ソフト系ファーネスカーボンブラック及びゴム組成物
【課題】加工性を維持しながら機械的特性の向上を可能にするファーネスカーボンブラックの提供。
【解決手段】窒素吸着比表面積が３０〜５０ｍ２／ｇ、ジブチルフタレート吸収量が１００〜１４０ｍｌ／１００ｇ、トルエン着色透過度が８０％以上であって、下記式（１）のＸが１．００〜１．２０、下記式（２）のＹが２４０〜３５０、かつ下記式（３）のＺが０．８０〜１．２０であるソフト系ファーネスカーボンブラック。
上記式中、ＩＡはヨウ素吸着量、Ｙはアグリゲートの複雑さを表す形状係数、ＰＭとＡは透過型電子顕微鏡像の周囲長と投影面積、ＤｍｏｄｅとΔＤ−５０は遠心沈降法で測定したカーボンブラックアグリゲートサイズのモード径と半値幅である。
【解決手段】窒素吸着比表面積が３０〜５０ｍ２／ｇ、ジブチルフタレート吸収量が１００〜１４０ｍｌ／１００ｇ、トルエン着色透過度が８０％以上であって、下記式（１）のＸが１．００〜１．２０、下記式（２）のＹが２４０〜３５０、かつ下記式（３）のＺが０．８０〜１．２０であるソフト系ファーネスカーボンブラック。
上記式中、ＩＡはヨウ素吸着量、Ｙはアグリゲートの複雑さを表す形状係数、ＰＭとＡは透過型電子顕微鏡像の周囲長と投影面積、ＤｍｏｄｅとΔＤ−５０は遠心沈降法で測定したカーボンブラックアグリゲートサイズのモード径と半値幅である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソフト系ファーネスカーボンブラック及びこのカーボンブラックをゴム成分に配合したゴム組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンブラックは、その主たる用途であるゴムへの特性、即ち加工性と補強性により分類されており、主なソフト系カーボンブラックとしては、半袖強性ファーネスカーボンブラック（Ｓｅｍｉ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ−ＳＲＦ）、汎用ファーネスカーボンブラック（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｆｕｒｎａｃｅ−ＧＰＦ）、良押出性ファーネスカーボンブラック（Ｆａｓｔ Ｅｘｔｒｕｄｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ−ＦＥＦ）などがある。
上記の「ソフト系」という名称表現は、ゴム配合時において軟らかいゴム組成物を与えることから生じたものであり、作業性が良い、発熱が少ない、多量配合ができるなどの特徴を有し、タイヤカーカス用、チューブ用、ベルト、シート材、ウェザ−ストリップなどのゴム部材の充填補強剤として広く利用されている。
ところで、カーボンブラックの基本的特性としては、ヨウ素吸着量や窒素吸着比表面積などで評価される比表面積及びカーボンブラック粒子のつながりによる高次構造（ストラクチャー）があることは周知である。しかしなから、カーボンブラックのゴムに対する付与特性の評価は、上記二つの特性だけでは不可能であることが広く認識されるようになってきており、これらの特性だけでゴム特性を制御することは困難である。
【０００３】
このような状況に鑑み、本出願人は先願１（特許文献１参照）において、ヨウ素吸着量（ＩＡ）が１５〜２５ｍｇ／ｇ、ジブチルフタレート吸収量（ＤＢＰＡ）が１００〜１５０ｍｌ／１００ｇの特性を有するファーネスカーボンブラックにおいて、遠心沈降分析によるストークス相当径の最頻度値（Ｄｓｔ）が下記式１を満足し、かつ着色力が式２を満足するソフト系ファーネスカーボンブラックを提案した。
式１ Ｄｓｔ≧（ＤＢＰＡ）−７．５（ＩＡ）＋３５０
式２ 着色力≦（ＩＡ）＋２５
このソフト系ファーネスカーボンブラックは、カーボンブラック多量配合時の分散不良及びゴム配合物の押出特性の低下を改善すると共に、反発弾性、圧縮永久歪みなどの特性を向上させる効果がある。しかしながら、ヨウ素吸着量の範囲が従来のカーボンブラックよりも低い側にあるため、補強性、特に引張り特性が低下する傾向にあった。
【０００４】
この欠点を改良するため、本出願人は先願２（特許文献２参照）において、ヨウ素吸着量（ＩＡ）が３５〜５０ｍｇ／ｇであり、ジブチルフタレート吸収量（ＤＢＰＡ）が１２０ｍｌ／１００ｇを超え１４０ｍｌ／１００ｇ未満の範囲内にあり、△ＤＢＰＡ（ＤＢＰＡ−２４Ｍ４ＤＢＰＡ）が４０ｍｌ／１００ｇを超え５０ｍｌ／１００ｇ未満の範囲内にあり、かつ、遠心沈降分析によるカーボンブラックアゲリケードのストークス相当径の最多頻度値（Ｄｓｔ）が、
Ｄｓｔ≧｛（ＤＢＰＡ）２−（ＩＡ）２｝１／２＋８０
の関係を満足することを特徴とする、先願１のソフト系ファーネスカーボンブラックよりも表面積が大きいカーボンブラックの発明を開示し、ゴム組成物における分散性を著しく改良すると共に、ゴム組成物に対して優れた反発弾性と圧縮永久歪み特性を付与するソフト系カーボンブラックを提供した。
【０００５】
しかし、最近ではゴム組成物に配合するカーボンブラックにおける顧客の要求性能、特に引張り強さや弾性率などの機械的特性に関する要求は更に増大しており、その代表例として自動車の車内空間のシール材料として使用されるゴム部材に対する性能向上がある。
雨、風、埃の中を高速で走行する自動車には、車室や客室へ雨や埃が入り込まないように様々なゴム組成物が使用されている。例えば、窓ガラスを車体に密着させるウェザーストリップやドアシール部材、回転するエンジンやトランスミッションの軸を伝わって油の漏出を防止するオイルシール、ブレーキピストンでの油の漏出を防ぐブレーキキャップなどがある。これらのゴム組成物は過酷な環境で使用されるため、耐候性、耐油性、耐摩耗性、耐久性等が要求される。その中でもゴム組成物の安全性を高め、寿命を向上させる上でゴム組成物の機械的強度を上げることが最も重要な要求項目である。
ゴム組成物の機械的強度を向上させる方法としては、カーボンブラックの粒子径を小さくすることが提案されている。しかし、カーボンブラックの粒子径を小さくすると、配合ゴム組成物の粘度上昇や加硫時間の短縮が考えられ、加工性を損なう可能性がある。このため、粒子径範囲は従来とほぼ同等のままで、補強性等の機械的特性のみを向上させることは困難であった。この問題を解決するために開発されたのが前記先願発明であったが、前述したように従来のＦＥＦと同等の押出し特性や外観特性、圧縮永久歪み性を維持しながら、機械的強度を一層向上させることのできるソフト系ファーネスカーボンブラックへの要望が近年益々強くなり、この対応が急務となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２−１１６６４号公報
【特許文献２】特開平３−２２７３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ゴムに配合したとき、従来のＦＥＦ（Ｆａｓｔ Ｅｘｔｒｕｄｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ）級カーボンブラックと比べて、加工性を維持しながら機械的特性の向上を可能にするソフト系ファーネスカーボンブラック及びこれを配合したゴム組成物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、次の１）〜２）の発明によって解決される。
１） 窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）が３０〜５０ｍ２／ｇ、ジブチルフタレート吸収量（ＤＢＰＡ）が１００〜１４０ｍｌ／１００ｇ、トルエン着色透過度（ＴＴ）が８０％以上の領域にあるファーネスカーボンブラックであって、下記式（１）のＸが１．００〜１．２０、下記式（２）のＹが２４０〜３５０、かつ下記式（３）のＺが０．８０〜１．２０であることを特徴とするソフト系ファーネスカーボンブラック。
【数１】
上記式中、ＩＡはヨウ素吸着量、Ｙはアグリゲートの複雑さを表す形状係数、ＰＭとＡは透過型電子顕微鏡像によるアグリゲート画像の周囲長と投影面積、ＤｍｏｄｅとΔＤ−５０は遠心沈降法で測定したカーボンブラックアグリゲートサイズのモード径と半値幅である。
２） 天然ゴム及び／又は合成ゴム成分に対して、１）記載のソフト系ファーネスカーボンブラックを配合したことを特徴とするゴム組成物。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ゴムに配合したとき、従来のＦＥＦ級カーボンブラックと比べて、加工性を維持しながら機械的特性の向上を可能にするソフト系ファーネスカーボンブラック及びこれを配合したゴム組成物を提供できる。
即ち、ゴムに配合したとき、従来のＦＥＦ級カーボンブラックと同等の押出し特性、黒色度や光沢度といった外観特性、圧縮永久歪み性を維持しながら、機械的強度を一層向上させることができるソフト系ファーネスカーボンブラックを提供できる。
また、スポンジ押出製品や低硬度ゴム製品などのように押出加工の難しい部材に配合した場合にも、優れた押出加工性と圧縮永久歪み特性を付与することができるソフト系カーボンブラックを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のカーボンブラックを製造するのに好適な製造炉の一例を示す縦断面図である。
【図２】図１の先頭部を示す部分拡大図である。
【図３】実施例１〜３、比較例１〜３及び対照例について、窒素吸着比表面積ＶＳ引張強さでプロットした結果を示す図である。
【００１１】
以下、上記本発明について詳しく説明する。
本発明者らは、従来のＦＥＦ級カーボンブラックと比べて、加工性、外観性、圧縮永久歪み性を維持しながら補強性を向上させることができるカーボンブラックについて鋭意研究を進めた結果、前記式（１）〜（３）の要件を満足するソフト系ファーネスカーボンブラックをゴムに配合すれば、前述した本出願人の先願に係る従来のＦＥＦ級カーボンブラックと同等の加硫ゴム物性を満足し、かつ機械的特性を向上させることができることを見出し、本発明に到達した。
なお、本発明が適用可能なゴムとしては天然ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエン共重合ゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、アクリルニトリル−ブタジエンゴムなどが挙げられ、これらを任意に組み合わせたブレンドゴムにも適用可能である。
【００１２】
本発明のカーボンブラックにおいて、窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）が３０ｍ２／ｇを下回ると、粘度が低下して押出し時の形状保持が困難となり、５０ｍ２／ｇを上回ると、粘度が上昇して押出しが困難となる。また、ジブチルフタレート吸収量（ＤＢＰＡ）が１００ｍｌ／１００ｇを下回ると、押出し後の収縮が大きくなり、１４０ｍｌ／１００ｇを上回ると、耐圧縮永久歪み性が低下する。また、トルエン着色透過度（ＴＴ）が８０％を下回ると、ゴム配合物からのカーボンブラック表面の未分解タール分の染み出しによる汚染性を回避することが困難となる。ＴＴは好ましくは８５％以上、より好ましくは９０％以上である。
【００１３】
更に本発明では、カーボンブラックの表面活性を表す指標として、Ｎ２ＳＡとヨウ素吸着量（ＩＡ）の比（Ｘ）を用いているが、この比（Ｘ）が１．００を下回ると、ポリマーとの相互作用が小さくなるので補強性が低下し本発明が求める補強性の向上が困難となる。逆にこの比（Ｘ）が１．２０を上回ると、カーボンブラック表面の未分解タール分が増加し、トルエン着色透過度が８０％を下回って、ゴム配合物の汚染性を回避することが困難となる。
【００１４】
また、本発明ではカーボンブラックの透過型電子顕微鏡像から得られる凝集体の複雑さを表す形状係数を指標として用いている。
一般に、ＤＢＰＡが同じでも生成条件によって凝集体の形状が変化することが知られている。そこで、カーボンブラックの凝集体の発達度合いをより精確に評価するために鋭意研究した結果、透過型電子顕微鏡像の画像解析で得られるアグリゲートの複雑さを表す形状係数（Ｙ）の値が、カーボンブラックのストラクチャーの発達度合いを表す指標として有用なことを見出した。（Ｙ）の値が１００の場合は完全な円であることを表す。ストラクチャーが発達するに伴い（Ｙ）の値が増加する。凝集体の形状と補強性の関係を研究した結果、（Ｙ）が２４０以上のとき、顕著な機械的特性の向上を確認した。一方、（Ｙ）が３５０を超えるとゴム配合物の外観の黒さを示す黒色度が低下してしまうので外観特性を維持することが困難となってくる。
【００１５】
これらの指標に加えて、本発明ではカーボンブラックのアグリゲートサイズ分布を遠心沈降法で測定されたモード径（Ｄｍｏｄｅ）に対する半値幅（ΔＤ−５０）の比（Ｚ）で表しており、この分布指数（Ｚ）の値が０．８０を下回ると、粘度が上昇して押出しが困難となり、逆に１．２０を上回ると、配合ゴム組成物の機械的特性が低下し、この為に本発明で求めるレベルの維持が困難となる。本発明の目標である加工性を維持しつつ補強性を向上させるためには、上記（Ｘ）（Ｙ）及び（Ｚ）の３つの特性を満たす必要がある。
【実施例】
【００１６】
以下、実施例及び比較例を示して本発明を更に詳しく説明するが、本発明は、これらの実施例により限定されるものではない。
【００１７】
実施例１〜５、比較例１〜８
［製造例］
図１、図２に示す構造のオイルファーネス炉（特開平０７−３１６４６０号公報参照）を用いてカーボンブラックを製造した。原料油の性状は表１に示す通りである。
【表１】
【００１８】
カーボンブラックの製造条件を表２に示す。
【表２】
【００１９】
なお、各実施例及び比較例のカーボンブラックの物理化学特性の制御は上記の各種製造条件を調整して行ったが、具体的には（Ｘ）、（Ｙ）及び（Ｚ）の３つの特性は次のようにして調整した。
＜Ｎ２ＳＡとヨウ素吸着量（ＩＡ）の比（Ｘ）の調整＞は、導入総空気量に対する原料油供給量を調節すること及び急冷位置までの距離を短くすることにより行った。
＜複雑さを表す形状係数（Ｙ）の調整＞は、反応室に導入する空気量を調節することにより行った。
＜アグリゲートサイズ分布指数（Ｚ）＞の調整は、可燃性流体導入室への導入総空気量の制御により行った。
【００２０】
表２に示す製造条件により得られたカーボンブラックの物理化学特性を表３に示す。
なお、実施例１〜５は本発明に係るファーネスカーボンブラックであり、比較例１〜８は本発明の請求項１に規定した何れかの要件を満たさないカーボンブラックである。また対照例は一般的なＦＥＦ級カーボンブラックの例である「旭＃６０Ｇ：旭カーボン社製」の値を示す。
【表３】
【００２１】
＜各特性の測定＞
カーボンブラックの物理化学特性は次のようにして測定した。
（１）ＤＢＰ吸収量（ＤＢＰＡ）
ＪＩＳ Ｋ６２１７−４：２００１に記載の方法による、１００ｇ当たりに吸収されるＤＢＰの容積（ｍｌ／１００ｇ）を示した。
（２）窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）
ＪＩＳ Ｋ６２１７−２：２００１に記載の方法による、単位重量当たりに吸着される窒素表面積（ｍ２／ｇ）を示した。
（３）ヨウ素吸着量（ＩＡ）
ＪＩＳ Ｋ６２１７−１：２００８に記載の方法による、単位重量当たりに吸着されるヨウ素量（ｍｇ／ｇ）を示した。
（４）トルエン着色透過度
ＪＩＳ Ｋ６２１８−４：２００５に記載の方法による、カーボンブラックから抽出される物質によってトルエンが着色される程度を、トルエンのブランク値を１００とした透過度（％）で示した。
（５）複雑さの形状係数（Ｙ）
ＡＳＴＭ Ｄ ３８４９−０７：２００８に記載の方法により最終倍率５，０００倍で表示された画像をニレコ社製の画像解析装置ＬＵＺＥＸ―ＦＳを用いて周囲長（ＰＭ）と投影面積（Ａ）から下記の式を用いて算出した。
【数２】
（６）アグリゲートサイズ分布指数 ΔＤ−５０／Ｄｍｏｄｅ（Ｚ）
ＪＩＳ Ｋ６２１７−６：２００８に記載の方法によるストークス径のモード径（Ｄｍｏｄｅ）に対する半値幅（ΔＤ−５０）の比を示した。
【００２２】
＜ゴム配合特性＞
表３に示したカーボンブラックを表４に示した割合でＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）に配合してゴム組成物とし、各種特性を測定した。結果を表５に纏めて示す。
【表４】
表４中の＊１〜＊７の詳細は次のとおりである。
＊１ 商品名：ＥＰ−２４〔ＪＳＲ社製〕
＊２ 商品名：ＰＷ−３８０〔出光興産社製〕
＊３ 商品名：ホワイトンＰ−３０〔白石工業社製〕
＊４ 商品名：ノクセラーＭ〔大内新興化学工業社製〕
＊５ 商品名：ノクセラーＴＴ〔大内新興化学工業社製〕
＊６ 商品名：ノクセラーＴＲＡ〔大内新興化学工業社製〕
＊７ 商品名：ノクセラーＢＺ〔大内新興化学工業社製〕
【００２３】
【表５】
表５中の※１〜※６の詳細は次のとおりである。
※１ 試験片加硫条件：１５０℃×１５ｍｉｎ
※２ 試験片加硫条件：１５０℃×２０ｍｉｎ
※３ 試験条件：７０℃×２２ｈｒ
※４ 旭＃６０Ｇ対比指数（数が大きい方が黒い）
※５ 旭＃６０Ｇ対比指数（数が大きい方が光沢がある）
※６ 押出１ヶ月後の未加硫試料表面のブリードの有無
【００２４】
上記実施例及び比較例のカーボンブラックをＥＰＤＭに配合した表５のゴム特性の結果から、本発明のカーボンブラックの効果について説明する。なお、上記各特性は次の方法で測定した。
・ムーニー・スコーチ… ＪＩＳ Ｋ６３００−１：２００１に記載の方法
・押出特性 …ＡＳＴＭ Ｄ２２３０−９６：２００２に記載の方法
・硬さ …ＪＩＳ Ｋ６２５３：２００７に記載の方法
・引張試験 …ＪＩＳ Ｋ６２５１：２００４に記載の方法でダンベル状１号形試験片
の引張特性を測定
・反発弾性 …ＪＩＳ Ｋ６２５５：１９９６に記載の方法
・黒色度 …ＪＩＳ Ｚ８７２９：２００４に記載の方法
・光沢度 …ＪＩＳ Ｚ８７４１：１９９７に記載の方法で６０°の光沢度を測定
・ブリードの有無…押出特性で用いた試験片表面のブリードの有無を目視で観察
【００２５】
上記測定結果から以下のようなことが分かる。
（ｉ）補強性（引張強さ）について
表面積、ＤＢＰ吸収量、トルエン着色透過度などの物理化学特性がほぼ類似し、アグリゲートの複雑さを表す形状係数（Ｙ）が大きく異なる実施例１〜３と比較例１〜３〔形状係数（Ｙ）がいずれも本発明の範囲を下回る〕について、窒素吸着比表面積ＶＳ引張強さでプロットした結果を図３に示す。
図３から、一般的に引張強さの性能は、表面積とＤＢＰ吸収量の組合せにより決定されるが、これらの特性に加えて複雑さを表す形状係数（Ｙ）を本発明の数値範囲に制御することにより、従来よりも数％高い特性を示し、制御要因としての有効性は明らかである。なお、実施例１〜３では押出特性や硬さの特性については略同等である。
また、Ｎ２ＳＡ／ＩＡの比（Ｘ）が本発明の範囲を下回る比較例４、及びアグリゲート分布特性のΔＤ−５０／Ｄｍｏｄｅ（Ｚ）が本発明の範囲を上回る比較例７においては、１００％モジュラス値及び引張強さが従来のＦＥＦ（対照例）よりも低下した。
なお、実施例１の引張強さは対照例よりも低いが、これは、この特性に関与する要因が比表面積であるためであり、略同等の比表面積を有する実施例２と対照例とを対比すれば本発明の有位性は明らかである。
【００２６】
（ii）加工性について
ほぼ拮抗した物理化学特性を持つ実施例１〜３及び比較例１〜３を対比すると、押出速度において実施例の方がいずれも高い数値を示しており、またダイスウェルの値も改良されていることが分かる。
（iii）外観性について
黒色度に関しては、実施例１〜５と比較例１〜４、６〜８は従来のＦＥＦと同等であるといえるが、複雑さを表す形状係数（Ｙ）が本発明の範囲を上回る比較例５は従来のＦＥＦよりも黒色度が低下した。一方で光沢度に関しては、複雑さを表す形状係数（Ｙ）が大きくなる程、大きくなる傾向があることが分かった。
（iv）ゴム組成物の表面汚染性について
トルエン着色透過度（％）が本発明の範囲を外れた比較例８では、同時にＮ２ＳＡ／ＩＡ（Ｘ）も本発明範囲を上回る側に外れ、このカーボンブラック配合ゴム組成物では表面への未熱分解タール分の染み出し（ステイニング）が発生し、ブリードとして観察された。
（ｖ）まとめ
上記（ｉ）〜（iii）から、本発明のソフト系ファーネスカーボンブラックは加工性、外観性、圧縮永久歪み性を損なうことなく補強性が向上することが分かる。
【符号の説明】
【００２７】
１ カーボンブラック反応装置
２ 可燃性流体導入室
３ 酸素含有ガス導入管
４ 酸素含有ガス導入用円筒
５ 整流板
７ 燃料油噴霧装置
８ 収れん室
９ バーナータイル
１０ 原料油噴霧装置
１１ 原料油導入室
１２ 反応室
１３ 反応室継続兼急冷室
１４ 収れん帯域を定める部材
１５ 酸素含有ガス導入管
ａ 急冷水圧入噴霧装置
ｂ 急冷水圧入噴霧装置
ｃ 急冷水圧入噴霧装置
ｄ 急冷水圧入噴霧装置
ｅ 急冷水圧入噴霧装置
ｆ 急冷水圧入噴霧装置
ｇ 急冷水圧入噴霧装置
ｈ 急冷水圧入噴霧装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソフト系ファーネスカーボンブラック及びこのカーボンブラックをゴム成分に配合したゴム組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンブラックは、その主たる用途であるゴムへの特性、即ち加工性と補強性により分類されており、主なソフト系カーボンブラックとしては、半袖強性ファーネスカーボンブラック（Ｓｅｍｉ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ−ＳＲＦ）、汎用ファーネスカーボンブラック（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｆｕｒｎａｃｅ−ＧＰＦ）、良押出性ファーネスカーボンブラック（Ｆａｓｔ Ｅｘｔｒｕｄｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ−ＦＥＦ）などがある。
上記の「ソフト系」という名称表現は、ゴム配合時において軟らかいゴム組成物を与えることから生じたものであり、作業性が良い、発熱が少ない、多量配合ができるなどの特徴を有し、タイヤカーカス用、チューブ用、ベルト、シート材、ウェザ−ストリップなどのゴム部材の充填補強剤として広く利用されている。
ところで、カーボンブラックの基本的特性としては、ヨウ素吸着量や窒素吸着比表面積などで評価される比表面積及びカーボンブラック粒子のつながりによる高次構造（ストラクチャー）があることは周知である。しかしなから、カーボンブラックのゴムに対する付与特性の評価は、上記二つの特性だけでは不可能であることが広く認識されるようになってきており、これらの特性だけでゴム特性を制御することは困難である。
【０００３】
このような状況に鑑み、本出願人は先願１（特許文献１参照）において、ヨウ素吸着量（ＩＡ）が１５〜２５ｍｇ／ｇ、ジブチルフタレート吸収量（ＤＢＰＡ）が１００〜１５０ｍｌ／１００ｇの特性を有するファーネスカーボンブラックにおいて、遠心沈降分析によるストークス相当径の最頻度値（Ｄｓｔ）が下記式１を満足し、かつ着色力が式２を満足するソフト系ファーネスカーボンブラックを提案した。
式１ Ｄｓｔ≧（ＤＢＰＡ）−７．５（ＩＡ）＋３５０
式２ 着色力≦（ＩＡ）＋２５
このソフト系ファーネスカーボンブラックは、カーボンブラック多量配合時の分散不良及びゴム配合物の押出特性の低下を改善すると共に、反発弾性、圧縮永久歪みなどの特性を向上させる効果がある。しかしながら、ヨウ素吸着量の範囲が従来のカーボンブラックよりも低い側にあるため、補強性、特に引張り特性が低下する傾向にあった。
【０００４】
この欠点を改良するため、本出願人は先願２（特許文献２参照）において、ヨウ素吸着量（ＩＡ）が３５〜５０ｍｇ／ｇであり、ジブチルフタレート吸収量（ＤＢＰＡ）が１２０ｍｌ／１００ｇを超え１４０ｍｌ／１００ｇ未満の範囲内にあり、△ＤＢＰＡ（ＤＢＰＡ−２４Ｍ４ＤＢＰＡ）が４０ｍｌ／１００ｇを超え５０ｍｌ／１００ｇ未満の範囲内にあり、かつ、遠心沈降分析によるカーボンブラックアゲリケードのストークス相当径の最多頻度値（Ｄｓｔ）が、
Ｄｓｔ≧｛（ＤＢＰＡ）２−（ＩＡ）２｝１／２＋８０
の関係を満足することを特徴とする、先願１のソフト系ファーネスカーボンブラックよりも表面積が大きいカーボンブラックの発明を開示し、ゴム組成物における分散性を著しく改良すると共に、ゴム組成物に対して優れた反発弾性と圧縮永久歪み特性を付与するソフト系カーボンブラックを提供した。
【０００５】
しかし、最近ではゴム組成物に配合するカーボンブラックにおける顧客の要求性能、特に引張り強さや弾性率などの機械的特性に関する要求は更に増大しており、その代表例として自動車の車内空間のシール材料として使用されるゴム部材に対する性能向上がある。
雨、風、埃の中を高速で走行する自動車には、車室や客室へ雨や埃が入り込まないように様々なゴム組成物が使用されている。例えば、窓ガラスを車体に密着させるウェザーストリップやドアシール部材、回転するエンジンやトランスミッションの軸を伝わって油の漏出を防止するオイルシール、ブレーキピストンでの油の漏出を防ぐブレーキキャップなどがある。これらのゴム組成物は過酷な環境で使用されるため、耐候性、耐油性、耐摩耗性、耐久性等が要求される。その中でもゴム組成物の安全性を高め、寿命を向上させる上でゴム組成物の機械的強度を上げることが最も重要な要求項目である。
ゴム組成物の機械的強度を向上させる方法としては、カーボンブラックの粒子径を小さくすることが提案されている。しかし、カーボンブラックの粒子径を小さくすると、配合ゴム組成物の粘度上昇や加硫時間の短縮が考えられ、加工性を損なう可能性がある。このため、粒子径範囲は従来とほぼ同等のままで、補強性等の機械的特性のみを向上させることは困難であった。この問題を解決するために開発されたのが前記先願発明であったが、前述したように従来のＦＥＦと同等の押出し特性や外観特性、圧縮永久歪み性を維持しながら、機械的強度を一層向上させることのできるソフト系ファーネスカーボンブラックへの要望が近年益々強くなり、この対応が急務となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２−１１６６４号公報
【特許文献２】特開平３−２２７３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ゴムに配合したとき、従来のＦＥＦ（Ｆａｓｔ Ｅｘｔｒｕｄｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ）級カーボンブラックと比べて、加工性を維持しながら機械的特性の向上を可能にするソフト系ファーネスカーボンブラック及びこれを配合したゴム組成物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、次の１）〜２）の発明によって解決される。
１） 窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）が３０〜５０ｍ２／ｇ、ジブチルフタレート吸収量（ＤＢＰＡ）が１００〜１４０ｍｌ／１００ｇ、トルエン着色透過度（ＴＴ）が８０％以上の領域にあるファーネスカーボンブラックであって、下記式（１）のＸが１．００〜１．２０、下記式（２）のＹが２４０〜３５０、かつ下記式（３）のＺが０．８０〜１．２０であることを特徴とするソフト系ファーネスカーボンブラック。
【数１】
上記式中、ＩＡはヨウ素吸着量、Ｙはアグリゲートの複雑さを表す形状係数、ＰＭとＡは透過型電子顕微鏡像によるアグリゲート画像の周囲長と投影面積、ＤｍｏｄｅとΔＤ−５０は遠心沈降法で測定したカーボンブラックアグリゲートサイズのモード径と半値幅である。
２） 天然ゴム及び／又は合成ゴム成分に対して、１）記載のソフト系ファーネスカーボンブラックを配合したことを特徴とするゴム組成物。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ゴムに配合したとき、従来のＦＥＦ級カーボンブラックと比べて、加工性を維持しながら機械的特性の向上を可能にするソフト系ファーネスカーボンブラック及びこれを配合したゴム組成物を提供できる。
即ち、ゴムに配合したとき、従来のＦＥＦ級カーボンブラックと同等の押出し特性、黒色度や光沢度といった外観特性、圧縮永久歪み性を維持しながら、機械的強度を一層向上させることができるソフト系ファーネスカーボンブラックを提供できる。
また、スポンジ押出製品や低硬度ゴム製品などのように押出加工の難しい部材に配合した場合にも、優れた押出加工性と圧縮永久歪み特性を付与することができるソフト系カーボンブラックを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のカーボンブラックを製造するのに好適な製造炉の一例を示す縦断面図である。
【図２】図１の先頭部を示す部分拡大図である。
【図３】実施例１〜３、比較例１〜３及び対照例について、窒素吸着比表面積ＶＳ引張強さでプロットした結果を示す図である。
【００１１】
以下、上記本発明について詳しく説明する。
本発明者らは、従来のＦＥＦ級カーボンブラックと比べて、加工性、外観性、圧縮永久歪み性を維持しながら補強性を向上させることができるカーボンブラックについて鋭意研究を進めた結果、前記式（１）〜（３）の要件を満足するソフト系ファーネスカーボンブラックをゴムに配合すれば、前述した本出願人の先願に係る従来のＦＥＦ級カーボンブラックと同等の加硫ゴム物性を満足し、かつ機械的特性を向上させることができることを見出し、本発明に到達した。
なお、本発明が適用可能なゴムとしては天然ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエン共重合ゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、アクリルニトリル−ブタジエンゴムなどが挙げられ、これらを任意に組み合わせたブレンドゴムにも適用可能である。
【００１２】
本発明のカーボンブラックにおいて、窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）が３０ｍ２／ｇを下回ると、粘度が低下して押出し時の形状保持が困難となり、５０ｍ２／ｇを上回ると、粘度が上昇して押出しが困難となる。また、ジブチルフタレート吸収量（ＤＢＰＡ）が１００ｍｌ／１００ｇを下回ると、押出し後の収縮が大きくなり、１４０ｍｌ／１００ｇを上回ると、耐圧縮永久歪み性が低下する。また、トルエン着色透過度（ＴＴ）が８０％を下回ると、ゴム配合物からのカーボンブラック表面の未分解タール分の染み出しによる汚染性を回避することが困難となる。ＴＴは好ましくは８５％以上、より好ましくは９０％以上である。
【００１３】
更に本発明では、カーボンブラックの表面活性を表す指標として、Ｎ２ＳＡとヨウ素吸着量（ＩＡ）の比（Ｘ）を用いているが、この比（Ｘ）が１．００を下回ると、ポリマーとの相互作用が小さくなるので補強性が低下し本発明が求める補強性の向上が困難となる。逆にこの比（Ｘ）が１．２０を上回ると、カーボンブラック表面の未分解タール分が増加し、トルエン着色透過度が８０％を下回って、ゴム配合物の汚染性を回避することが困難となる。
【００１４】
また、本発明ではカーボンブラックの透過型電子顕微鏡像から得られる凝集体の複雑さを表す形状係数を指標として用いている。
一般に、ＤＢＰＡが同じでも生成条件によって凝集体の形状が変化することが知られている。そこで、カーボンブラックの凝集体の発達度合いをより精確に評価するために鋭意研究した結果、透過型電子顕微鏡像の画像解析で得られるアグリゲートの複雑さを表す形状係数（Ｙ）の値が、カーボンブラックのストラクチャーの発達度合いを表す指標として有用なことを見出した。（Ｙ）の値が１００の場合は完全な円であることを表す。ストラクチャーが発達するに伴い（Ｙ）の値が増加する。凝集体の形状と補強性の関係を研究した結果、（Ｙ）が２４０以上のとき、顕著な機械的特性の向上を確認した。一方、（Ｙ）が３５０を超えるとゴム配合物の外観の黒さを示す黒色度が低下してしまうので外観特性を維持することが困難となってくる。
【００１５】
これらの指標に加えて、本発明ではカーボンブラックのアグリゲートサイズ分布を遠心沈降法で測定されたモード径（Ｄｍｏｄｅ）に対する半値幅（ΔＤ−５０）の比（Ｚ）で表しており、この分布指数（Ｚ）の値が０．８０を下回ると、粘度が上昇して押出しが困難となり、逆に１．２０を上回ると、配合ゴム組成物の機械的特性が低下し、この為に本発明で求めるレベルの維持が困難となる。本発明の目標である加工性を維持しつつ補強性を向上させるためには、上記（Ｘ）（Ｙ）及び（Ｚ）の３つの特性を満たす必要がある。
【実施例】
【００１６】
以下、実施例及び比較例を示して本発明を更に詳しく説明するが、本発明は、これらの実施例により限定されるものではない。
【００１７】
実施例１〜５、比較例１〜８
［製造例］
図１、図２に示す構造のオイルファーネス炉（特開平０７−３１６４６０号公報参照）を用いてカーボンブラックを製造した。原料油の性状は表１に示す通りである。
【表１】
【００１８】
カーボンブラックの製造条件を表２に示す。
【表２】
【００１９】
なお、各実施例及び比較例のカーボンブラックの物理化学特性の制御は上記の各種製造条件を調整して行ったが、具体的には（Ｘ）、（Ｙ）及び（Ｚ）の３つの特性は次のようにして調整した。
＜Ｎ２ＳＡとヨウ素吸着量（ＩＡ）の比（Ｘ）の調整＞は、導入総空気量に対する原料油供給量を調節すること及び急冷位置までの距離を短くすることにより行った。
＜複雑さを表す形状係数（Ｙ）の調整＞は、反応室に導入する空気量を調節することにより行った。
＜アグリゲートサイズ分布指数（Ｚ）＞の調整は、可燃性流体導入室への導入総空気量の制御により行った。
【００２０】
表２に示す製造条件により得られたカーボンブラックの物理化学特性を表３に示す。
なお、実施例１〜５は本発明に係るファーネスカーボンブラックであり、比較例１〜８は本発明の請求項１に規定した何れかの要件を満たさないカーボンブラックである。また対照例は一般的なＦＥＦ級カーボンブラックの例である「旭＃６０Ｇ：旭カーボン社製」の値を示す。
【表３】
【００２１】
＜各特性の測定＞
カーボンブラックの物理化学特性は次のようにして測定した。
（１）ＤＢＰ吸収量（ＤＢＰＡ）
ＪＩＳ Ｋ６２１７−４：２００１に記載の方法による、１００ｇ当たりに吸収されるＤＢＰの容積（ｍｌ／１００ｇ）を示した。
（２）窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）
ＪＩＳ Ｋ６２１７−２：２００１に記載の方法による、単位重量当たりに吸着される窒素表面積（ｍ２／ｇ）を示した。
（３）ヨウ素吸着量（ＩＡ）
ＪＩＳ Ｋ６２１７−１：２００８に記載の方法による、単位重量当たりに吸着されるヨウ素量（ｍｇ／ｇ）を示した。
（４）トルエン着色透過度
ＪＩＳ Ｋ６２１８−４：２００５に記載の方法による、カーボンブラックから抽出される物質によってトルエンが着色される程度を、トルエンのブランク値を１００とした透過度（％）で示した。
（５）複雑さの形状係数（Ｙ）
ＡＳＴＭ Ｄ ３８４９−０７：２００８に記載の方法により最終倍率５，０００倍で表示された画像をニレコ社製の画像解析装置ＬＵＺＥＸ―ＦＳを用いて周囲長（ＰＭ）と投影面積（Ａ）から下記の式を用いて算出した。
【数２】
（６）アグリゲートサイズ分布指数 ΔＤ−５０／Ｄｍｏｄｅ（Ｚ）
ＪＩＳ Ｋ６２１７−６：２００８に記載の方法によるストークス径のモード径（Ｄｍｏｄｅ）に対する半値幅（ΔＤ−５０）の比を示した。
【００２２】
＜ゴム配合特性＞
表３に示したカーボンブラックを表４に示した割合でＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）に配合してゴム組成物とし、各種特性を測定した。結果を表５に纏めて示す。
【表４】
表４中の＊１〜＊７の詳細は次のとおりである。
＊１ 商品名：ＥＰ−２４〔ＪＳＲ社製〕
＊２ 商品名：ＰＷ−３８０〔出光興産社製〕
＊３ 商品名：ホワイトンＰ−３０〔白石工業社製〕
＊４ 商品名：ノクセラーＭ〔大内新興化学工業社製〕
＊５ 商品名：ノクセラーＴＴ〔大内新興化学工業社製〕
＊６ 商品名：ノクセラーＴＲＡ〔大内新興化学工業社製〕
＊７ 商品名：ノクセラーＢＺ〔大内新興化学工業社製〕
【００２３】
【表５】
表５中の※１〜※６の詳細は次のとおりである。
※１ 試験片加硫条件：１５０℃×１５ｍｉｎ
※２ 試験片加硫条件：１５０℃×２０ｍｉｎ
※３ 試験条件：７０℃×２２ｈｒ
※４ 旭＃６０Ｇ対比指数（数が大きい方が黒い）
※５ 旭＃６０Ｇ対比指数（数が大きい方が光沢がある）
※６ 押出１ヶ月後の未加硫試料表面のブリードの有無
【００２４】
上記実施例及び比較例のカーボンブラックをＥＰＤＭに配合した表５のゴム特性の結果から、本発明のカーボンブラックの効果について説明する。なお、上記各特性は次の方法で測定した。
・ムーニー・スコーチ… ＪＩＳ Ｋ６３００−１：２００１に記載の方法
・押出特性 …ＡＳＴＭ Ｄ２２３０−９６：２００２に記載の方法
・硬さ …ＪＩＳ Ｋ６２５３：２００７に記載の方法
・引張試験 …ＪＩＳ Ｋ６２５１：２００４に記載の方法でダンベル状１号形試験片
の引張特性を測定
・反発弾性 …ＪＩＳ Ｋ６２５５：１９９６に記載の方法
・黒色度 …ＪＩＳ Ｚ８７２９：２００４に記載の方法
・光沢度 …ＪＩＳ Ｚ８７４１：１９９７に記載の方法で６０°の光沢度を測定
・ブリードの有無…押出特性で用いた試験片表面のブリードの有無を目視で観察
【００２５】
上記測定結果から以下のようなことが分かる。
（ｉ）補強性（引張強さ）について
表面積、ＤＢＰ吸収量、トルエン着色透過度などの物理化学特性がほぼ類似し、アグリゲートの複雑さを表す形状係数（Ｙ）が大きく異なる実施例１〜３と比較例１〜３〔形状係数（Ｙ）がいずれも本発明の範囲を下回る〕について、窒素吸着比表面積ＶＳ引張強さでプロットした結果を図３に示す。
図３から、一般的に引張強さの性能は、表面積とＤＢＰ吸収量の組合せにより決定されるが、これらの特性に加えて複雑さを表す形状係数（Ｙ）を本発明の数値範囲に制御することにより、従来よりも数％高い特性を示し、制御要因としての有効性は明らかである。なお、実施例１〜３では押出特性や硬さの特性については略同等である。
また、Ｎ２ＳＡ／ＩＡの比（Ｘ）が本発明の範囲を下回る比較例４、及びアグリゲート分布特性のΔＤ−５０／Ｄｍｏｄｅ（Ｚ）が本発明の範囲を上回る比較例７においては、１００％モジュラス値及び引張強さが従来のＦＥＦ（対照例）よりも低下した。
なお、実施例１の引張強さは対照例よりも低いが、これは、この特性に関与する要因が比表面積であるためであり、略同等の比表面積を有する実施例２と対照例とを対比すれば本発明の有位性は明らかである。
【００２６】
（ii）加工性について
ほぼ拮抗した物理化学特性を持つ実施例１〜３及び比較例１〜３を対比すると、押出速度において実施例の方がいずれも高い数値を示しており、またダイスウェルの値も改良されていることが分かる。
（iii）外観性について
黒色度に関しては、実施例１〜５と比較例１〜４、６〜８は従来のＦＥＦと同等であるといえるが、複雑さを表す形状係数（Ｙ）が本発明の範囲を上回る比較例５は従来のＦＥＦよりも黒色度が低下した。一方で光沢度に関しては、複雑さを表す形状係数（Ｙ）が大きくなる程、大きくなる傾向があることが分かった。
（iv）ゴム組成物の表面汚染性について
トルエン着色透過度（％）が本発明の範囲を外れた比較例８では、同時にＮ２ＳＡ／ＩＡ（Ｘ）も本発明範囲を上回る側に外れ、このカーボンブラック配合ゴム組成物では表面への未熱分解タール分の染み出し（ステイニング）が発生し、ブリードとして観察された。
（ｖ）まとめ
上記（ｉ）〜（iii）から、本発明のソフト系ファーネスカーボンブラックは加工性、外観性、圧縮永久歪み性を損なうことなく補強性が向上することが分かる。
【符号の説明】
【００２７】
１ カーボンブラック反応装置
２ 可燃性流体導入室
３ 酸素含有ガス導入管
４ 酸素含有ガス導入用円筒
５ 整流板
７ 燃料油噴霧装置
８ 収れん室
９ バーナータイル
１０ 原料油噴霧装置
１１ 原料油導入室
１２ 反応室
１３ 反応室継続兼急冷室
１４ 収れん帯域を定める部材
１５ 酸素含有ガス導入管
ａ 急冷水圧入噴霧装置
ｂ 急冷水圧入噴霧装置
ｃ 急冷水圧入噴霧装置
ｄ 急冷水圧入噴霧装置
ｅ 急冷水圧入噴霧装置
ｆ 急冷水圧入噴霧装置
ｇ 急冷水圧入噴霧装置
ｈ 急冷水圧入噴霧装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）が３０〜５０ｍ２／ｇ、ジブチルフタレート吸収量（ＤＢＰＡ）が１００〜１４０ｍｌ／１００ｇ、トルエン着色透過度（ＴＴ）が８０％以上の領域にあるファーネスカーボンブラックであって、下記式（１）のＸが１．００〜１．２０、下記式（２）のＹが２４０〜３５０、かつ下記式（３）のＺが０．８０〜１．２０であることを特徴とするソフト系ファーネスカーボンブラック。
【数３】
上記式中、ＩＡはヨウ素吸着量、Ｙはアグリゲートの複雑さを表す形状係数、ＰＭとＡは透過型電子顕微鏡像の周囲長と投影面積、ＤｍｏｄｅとΔＤ−５０は遠心沈降法で測定したカーボンブラックアグリゲートサイズのモード径と半値幅である。
【請求項２】
天然ゴム及び／又は合成ゴム成分に対して、請求項１記載のソフト系ファーネスカーボンブラックを配合したことを特徴とするゴム組成物。
【請求項１】
窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）が３０〜５０ｍ２／ｇ、ジブチルフタレート吸収量（ＤＢＰＡ）が１００〜１４０ｍｌ／１００ｇ、トルエン着色透過度（ＴＴ）が８０％以上の領域にあるファーネスカーボンブラックであって、下記式（１）のＸが１．００〜１．２０、下記式（２）のＹが２４０〜３５０、かつ下記式（３）のＺが０．８０〜１．２０であることを特徴とするソフト系ファーネスカーボンブラック。
【数３】
上記式中、ＩＡはヨウ素吸着量、Ｙはアグリゲートの複雑さを表す形状係数、ＰＭとＡは透過型電子顕微鏡像の周囲長と投影面積、ＤｍｏｄｅとΔＤ−５０は遠心沈降法で測定したカーボンブラックアグリゲートサイズのモード径と半値幅である。
【請求項２】
天然ゴム及び／又は合成ゴム成分に対して、請求項１記載のソフト系ファーネスカーボンブラックを配合したことを特徴とするゴム組成物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１５８６９９（Ｐ２０１２−１５８６９９Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０１７２（Ｐ２０１１−２０１７２）
【出願日】平成２３年２月１日（２０１１．２．１）
【出願人】（０００１１６７４７）旭カーボン株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１日（２０１１．２．１）
【出願人】（０００１１６７４７）旭カーボン株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
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