
−以下の成分を分散容器に測り入れる:
20.0g カーボンブラック
80.0g 印刷ワニス
カーボンブラックを結合剤へ注意深く組込み、ゆっくりと攪拌しながら湿潤させる。次いで混合機ディスク速度15300rpm=約20m/sで、冷却せずに、15分の分散工程で分散試験を行う。各分散工程の後、少量のサンプルを取り出し、カーボンブラックによって達成される分配状態を確認するためにつぶゲージを用いて試験する。総分散時間は45分であった。
【0042】
結果:
各分散工程後に測定したつぶゲージ値を、分散曲線のプロットのために、結果として記録した。45分の分散時間後に測定したつぶゲージ値を分散性の測定値と見なす。
【0043】
新聞インキ中のカーボンブラックの印刷効率の測定(磨砕機分散)
−実験室ばかり、可測幅0.1〜5500.0g、
−高速実験室混合機、例えばPendraulik、歯付きディスクの直径60mm、
−以下の要求を満たす磨砕機、
各オフセットが120゜の、3個の離心環状要素で攪拌する;
攪拌速度:2800rpm
練り顔料容器:−−>全容量500ml、直径90mm
−−>実効量300ml
磨砕媒質としての、直径3mmのスチールボール;
必要なスチールボールの量:1250g;
−DIN53203のつぶゲージ
−MacbethRD918濃度計
−新聞印刷52g/m2、
−Drekopf社製280μmの高速ふるい、
−AlbertolKP172、フェノール修飾コロホニー樹脂、HoechstAG、
−AlbertolKP111、フェノール修飾コロホニー樹脂、HoechstAG、
−GilsoniteEWC7214、アスファルト樹脂、Worlee、
−Gravex917、鉱油、Shell
方法
−ロータリーオフセット印刷ワニスの組成
以下の成分をカセロールに測り入れる。
【0044】
120g AlbertolKP172
120g AlbertolKP111
160g Gilsonite
600g Gravex
1000g
液体成分であるGravexは最初に測り分けるのが有利である。次に固体樹脂であるAlbertolKP172、AlbertolKP111およびGilsoniteを添加し、攪拌しながら170℃で溶解させる。蒸発により鉱油を除く。最終印刷ワニスをふるい(280μ)にかける。いったん冷却して印刷ワニスを使用可能な状態にする。
【0045】
−印刷用インキの製造
印刷用インキの組成は以下の通りである:
48.0g カーボンブラック
201.0g 印刷ワニス
51.0g Gravex
300.0g
印刷ワニスおよびGravexを均質化する。カーボンブラックを少量づつ添加する。高速混合機を用いて4000rpmで10分、前分散する。冷却することなく、それぞれ15分の分散工程において磨砕機中で分散させる。各分散工程後に少量のサンプルを取り出し、つぶゲージを用いて分散状態を把握する。つぶゲージの値が<5μになった時点で分散を終了する。所要分散時間を記録する。
【0046】
流れ板を用いた印刷用インキの流動挙動の測定
試験されるカーボンブラックを加工して工場で使用されるのと同様の印刷用インキを製造する。
【0047】
測り取った印刷用インキをガラス板に塗布し、ガラス板を垂直位(90゜)に設置する。予め設定した時間だけ放置した後、印刷用インキが流れた距離をmm単位で測定する。これを印刷用インキの流動性の指標として使用する。
【0048】
ASTMD1947−98により総ビーズ硬度を、およびASTMD5230−99により個ビーズ硬度を測定する。
【0049】
本発明のビーズカーボン(例3)が、油−造粒カーボンブラック(比較例1)およびワックス−造粒カーボンブラック(比較例2)よりも有利であることが分かる。本発明のビーズカーボンの0.5mm〜0.71mmおよび0.71mm〜1.00mmビーズ分画の、総ビーズ硬度、個ビーズ硬度およびビーズ強度は、明かに上昇している。
【0050】
ペレットの良好な分散性が保持されることから、比較例1および比較例2と比べてビーズ硬度およびビーズ強度が改善されている。
【0051】
磨砕機分散における分散性および流動挙動が、対照カーボンブラックである油−造粒およびワックス−造粒カーボンブラックよりも向上している。
【0052】
磨砕機分散に関し、本発明のカーボンブラックは、使用される粉末カーボンブラックと明かに同程度の分散性を有しかつビーズカーボンの材料取扱の利点をも有している。
【0053】
従来技術のカーボンブラックと同程度またはそれより優れたビーズ硬度を有する油/造粒添加物カーボンブラックにより、分散性が改良される。
【0054】
Gravex oil ShellAG
良く精製された鉱油
ProtectorG35 Paramelt B.V.
精製された炭化水素ワックスの配合物
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明のビーズカーボンを製造するためのピンシャフトを有する造粒装置を示す図である。
【図2】図2は、本発明のビーズカーボンを製造するための方法のフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
1 パイプ
2 ピンシャフト
4 ビーズチャンバー
5 取り込み口
6 供給スクリュー
7 排出口
8 蒸気
9 噴霧ノズル
10 造粒装置
11 粉末カーボンブラック
12 収集容器
13 接種源
14 収集容器
15 取り込み口
16 サーモスタット
Claims (12)
- 少なくとも1種のワックスおよび総質量に対して4〜8質量%の少なくとも1種の合成油を含有することを特徴とする、ビーズカーボン。
- ワックス含量が、総質量に対して、0.1〜10質量%を越えない、請求項1記載のビーズカーボン。
- 原料カーボンブラックが40〜250ml/100gのDBP吸着および5〜500m2/gの窒素表面積を示す、請求項1記載のビーズカーボン。
- 合成油が鉱油である、請求項1記載のビーズカーボン。
- 粉末カーボンブラックおよび合成油/ワックス混合物をいっしょに混合することを特徴とする、請求項1記載のビーズカーボンの製法。
- ピンシャフトを有しかつ取り込みゾーン、混合および造粒ゾーンならびに排出ゾーンを設けた造粒装置において、粉末カーボンブラックを造粒装置の取り込みゾーンに供給し、次いで造粒装置の排出口からカーボンブラックを連続的に取り出し、造粒装置の手前でまたは造粒装置の3分の1の位置で、合成油/ワックス混合物を粉末原料カーボンブラックの表面に噴霧する、請求項5記載の方法。
- 合成油/ワックス混合物を、1〜6個のノズルを介して、粉末スターティングカーボンブラック上に噴霧し、ここでノズルがピンシャフトの軸に対して一定レベルで垂直に配置される、請求項6記載の方法。
- 造粒装置中のカーボンブラックの滞留時間を、20〜600秒の間の値に調節する、請求項6記載の方法。
- カーボンブラックと同じ銘柄のビーズカーボン60質量%までを、接種源として粉末カーボンブラックへ添加する、請求項6記載の方法。
- 粉末カーボンブラックを、造粒前に、かさ密度が150〜350g/lになるように前圧縮する、請求項6記載の方法。
- ゴムおよびプラスチック製品中の充填剤および/または顔料として、ならびに印刷用インキ製造のための顔料としての、請求項1から4までのいずれか1項記載のビーズカーボンの使用。
- 印刷用インキの耐摩耗性を向上させるための、請求項1から4までのいずれか1項記載のビーズカーボンの使用。
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