特表 2024-532290 高構造カーボンブラックおよびそれを含むプラスチック組成物

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-09-05

(54)【発明の名称】高構造カーボンブラックおよびそれを含むプラスチック組成物

(51)【国際特許分類】

   C08L 101/00 20060101AFI20240829BHJP

   C08K 3/04 20060101ALI20240829BHJP

   C08L 23/00 20060101ALI20240829BHJP

   C08L 23/12 20060101ALI20240829BHJP

   C08L 23/06 20060101ALI20240829BHJP

   C08J 3/20 20060101ALI20240829BHJP

【ＦＩ】

C08L101/00

C08K3/04

C08L23/00

C08L23/12

C08L23/06

C08J3/20 B CER

C08J3/20 CEZ

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024512079

(86)(22)【出願日】2022-08-23

(85)【翻訳文提出日】2024-04-10

(86)【国際出願番号】 US2022041217

(87)【国際公開番号】W WO2023028053

(87)【国際公開日】2023-03-02

(31)【優先権主張番号】63/236,153

(32)【優先日】2021-08-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】506093430

【氏名又は名称】ビルラ カーボン ユー．エス．エー．，インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100119013

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 一夫

(74)【代理人】

【識別番号】100111796

【弁理士】

【氏名又は名称】服部 博信

(74)【代理人】

【識別番号】100123766

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 七重

(72)【発明者】

【氏名】リ ゼンペン

(72)【発明者】

【氏名】フ ザオカン

(72)【発明者】

【氏名】コームズ ザカリー エイ

(72)【発明者】

【氏名】ティアン ジュン

(72)【発明者】

【氏名】ライ ゼン

【テーマコード（参考）】

4F070

4J002

【Ｆターム（参考）】

4F070AA07

4F070AA12

4F070AA18

4F070AA22

4F070AA29

4F070AA42

4F070AA50

4F070AA54

4F070AC04

4F070AD04

4F070AE06

4F070FA03

4F070FB07

4F070FC06

4J002AA011

4J002AA021

4J002BB031

4J002BB121

4J002BC031

4J002BD041

4J002BG031

4J002BN151

4J002CB001

4J002CG001

4J002CL001

4J002DA036

4J002FD020

4J002FD070

4J002FD116

4J002FD160

(57)【要約】

高構造充填材材料を含むポリマー組成物および構造を保持したままそのような組成物を調製する方法。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポリマー組成物であって、
ａ）カーボンブラック充填材と、
ｂ）溶融処理可能ポリマーと、を含み、
約１６ｍｍのスクリュー直径および約２５：１の長さ対直径比を有する単軸または二軸押出機を使用して、ある押出温度（℃）およびあるスクリュー速度（ＲＰＭ）で前記ポリマー組成物を押出すことによって調製されたテープ試料は、同じ供給速度（ｇ／分）であるが、（ｉ）前記テープ試料が押出される前記押出温度よりも少なくとも５％低い基準押出温度（℃）で、かつ（ｉｉ）テープ試料が押出される前記スクリュー速度よりも少なくとも５０％高い基準スクリュー速度（ＲＰＭ）で、同じ単軸または二軸押出機で実質的に同一の基準組成物から押出された基準前記テープ試料よりも少なくとも５重量パーセント少ないパーコレーション閾値を示し、
前記パーコレーション閾値が、前記テープ試料および基準テープ試料が約１０⁶Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示す前記溶融処理可能ポリマー中のカーボンブラック充填材の重量パーセントである、ポリマー組成物。

【請求項2】

前記テープ試料が、前記基準テープ試料より５重量パーセント～１５重量パーセント少ないパーコレーション閾値を示す、請求項１に記載のポリマー組成物。

【請求項3】

前記基準押出温度が、前記テープ試料が押出される前記押出温度より５％～１５％低い、請求項１または２に記載のポリマー組成物。

【請求項4】

前記基準スクリュー速度が、前記テープ試料が押し出される前記スクリュー速度より５０％～２００％高い、請求項１～３の何れかに記載のポリマー組成物。

【請求項5】

前記ポリマー組成物中の前記カーボンブラック充填材は、
ａ）４００ｎｍ未満の粒度を有する約２５重量パーセント～約５０重量パーセント、および
ｂ）４００ｎｍ～７００ｎｍの範囲の粒度を有する約４０重量パーセント～約６５重量パーセントの凝集体サイズ分布を有する、先行請求項の何れかに記載のポリマー組成物。

【請求項6】

前記パーコレーション閾値が、前記テープ試料および基準テープ試料が約１０⁴Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示す前記溶融処理可能ポリマー中のカーボンブラック充填材の前記重量パーセントである、先行請求項の何れかに記載のポリマー組成物。

【請求項7】

粉末形態の前記カーボンブラック充填材が、
ａ）約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の窒素表面積（ＮＳＡ）、
ｂ）約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の統計的厚さ表面積（ＳＴＳＡ）、
ｃ）約１７５ｃｃ／１００ｇ～約２７５ｃｃ／１００ｇの範囲の吸油量、および
ｄ）約８５ｃｃ／１００ｇ～約１３５ｃｃ／１００ｇの範囲の圧縮による吸油量（ＣＯＡＮ）の特性のうち、少なくとも１つを有する、先行請求項の何れかに記載のポリマー組成物。

【請求項8】

ビーズ形態の前記カーボンブラック充填材が、
ａ）約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の窒素表面積（ＮＳＡ）、
ｂ）約４０ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の統計的厚さ表面積（ＳＴＳＡ）、
ｃ）約１３０ｃｃ／１００ｇ～約２２０ｃｃ／１００ｇの範囲の吸油量、および
ｄ）約７５ｃｃ／１００ｇ～約１３５ｃｃ／１００ｇの範囲の圧縮による吸油量（ＣＯＡＮ）の特性のうち、少なくとも１つを有する、先行請求項の何れかに記載のポリマー組成物。

【請求項9】

前記溶融処理可能ポリマーが、熱可塑性または熱硬化性ポリマーである、先行請求項に記載のポリマー組成物。

【請求項10】

前記溶融処理可能ポリマーが、ポリオレフィンである、先行請求項に記載のポリマー組成物。

【請求項11】

前記ポリオレフィンが、ポリエチレンまたはポリプロピレンである、請求項１０に記載のポリマー組成物。

【請求項12】

前記溶融処理可能ポリマーが、アセタール、アクリル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン、またはポリカーボネートである、請求項１～８の何れかに記載のポリマー組成物。

【請求項13】

前記ポリマー組成物の重量に対して最大４０％までの前記カーボンブラック充填材を含む、先行請求項の何れかに記載のポリマー組成物。

【請求項14】

ポリマー配合物を調製するプロセスであって、
ａ）混合装置内で溶融処理可能ポリマーからポリマーメルトを得るステップと、
ｂ）カーボンブラック充填材を、ある温度（℃）および、あるせん断速度（ｓ^-1）で前記混合装置を用いて前記ポリマーメルトの中に混合して前記ポリマー組成物を提供するステップと、を含み、
前記ポリマー組成物から得られる固体試料が、前記混合装置中で（ｉ）前記ポリマー組成物が混合される温度よりも少なくとも５％低い基準温度（℃）で、かつ（ｉｉ）前記ポリマー組成物が混合される前記せん断速度よりも少なくとも５０％高い基準せん断速度（ｓ^-1）で混合された実質的に同一の基準組成物から得られる固体基準試料よりも少なくとも５重量パーセント低いパーコレーション閾値を示し、
前記パーコレーション閾値は、前記固体試料および固体基準試料が約１０⁶Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示す前記ポリマー組成物中のカーボンブラック充填材の重量パーセントである、プロセス。

【請求項15】

前記固体試料が、前記固体基準試料より５重量パーセント～１５重量パーセント少ないパーコレーション閾値を示す、請求項１４に記載のプロセス。

【請求項16】

前記基準温度が、前記固体試料が得られる前記温度より５％～１５％低い、請求項１４または１５に記載のプロセス。

【請求項17】

前記基準せん断速度が、前記固体試料が得られる前記せん断速度より５０％～２００％低い、請求項１４～１６の何れかに記載のプロセス。

【請求項18】

前記ポリマー組成物中の前記カーボンブラック充填材が、
ａ）４００ｎｍ未満の粒度を有する約２５重量パーセント～約５０重量パーセント、および
ｂ）４００ｎｍ～７００ｎｍの範囲の粒度を有する約４０重量パーセント～約６５重量パーセントの凝集体サイズ分布を有する、請求項１４～１７の何れかに記載のプロセス。

【請求項19】

前記パーコレーション閾値が、前記固体試料および固体基準試料が約１０⁴Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示す前記ポリマー組成物中のカーボンブラック充填材の前記重量パーセントである、請求項１４～１８の何れかに記載のプロセス。

【請求項20】

粉末形態の前記カーボンブラック充填材が、
ａ）約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の窒素表面積（ＮＳＡ）、
ｂ）約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の統計的厚さ表面積（ＳＴＳＡ）、
ｃ）約１７５ｃｃ／１００ｇ～約２７５ｃｃ／１００ｇの範囲の吸油量、および
ｄ）約８５ｃｃ／１００ｇ～約１３５ｃｃ／１００ｇの範囲の圧縮による吸油量（ＣＯＡＮ）の特性のうち、少なくとも１つを有する、請求項１４～１９の何れかに記載のプロセス。

【請求項21】

ビーズ形態の前記カーボンブラック充填材が、
ａ）約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の窒素表面積（ＮＳＡ）、
ｂ）約４０ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の統計的厚さ表面積（ＳＴＳＡ）、
ｃ）約１３０ｃｃ／１００ｇ～約２２０ｃｃ／１００ｇの範囲の吸油量、および
ｄ）約７５ｃｃ／１００ｇ～約１３５ｃｃ／１００ｇの範囲の圧縮による吸油量（ＣＯＡＮ）の特性のうち、少なくとも１つを有する、請求項１４～２０の何れかに記載のプロセス。

【請求項22】

前記溶融処理可能ポリマーが、熱可塑性または熱硬化性ポリマーである、請求項１４～２１の何れかに記載のプロセス。

【請求項23】

前記溶融処理可能ポリマーが、ポリオレフィンである、請求項１４～２２の何れかに記載のプロセス。

【請求項24】

前記ポリオレフィンが、ポリエチレンまたはポリプロピレンである、請求項２３に記載のプロセス。

【請求項25】

前記溶融処理可能ポリマーが、アセタール、アクリル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン、またはポリカーボネートである、請求項１４～２１の何れかに記載のプロセス。

【請求項26】

前記ポリマー組成物が、前記ポリマー組成物の重量に対して最大４０％までの前記カーボンブラック充填材を含む、請求項１４～２５の何れかに記載のプロセス。

【請求項27】

ステップ（ａ）および（ｂ）は同時または順次に実施される、請求項１４～２６の何れかに記載のプロセス。

【請求項28】

ポリマー組成物であって、
ａ）溶融処理可能ポリマーと、
ｂ）前記ポリマー組成物の約５重量％～約３０重量％の範囲の量のカーボンブラック充填材と、を含み、
前記ポリマー組成物の固体試料が、約１０⁶Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示す、ポリマー組成物。

【請求項29】

前記ポリマー組成物の固体試料が、約１０⁴Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示す、請求項２８に記載のポリマー組成物。

【請求項30】

前記カーボンブラック充填材が、
ａ）４００ｎｍ未満の粒度を有する約２５重量パーセント～約５０重量パーセント、および
ｂ）４００ｎｍ～７００ｎｍの範囲の粒度を有する約４０重量パーセント～約６５重量パーセントの凝集体サイズ分布を有する、請求項２８または２９に記載のポリマー組成物。

【請求項31】

粉末形態の前記カーボンブラック充填材が、
ａ）約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の窒素表面積（ＮＳＡ）、
ｂ）約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の統計的厚さ表面積（ＳＴＳＡ）、
ｃ）約１７５ｃｃ／１００ｇ～約２７５ｃｃ／１００ｇの範囲の吸油量、および
ｄ）約８５ｃｃ／１００ｇ～約１３５ｃｃ／１００ｇの範囲の圧縮による吸油量（ＣＯＡＮ）の特性のうち、少なくとも１つを有する、請求項２８～３０の何れかに記載のポリマー組成物。

【請求項32】

ビーズ形態の前記カーボンブラック充填材が、
ａ）約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の窒素表面積（ＮＳＡ）、
ｂ）約４０ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の統計的厚さ表面積（ＳＴＳＡ）、
ｃ）約１３０ｃｃ／１００ｇ～約２２０ｃｃ／１００ｇの範囲の吸油量、および
ｄ）約７５ｃｃ／１００ｇ～約１３５ｃｃ／１００ｇの範囲の圧縮による吸油量（ＣＯＡＮ）の特性のうち、少なくとも１つを有する、請求項３８～３１の何れかに記載のポリマー組成物。

【請求項33】

前記溶融処理可能ポリマーが、熱可塑性または熱硬化性ポリマーである、請求項２８～３２の何れかに記載のポリマー組成物。

【請求項34】

前記溶融処理可能ポリマーが、ポリオレフィンである、請求項２８～３３の何れかに記載のポリマー組成物。

【請求項35】

前記ポリオレフィンが、ポリエチレンまたはポリプロピレンである、請求項３４に記載のポリマー組成物。

【請求項36】

前記溶融処理可能ポリマーが、アセタール、アクリル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン、またはポリカーボネートである、請求項２８～３２の何れかに記載のポリマー組成物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年８月２３日に出願された米国仮出願第６３／２３６，１５３号の優先権を主張するものであり、その全内容が参照により本出願に援用される。

【0002】

本開示は、カーボンブラック材料、また、特に、高構造カーボンブラック材料に関し、併せて、そのようなカーボンブラック材料の製造方法および使用方法に関する。

【背景技術】

【0003】

カーボンブラック材料は、高分子材料に望ましい特性を付与するために、様々な用途に利用することができる。様々な態様において、カーボンブラック材料は、それらを組み入れる材料に、例えばコンダクタンスの増加、または抵抗率の増加などの電気的特性を付与することができる。導電性カーボンブラックは、バッテリーを含む様々な用途に使用できる。

【0004】

カーボンブラック充填材を含むポリマーの導電率は、カーボンブラック充填材の構造に関係し得る。高構造カーボンブラックを製造することはできるが、この高構造は通常、充填材がポリマー系に配合される際に低減されるか、または分解されてしまう。したがって、改良された高構造充填材含有高分子材料およびその製造方法が必要とされている。これらのニーズおよび他のニーズは、本開示の組成物および方法によって満たされる。

【発明の概要】

【0005】

本明細書において具体化され、全般的に記載される本発明の目的（複数可）に従って、本開示は、一態様では、カーボンブラック材料に関し、また、特に高構造カーボンブラック材料に関する。

【0006】

一態様では、開示されたポリマー組成物は、カーボンブラック充填材と溶融処理可能ポリマーを含み、約１６ｍｍのスクリュー直径および約２５：１の長さ対直径比を有する単軸または二軸押出機を使用して、ある押出温度（℃）およびあるスクリュー速度（ＲＰＭ）でポリマー組成物を押出すことによって調製されたテープ試料は、同じ供給速度（ｇ／分）であるが、（ｉ）テープ試料が押出される押出温度よりも少なくとも５％低い基準押出温度（℃）で、かつ（ｉｉ）テープ試料が押出されるスクリュー速度よりも少なくとも５０％高い基準スクリュー速度（ＲＰＭ）で、同じ単軸または二軸押出機で実質的に同一の基準組成物から押出された基準テープ試料よりも少なくとも５重量パーセント少ないパーコレーション閾値を示し、パーコレーション閾値は、テープ試料および基準テープ試料が約１０⁶Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示す溶融処理可能ポリマー中のカーボンブラック充填材の重量パーセントである。

【0007】

別の態様では、ポリマー組成物を調製するためのプロセスが開示されており、このプロセスは、混合装置内で溶融処理可能ポリマーからポリマーメルトを得るステップと、カーボンブラック充填材を、ある温度（℃）および、あるせん断速度（ｓ^-1）で混合装置を用いてポリマーメルトの中に混合してポリマー組成物を提供することとを含み、ポリマー組成物から得られる固体試料が、混合装置中で（ｉ）ポリマー組成物が混合される温度よりも少なくとも５％低い基準温度（℃）で、かつ（ｉｉ）ポリマー組成物が混合されるせん断速度よりも少なくとも５０％高い基準せん断速度（ｓ^-1）で混合された実質的に同一の基準組成物から得られる固体基準試料よりも少なくとも５重量パーセント低いパーコレーション閾値を示し、パーコレーション閾値は、固体試料および固体基準試料が約１０⁶Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示すポリマー組成物中のカーボンブラック充填材の重量パーセントである。

【0008】

さらなる態様において、溶融処理可能ポリマーと、ポリマー組成物の約５重量％～約３０重量％の範囲の量のカーボンブラック充填材とを含み、ポリマー組成物の固体試料が、約１０⁶Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示すポリマー組成物が開示される。

【0009】

本発明の追加的な態様は、一部は以下の説明で述べられ、また、一部は説明から明らかであるか、または本発明を実施することによって知ることができる。本発明の利点は、添付の特許請求の範囲において、特に指摘されている要素および組み合わせによって実現され、達成される。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、共に、例示的かつ説明的なものに過ぎず、特許請求の範囲に記載された本発明を制限するものではないことを理解されたい。

【0010】

本明細書に援用され、本明細書の一部を構成する添付図は、いくつかの態様を例示し、本明細書とともに本発明の原理を説明するのに役立つ。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】ビルラカーボンブラックＢＣＤ９１１４Ｂ、ＢＣＤ９１１０Ｐ、およびビルラカーボン社のＣＯＮＤＵＣＴＥＸ７０５５ウルトラカーボンブラック（本出願では「Ｃ７０５５Ｕ」と称する）を含む例示的なポリプロピレン配合物の、抵抗率対カーボンブラック装填量のプロットであり、積極的な配合処理条件（低温、高スクリュー速度、高せん断）で調製されたポリマー配合物では、ＢＣＤ９１１４のパーコレーション濃度が低いことを示している。

【図2】ビルラカーボンＢＣＤ９１１４Ｂ、ＢＣＤ９１１０Ｐ、およびＣ７０５５Ｕカーボンブラックを含む例示的なポリプロピレン配合物の、抵抗率対カーボンブラック装填量のプロットであり、穏やかな配合処理条件（高温、低スクリュー速度、低せん断）で調製されたポリマー配合物では、積極的な配合処理条件で調製された同じ配合物に比べてパーコレーション濃度が５％低下することを示している。

【図3】２種類の例示的なカーボンブラックである、ビルラカーボンＢＣＤ９１１０およびＣ７０５５Ｕの凝集体サイズ分布のプロットを示す。

【図4】２種類の例示的なカーボンブラックである、ビルラカーボンＢＣＤ９１１０およびＣ７０５５Ｕの、空隙容積対平均圧力のプロットであり、ＢＣＤ９１１０の空隙容積がＣ７０５５Ｕより高いことを示している。

【図5】穏やかな処理条件と比較して積極的な処理条件下で調製された２つのビルラカーボン／ポリプロピレン配合物の、抵抗率対カーボンブラック装填量のプロットであり、積極的な廃業処理条件に対し、穏やかな配合処理条件に従って調製された配合物では、パーコレーション閾値が８重量％減少していることを示している。

【図6】ＢＣＤ９１１０ドライカーボンブラックのＶ’／Ｖの、穏やかな処理条件と積極的な処理条件に従って調製されたポリプロピレン中の配合物に対するプロットである。

【図7】ＢＣＤ９１１０カーボンブラックの重量％と、ドライカーボンブラックの凝集体サイズ保持率を穏やかな処理条件下および積極的な処理条件下にてポリプロピレン中で調製された配合物に対比して示すプロットである。

【図8】穏やかな配合処理と積極的な配合処理プロセスによって調製されたＰＰ／Ｃ７０５５Ｕ配合物の、カーボンブラック装填量に対する抵抗率のプロットを示しており、穏やかな処理では、積極的な処理条件で調製された同じ配合物に対してパーコレーション濃度が約１０重量％低下することを示している。

【図9】Ｃ７０５５ＵドライカーボンブラックのＶ’／Ｖの、穏やかな処理条件と積極的な処理条件に従って調製されたポリプロピレン中の配合物に対するプロットである。

【図10】Ｃ７０５５Ｕカーボンブラックの重量％と、ドライカーボンブラックの凝集体サイズ保持率を穏やかな処理条件下および積極的な処理条件下にてポリプロピレン中で調製された配合物に対比して示すプロットである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明は、以下の発明の詳細な説明およびその中に含まれる実施例を参照することにより、より容易に理解することができる。

【0013】

本配合物、組成物、成形品、システム、装置、および／または方法が開示され、説明される前に、それらは、特に指定されない限り、特定の合成方法に限定されないこと、または特に指定されない限り、特定の試薬に限定されないことを理解されたい。それは、当然ながらそれらは異なる場合があるからである。また、本明細書で使用される用語は、特定の態様を説明するためだけのものであり、限定することを意図したものではないことを理解されたい。本明細書に記載されたものと類似または同等の任意の方法および材料が本発明の実施または試験に使用することができるが、ここでは例示的な方法および材料について説明する。

【0014】

本明細書で言及されるすべての刊行物は、その刊行物が引用される方法および／または材料に関連して開示および記載されるために、参照により本明細書に援用される。

【0015】

別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本発明が属する技術分野における当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載されたものと類似または同等の任意の方法および材料が本発明の実施または試験に使用することができるが、ここでは例示的な方法および材料について説明する。

【0016】

本明細書で使用される場合、特に逆の指示がない限り、「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」という単数形は、文脈上別様であることが明らかでない限りは、複数形を含む。したがって、例えば、「充填材」または「溶媒」と言及した場合は、それぞれ２つ以上の充填材または溶媒の混合物を含む。

【0017】

本明細書において、範囲は、「約」ある特定の値から、および／または「約」別の特定の値までとして表すことができる。このような範囲が表現される場合、別の態様は、一方の特定の値から、および／または他方の特定の値までを含む。同様に、値が近似値として表現される場合、先行語「約」を用いることで、その特定の値が別の態様を形成していることが理解される。各範囲の終点は、他の終点との関係においても、また他の終点とは無関係に有意であることがさらに理解されよう。また、本明細書ではいくつかの値が開示されており、各値は、本明細書では、その値そのものに加えて、「約」その特定の値としても開示されることが理解される。例えば、「１０」という値が開示されていれば、「約１０」も開示されている。また、２つの特定の単位間の各単位も開示されていることが理解される。例えば、１０と１５が開示されていれば、１１、１２、１３、および１４も開示されている。

【0018】

数値の前に「約」が付く場合、特に断りのない限り、数値はプラスまたはマイナス１０％変動し得る。

【0019】

「パーコレーション閾値」という用語は、導電率を発揮できる、ポリマー配合物中のカーボンブラックの最低濃度を指す。一態様では、パーコレーション閾値が、ポリマー配合物が約１０⁶Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示すポリマー配合物中のカーボンブラック充填材の重量パーセントである。別の態様では、パーコレーション閾値が、ポリマー配合物が約１０⁴Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示すポリマー配合物中のカーボンブラック充填材の重量パーセントである。

【0020】

「実質的に同一の基準組成物」という用語は、組成物の成分およびそれらの成分の量が重量パーセント（プラスまたはマイナス１０重量パーセント、例えばプラスまたはマイナス５重量パーセント、プラスまたはマイナス２重量パーセント、プラスまたはマイナス１重量パーセント）で、すべての点で実質的に同一である組成物を指す。いくつかの態様において、「実質的に同一の基準組成物」とは、組成物の成分およびそれらの成分の量が、理解される測定誤差のマージンの範囲内で、すべての点で同一である組成物を指す。基準組成物は、溶融処理可能ポリマー、カーボンブラック、および他の任意の添加剤の種類および量の点では実質的に同一であるが、本発明の組成物に対する基準組成物の混合方法の違いに起因して、異なる物理的特性（例えば、他の特性のうちのカーボンブラック凝集体サイズ、表面抵抗率）を示す。

【0021】

本明細書で使用される場合、「任意の」または「任意に」という用語は、その後に記述される事象または状況が発生する可能性も発生しない可能性もあること、および当該事象または状況が発生する例と発生しない例が記述に含まれることを意味する。

【0022】

開示されるのは、本発明の組成物を調製するために使用される成分、および本明細書に開示される方法内で使用される組成物そのものである。これらの材料および他の材料が本明細書に開示されており、これらの材料の組み合わせ、サブセット、相互作用、グループなどが開示されている場合、これらの配合物の各々様々な個々の、および集合的な組み合わせや順列を具体的に言及して明示的に開示することはできないが、それぞれが本明細書で具体的に意図され、記載されていることが理解される。例えば、特定の配合物が開示され、論じられ、その配合物を含むいくつかのの分子に加えることができる多数の修飾が論じられている場合、特に反対の指示がない限り、その配合物および可能な修飾のありとあらゆる組み合わせおよび順列が具体的に意図されるものとする。したがって、分子Ａ、Ｂ、およびＣのクラス分子、ならびにＤ、Ｅ、およびＦのクラスが開示され、組み合わせ分子の一例であるＡ－Ｄが開示されている場合、それぞれが個別に記載されていなくても、それぞれは個々に、また集合的に、Ａ－Ｅ、Ａ－Ｆ、Ｂ－Ｄ、Ｂ－Ｅ、Ｂ－Ｆ、Ｃ－Ｄ、Ｃ－Ｅ、およびＣ－Ｆの組合せが開示されているとみなされる。同様に、これらの任意のサブセットまたは組み合わせも開示される。したがって、例えばＡ－Ｅ、Ｂ－Ｆ、Ｃ－Ｅのサブグループは開示されているとみなされる。この概念は、本発明の組成物を製造および使用する方法における手順を限定されることなく含む、本出願のあらゆる態様に適用される。したがって、実施可能な様々な追加手順がある場合、これらの追加手順の各々は、本発明の方法の任意の特定の実施形態または実施形態の組み合わせで実施可能であることが理解される。

【0023】

本明細書に開示された各材料は、市販されているか、および／またはその製造方法は当業者に知られている。

【0024】

本明細書に開示された組成物は、ある特定の機能を有することが理解される。本明細書で開示されるのは、開示される機能を実行するためのある特定の構造要件であり、開示される構造に関連する同じ機能を実行できる様々な構造が存在し、また、これらの構造は一般的には同じ結果を達成することが理解される。

【0025】

特に指示のない限り、成分部分は重量部分で測定され、温度は℃または、周囲温度であり、また、圧力は大気圧またはほぼ大気圧である。

【0026】

上記で簡単に説明したように、本開示はカーボンブラック材料、また、具体的には、高構造カーボンブラック材料を提供する。様々な態様において、このようなカーボンブラック材料は、例えばプラスチックなどのある特定の用途において、望ましい電気的特性を付与することができる。

【0027】

カーボンブラックの形態学的特性には、例えば、粒度／細かさ、表面積、凝集体サイズ／構造、凝集体サイズ分布、および凝集体形状が含まれる。粒度は、カーボンブラックの主要な粒子の直径の測定値である。カーボンブラックのほぼ球状の粒子は、平均直径がナノメートル範囲である。粒度は、電子顕微鏡で直接測定するか、あるいは表面積測定で間接的に測定することができる。平均粒度は、ゴム製品の分散性、引張強度、引裂抵抗性、ヒステリシス、および耐摩耗性を決定する重要な因子となり得、一方、液体およびプラスチック系では、平均粒度は複合材料の相対的な着色力、紫外線安定性、導電率に強く影響し得る。同じ構造であれば、粒度が小さいほど、より高い引張強度、引裂抵抗性、ヒステリシス、および耐摩耗性、より強い着色性、耐紫外線性、そして分散難易度の向上が得られる。

【0028】

カーボンブラック粒子は合体してより大きなクラスターまたは凝集体を形成し、これがカーボンブラックの主な分散可能単位となる。凝集体のサイズおよび構造は反応器内で制御される。凝集体の構造の測定は、電子顕微鏡または吸油から得ることができる。構造は、歴史的にＮージブチルフタレート、またはＤＢＰの吸収によって測定されてきたが、現在は吸油量、またはＯＡＮ（ＡＳＴＭ Ｄ２４１４－１８、ＩＳＯ ４６５６／１）に置き換えられている。構造のもう一つの指標は、圧縮による吸油量、またはＣＯＡＮ（ＡＳＴＭ Ｄ３４９３ー１８）であり、油吸収測定を行う前に、カーボンブラック試料を機械的に圧縮する。ＯＡＮ値とＣＯＡＮ値の差は、カーボンブラック構造の安定性の指標となり得る。主要粒子の数が多く、比較的大きな凝集体を有するグレードは、空隙が多く、油吸収率の高い、嵩高い凝集体を有する高構造グレードとなり得る。高構造カーボンブラックは導電率を高めることができる。

【0029】

カーボンブラックの基本的な製造方法はよく知られている。一般に、カーボンブラックは、炭化水素の気体または液体の部分酸化または熱分解によって製造されるが、ここで、炭化水素原料（以下、「原料炭化水素」という）は、高温ガス流中に注入され、原料炭化水素は熱分解され、水噴霧によって急冷される前に煙に変換される。高温ガスは、燃焼部で燃料を燃焼させることで発生する。高温ガスは燃焼部から、燃焼部と連通する反応部に流入する。原料炭化水素は、高温ガスが反応部を流れる際に高温ガス中に導入され、これによりカーボンブラックを形成する粒子を含む反応混合物が形成される。反応混合物は反応器から、反応部と連通する冷却部に流れる。冷却部のある場所では、例えば水の１以上の急冷噴霧が、流れる反応混合物に導入され、それにより反応混合物の温度をカーボンブラック生成に必要な温度未満に下げ、そしてカーボン生成反応を停止させる。その後、黒い粒子は高温ガス流から分離される。反応器の条件を制御操作することにより、幅広い種類のカーボンブラックを製造することができる。

【0030】

多くのカーボンブラック反応器は、通常、円筒形または円錐台形の反応部の一端に軸方向に接続された円筒形の燃焼部を含む。反応チョークが、多くの場合、反応部の他端に軸方向に接続されている。反応チョークは、反応部の直径よりも実質的に小さい直径を有し、また、反応部を冷却部に接続する。冷却部は通常円筒形で、かつ反応チョークの直径より実質的に大きい直径を有する。

【0031】

本発明のカーボンブラック材料は、カーボンブラック技術分野で一般的に知られている技術を用いて製造することができる。本発明のカーボンブラックを製造する様々な方法については、下記および実施例で説明する。これらの方法の変形を、当業者が決定することができる。一態様では、本発明のカーボンブラックは、開示の全内容が参照により本明細書に援用される米国特許第４，９２７，６０７号および同第５，２５６，３８８号に一般的に記載されているようなカーボンブラック反応器において製造することができる。他のカーボンブラック反応器を使用することができ、当業者であれば、特定の用途に適した反応器を決定することができる。原料、燃焼フィード、および急冷材は、カーボンブラックの技術分野ではよく知られている。これらのフィードの選択は、本発明のカーボンブラックにとって重要なことではない。当業者であれば、特定の用途に適したフィードを決定することができる。原料、燃焼フィード、および急冷材の量は、特定の用途に適したものを当業者が決定することもできる。

【0032】

カーボンブラックは、広い範囲の表面積および構造または吸収能力を持つ房状の凝集体の集合体として存在することがよく知られている。吸収能力または凝集体の構造は、高分子配合物の粘度への影響によって現れ、構造が高いほど粘度が高くなる。より基本的で形態学的な観点からは、構造は形状および／または凝集体の複雑さの度合いによって現れ、低構造の凝集体はよりコンパクトな球形や楕円形の構造を持ち、高構造の凝集体はかなりの量のポリマーを封じ込めることができる、より分岐したオープンな構造を持つ。ある特定の態様では、凝集体サイズが大きいほど、および／または凝集体内に存在する分岐が多いほど、そのようなカーボンブラックを組み込んだ複合材料の導電性が高くなる。

【0033】

従来の高構造カーボンブラックは、導電性を得るためにポリマー複合材料に添加することができるが、処理中にカーボンブラックの構造が分解されるため、期待される導電率またはパーコレーション濃度を達成することができない。一態様では、本開示は、導電率を調整し、ポリマー／カーボンブラック複合材料のパーコレーション濃度を最適化するためのカーボンブラックおよび処理条件を提供する。

【0034】

従来の高構造カーボンブラックを組み込んだポリマー複合材料は、通常、導電性能が劣る。一態様では、これは、部分的には、高せん断場下でポリマー中の配合処理中に、高構造カーボンブラックの構造が分解されることに原因があると考えられる。一態様では、本開示は、最適化された導電性能のために、カーボンブラック構造の分解レベルを最小化する処理条件を提供する。

【0035】

一態様では、本明細書に記載の方法は、高構造カーボンブラックを含む導電性組成物を提供することができる。

【0036】

一態様では、本明細書に記載された方法は、様々な導電性カーボンブラック材料に適用することができる。従来の配合処理方法は、二軸押出機のような装置で、１種類以上の樹脂と１種類以上の充填材を混合することを含む。充填材料が高構造カーボンブラックなどの高構造の充填材を含む場合、配合処理および／または押出成形または射出成形中に発生するせん断力により、充填材の構造が失われる結果となり得る。例えば、配合のせん断力が高いと、カーボンブラックの凝集体が分解され、その結果、得られるポリマー成形品中の充填材構造が低下し、導電率の値が低下する結果となり得る。

【0037】

一態様では、本発明の高構造カーボンブラックと、例えばポリプロピレンのようなポリマーとを組み合わせた、穏やかなおよび／または低せん断処理条件。このような態様では、積極的な高せん断混合条件を用いる同様の組成物および方法よりも約５重量％少ないカーボンブラックを用いて、パーコレーション濃度を達成することができる。このような導電性の向上は、穏やかな、および／または低せん断処理条件による、構造の保持率がより高いことに起因し得る。

【0038】

これにより、一態様では、開示されたポリマー組成物は、カーボンブラック充填材と溶融処理可能ポリマーを含み、約１６ｍｍのスクリュー直径および約２５：１の長さ対直径比を有する単軸または二軸押出機を使用して、ある押出温度（℃）およびあるスクリュー速度（ＲＰＭ）でポリマー組成物を押出すことによって調製されたテープ試料は、同じ供給速度（ｇ／分）であるが、（ｉ）テープ試料が押出される押出温度よりも少なくとも５％低い基準押出温度（℃）で、かつ（ｉｉ）テープ試料が押出されるスクリュー速度よりも少なくとも５０％高い基準スクリュー速度（ＲＰＭ）で、同じ単軸または二軸押出機で実質的に同一の基準組成物から押出された基準テープ試料よりも少なくとも５重量パーセント少ないパーコレーション閾値を示し、パーコレーション閾値は、テープ試料および基準テープ試料が約１０⁶Ω／ｓｑ未満、例えば、約１０⁴Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示す溶融処理可能ポリマー中のカーボンブラック充填材の重量パーセントである。

【0039】

さらなる態様では、テープ試料は、基準テープ試料より５重量パーセント～１５重量パーセント少ない、例えば５～１０％または５～８％少ないパーコレーション閾値を示す。一態様では、基準押出温度は、テープ試料が押出される押出温度より５％～１５％、例えば５～１０％または５～８％低い。さらなる態様では、基準スクリュー速度は、テープ試料が押し出されるスクリュー速度より５０％～２００％、例えば１５０％高い。

【0040】

一態様では、テープ試料および基準テープ試料は、スクリュー直径１６ｍｍおよび長さ対直径比２５：１を有するＰＲＩＳＭ二軸押出機などの二軸押出機を用いて、３０ｇ／分の供給速度で調製され得る。この態様において、カーボンブラック充填材の装填量は、ポリマー組成物の５～２５重量％、例えばポリプロピレンポリマー組成物の５～２５重量％の範囲であり得る。

【0041】

同様に、一態様では、ポリマー組成物を調製するための開示されたプロセスは、混合装置内で溶融処理可能ポリマーからポリマーメルトを得るステップと、カーボンブラック充填材を、ある温度（℃）および、あるせん断速度（ｓ^-1）で混合装置を用いてポリマーメルトの中に混合してポリマー組成物を提供するステップとを含み、ポリマー組成物から得られる固体試料が、混合装置中で（ｉ）ポリマー組成物が混合される温度よりも少なくとも５重量パーセント低い基準温度（℃）で、かつ（ｉｉ）ポリマー組成物が混合されるせん断速度よりも少なくとも５０％高い基準せん断速度（ｓ^-1）で混合された実質的に同一の基準組成物から得られる固体基準試料よりも少なくとも５％低いパーコレーション閾値を示し、パーコレーション閾値は、固体試料および固体基準試料が約１０⁶Ω／ｓｑ未満、例えば、約１０⁴Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示すポリマー組成物中のカーボンブラック充填材の重量パーセントである。

【0042】

一態様では、このプロセスによって調製されたポリマー組成物の固体試料は、固体基準試料より５重量パーセント～１５重量パーセント少ない、例えば５～１０％または５～８％少ないパーコレーション閾値を示す。一態様では、基準温度は、固体試料が得られる温度より５％～１５％、例えば５～１０％または５～８％低い。さらなる態様では、基準せん断速度は、固体試料が得られるせん断速度より５０％～２００％、例えば１５０％高い。

【0043】

このプロセスの一態様では、溶融処理可能ポリマーからポリマーメルトを得ることと、カーボンブラック充填材を溶融処理可能ポリマーに混合することは、同時に行うことができ、例えば、ポリマーメルトが調製されているときに、カーボンブラック充填材をポリマーに混合することができる。他の態様では、ポリマーメルトを得ることと、カーボンブラックフィラーをポリマーメルトに混合することは、順次行うことができ、例えば、まず、ポリマーメルトを得ることができ、その後、カーボンブラック充填材を１つ以上の添加手順でポリマーメルトに混合することができる。

【0044】

一態様では、ポリマー組成物がどのようにして製造されるかに関係なく、溶融処理可能ポリマーと、ポリマー組成物の約５重量％～約３０重量％の範囲の量のカーボンブラック充填材とを含み、ポリマー組成物の固体試料が、約１０⁶Ω／ｓｑ未満、例えば、約１０⁴Ω／ｓｑ未満の表面抵抗率を示すポリマー組成物が開示される。一態様では、カーボンブラック充填材は、以下の凝集体サイズ分布を有することができる。約２５重量パーセント～約５０重量パーセントが４００ｎｍ未満の粒度を有し、約４０重量パーセント～約６５重量パーセントが４００ｎｍ～７００ｎｍの範囲の粒度を有する。別の態様では、粉末形態のカーボンブラック充填材は、約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の窒素表面積（ＮＳＡ）、約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の統計的厚さ表面積（ＳＴＳＡ）、約１７５ｃｃ／１００ｇ～約２７５ｃｃ／１００ｇの範囲の吸油量、および約８５ｃｃ／１００ｇ～約１３５ｃｃ／１００ｇの範囲の圧縮による吸油量（ＣＯＡＮ）の特性のうち、少なくとも１つまたはすべてを有する。さらなる態様では、ビーズ形態のカーボンブラック充填材は、約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の窒素表面積（ＮＳＡ）、約４０ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の統計的厚さ表面積（ＳＴＳＡ）、約１３０ｃｃ／１００ｇ～約２２０ｃｃ／１００ｇの範囲の吸油量、および約７５ｃｃ／１００ｇ～約１３５ｃｃ／１００ｇの範囲の圧縮による吸油量（ＣＯＡＮ）の特性のうち、少なくとも１つまたはすべてを有する。この組成物の態様において、溶融処理可能ポリマーは、熱可塑性または熱硬化性ポリマーであり得る。一態様では、溶融処理可能ポリマーはポリオレフィン、例えばポリエチレンまたはポリプロピレンである。さらなる態様において、溶融処理可能ポリマーは、アセタール、アクリル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン、ポリカーボネート、またはこれらの混合物であり得る。

【0045】

カーボンブラックの構造分解は、ＡＳＴＭ手順Ｄ３８４９に従って熱分解によりカーボンブラックを配合物から抽出した後、自動画像分析付き透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ／ＡＩＡ）を用いて分析することができる。さらに、キャピラリーレオメーターを用いて２３０℃で高せん断粘度を測定することができる。

【0046】

一態様では、本発明の技術は、高構造カーボンブラックの構造分解の全部または一部を低減および／または防止することができる。

【0047】

別の態様では、本発明の技術は、ポリマー材料において、望ましい機械的特性および／または粘度を維持しながら、より低いカーボンブラック装填レベルでより高い導電性を可能にすることができる。

【0048】

本発明の充填材は、房状構造を有する任意の充填材を含むことができる。一態様では、充填材はカーボンブラック材料を含むことができる。別の態様では、充填材は導電性または半導電性カーボンブラックを含むことができる。さらに別の態様では、充填材は高構造カーボンブラックを含むことができる。別の態様では、充填材は、ＡＳＴＭ Ｄ２４１４によって測定される吸油量（ＯＡＮ）が少なくとも約２２０、２２５、２３０、２３５、２４０、２４５、２５０、２５５、２６０ｃｃ／１００ｇ、またはそれ以上であるカーボンブラックを含むことができる。他の態様において、充填材は、約２１５～約２４０、約２２０～約２４０、約２２０～約２３０、約２２０～約２５０、約２２０～約２８０、約２３０～約２７０、約２４０～約２６０、約２４５～約２６５、約２５０～約２７０、または約２５０～約２６０ｃｃ／１００ｇの吸油量を有するカーボンブラックを含むことができる。さらに他の態様では、カーボンブラックは、本明細書に記載した特定の値または範囲よりも小さいまたは大きい吸油量を有することができ、本発明は特定の吸油量に限定されることを意図するものではない。

【0049】

別の態様では、充填材は、ＡＳＴＭ Ｄ３４９３によって測定される圧縮による吸油量（ＣＯＡＮ）が、約９０～約１３０、約９５～約１２５、約１００～約１２０、約１０５～約１２５、約１０５～約１１５、約１１０～約１１５、約１００～約１２５、約１１０～約１１５、または約１１０～約１２０ｃｃ／１００ｇであるカーボンブラックを含むことができる。さらに他の態様では、カーボンブラックは、本明細書に記載した特定の値または範囲よりも小さいまたは大きい圧縮による吸油量を有することができ、本発明は、特定の圧縮による吸油量に限定されることを意図するものではない。

【0050】

様々な態様において、本発明のカーボンブラックは、ＡＳＴＭ Ｄ６５５６によって測定される窒素表面積（ＮＳＡ）が約５０～約７０、約５５～約６５、約５７～約６５、約５５～約６２、約６０～約６５、または約５８～約６４ｍ²／ｇであり得る。別の態様では、カーボンブラックは、約６５ｍ²／ｇ未満、約６４ｍ²／ｇ未満、約６３ｍ²／ｇ未満、約６２ｍ²／ｇ未満、または約６１ｍ²／ｇ未満の窒素表面積を有する。さらに他の態様では、カーボンブラックは、本明細書に記載した特定の値または範囲よりも小さいまたは大きい窒素表面積価を有することができ、本発明は特定の窒素表面積に限定されることを意図するものではない。

【0051】

様々な態様において、本発明のカーボンブラックは、ＡＳＴＭ Ｄ６５５６によって測定される外表面積、または、統計的厚さ表面積（ＳＴＳＡ）が約５０～約７０、約５５～約６５、約５７～約６５、約５５～約６２、約６０～約６５、または約５８～約６４ｍ²／ｇであり得る。さらに他の態様では、カーボンブラックは、本明細書に記載した特定の値または範囲よりも小さいまたは大きい統計的厚さ表面積を有することができ、本発明は特定の統計的厚さ表面積に限定されることを意図するものではない。

【0052】

様々な態様において、本発明のカーボンブラックは、ＡＳＴＭ Ｄ１５１０によって測定されるヨウ素吸着量が約５０～約８０、約５５～約７０、約５５～約６５、約５７～約６５、約５５～約６２，約６０～約６５，または約５８～約６４ｍ²／ｇであり得る。さらに他の態様では、カーボンブラックは、本明細書に記載した特定の値または範囲よりも小さいまたは大きいヨウ素吸着量を有することができ、本発明は特定のヨウ素吸着量に限定されることを意図するものではない。

【0053】

別の態様では、カーボンブラックは、少なくとも約０．４５、少なくとも約０．４７、少なくとも約０．４９、少なくとも約０．５１、少なくとも約０．５３、少なくとも約０．５５、少なくとも約０．５７またはそれ以上の圧縮による吸油量対吸油量の比（すなわちＣＯＡＮ／ＯＡＮ）を有することができる。

【0054】

一態様では、カーボンブラックは、約５５～約６５、約５５～約６０、約５８～約６２、または約５７～約６１ｍ²／ｇのＮＳＡ、約５５～約６５、約５５～約６０、約５８～約６２、約５５～約５９、約５７～約６０、または約５７～約６１ｍ²／ｇのＳＴＳＡ、約２２０～約２４０、約２１５～約２３０、約２１８～約２２８、約２２０～約２３０、または約２２０～約２２５ｃｍ³／１００ｇのＯＡＮ、および約９５～約１１５、約１００～約１１５、約１０５～約１１５、約１００～約１２０、約１０６～約１１２、または約１０４～約１１４ｃｍ³／１００ｇのＣＯＡＮを有することができる。

【0055】

一態様では、カーボンブラックは、約５５～約６５、約５５～約６０、約５８～約６２、または約５７～約６１ｍ²／ｇのＮＳＡ、約５５～約６５、約５５～約６０、約５８～約６２、または約５７～約６１ｍ²／ｇのＳＴＳＡ、および約２４０～約２６０、約２４５～約２６０、約２５０～約２６０、約２４８～約２５８、または約２５０～約２５５ｃｍ³／１００ｇのＯＡＮを有することができる。

【0056】

他の態様では、カーボンブラックは、約０．５未満、約０．４未満、約０．３未満、約０．２未満、約０．１未満、約０．０５未満、約０．０４未満、約０．０３未満、または約０．０２重量％未満の灰分レベルを有することができる。

【0057】

一態様では、ポリマー組成物に使用される、粉末形態のカーボンブラック充填材は、約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の窒素表面積（ＮＳＡ）、約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の統計的厚さ表面積（ＳＴＳＡ）、約１７５ｃｃ／１００ｇ～約２７５ｃｃ／１００ｇの範囲の吸油量、および約８５ｃｃ／１００ｇ～約１３５ｃｃ／１００ｇの範囲の圧縮による吸油量（ＣＯＡＮ）の特性のうち、少なくとも１つまたはすべてを有する。

【0058】

さらなる態様では、ポリマー組成物に使用される、ビーズ形態のカーボンブラック充填材は、約４５ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の窒素表面積（ＮＳＡ）、約４０ｍ²／ｇ～約７５ｍ²／ｇの範囲の統計的厚さ表面積（ＳＴＳＡ）、約１３０ｃｃ／１００ｇ～約２２０ｃｃ／１００ｇの範囲の吸油量、および約７５ｃｃ／１００ｇ～約１３５ｃｃ／１００ｇの範囲の圧縮による吸油量（ＣＯＡＮ）の特性のうち、少なくとも１つまたはすべてを有する。

【0059】

一態様では、ポリマー組成物中のカーボンブラックは、以下の表Ａおよび表Ｂに列挙した特性の少なくとも１つを有することができる。ある態様では、ポリマー組成物中のカーボンブラックは、表Ａおよび表Ｂに列挙したＮＳＡ値とＳＴＳＡ値の組み合わせを少なくとも示すことができる。さらなる態様では、ポリマー組成物中のカーボンブラックは、表Ａおよび表Ｂに列挙されたＮＳＡ、ＳＴＳＡ、およびＯＡＮ値の少なくとも組み合わせを示すことができる。さらなる態様では、ポリマー組成物中のカーボンブラックは、表Ａおよび表Ｂに列挙されたＮＳＡ、ＳＴＳＡ、ＯＡＮ、およびＣＯＡＮ値の少なくとも組み合わせを示すことができる。さらなる態様では、ポリマー組成物中のカーボンブラックは、少なくとも、表Ａおよび表Ｂに列挙されたＮＳＡ、ＳＴＳＡ、ＯＡＮ、ＣＯＡＮおよび３２５メッシュ値の組み合わせを示すことができる。さらなる態様では、ポリマー組成物中のカーボンブラックは、少なくとも、表Ａおよび表Ｂに列挙されたＮＳＡ、ＳＴＳＡ、ＯＡＮ、ＣＯＡＮ、３２５メッシュ値、および灰分値の組み合わせを示すことができる。さらなる態様では、ポリマー組成物中のカーボンブラックは、表Ａおよび表Ｂに列挙されたＮＳＡ、ＳＴＳＡ、ＯＡＮ、ＣＯＡＮ、３２５メッシュ値、灰分、および硫黄分の値の組み合わせを示すことができる。

【表1】

【表2】

【0060】

具体的な一態様では、カーボンブラックは、米国ジョージア州マリエッタのビルラカーボン社から入手可能なビルラカーボンＢＣＤ９１１０またはＢＣＤ９１１ｘシリーズのカーボンブラックを含むことができる。具体的な一態様では、カーボンブラックは、米国ジョージア州マリエッタのビルラカーボン社から入手可能なビルラカーボンＢＣＤ９１１４のカーボンブラックを含むことができる。さらなる態様において、カーボンブラックは、ビルラカーボン社のＣＯＮＤＵＣＴＥＸ７０５５ウルトラカーボンブラック（本出願では「Ｃ７０５５Ｕ」と称する）を含むことができる。さらに他の態様では、充填材は、本方法での使用に適した他の任意のカーボンブラックを含むことができる。

【0061】

別の態様では、カーボンブラックは、１ＭＰａの平均圧力下で少なくとも１００％、５ＭＰａの平均圧力下で７１％、１０ＭＰａの平均圧力下で５９％、２０ＭＰａの平均圧力下で４９％、４０ＭＰａの平均圧力下で３９％、８０ＭＰａの平均圧力下で３１％、および／または１６０ＭＰａの平均圧力下で２４％の空隙容積残留率を有することができる。

【0062】

別の態様では、カーボンブラックは、ＴＥＭ撮像画像によって決定される約４．６の空隙容積（Ｖ’／Ｖ）を有することができる。

【0063】

別の態様では、カーボンブラックは粉末状またはビーズ形態とすることができる。他の態様では、充填材は、例えば酸化カーボンブラックなどの表面改質カーボンブラックを含むことができる。

【0064】

一態様では、カーボンブラックは、約７００ｎｍを超えるサイズの凝集体を約２３重量％、約４００～約７００ｎｍのサイズの凝集体を約３５重量％、約４００ｎｍ未満のサイズの凝集体を約４２重量％有することができる。

【0065】

他の態様では、凝集体サイズ組成物は、約７００ｎｍを超えるサイズの約６重量％の凝集体、約４００ｎｍと約７００ｎｍの間のサイズの約４８重量％の凝集体、および約４００ｎｍ未満のサイズの約４６重量％の凝集体から、穏やかなせん断入力でポリプロピレンポリマーに変換することができる。

【0066】

一態様では、ポリマー組成物中のカーボンブラック充填材は、以下の凝集体サイズ分布を有することができる。約２５重量パーセント～約５０重量パーセントが４００ｎｍ未満の粒度を有し、約４０重量パーセント～約６５重量パーセントが４００ｎｍ～７００ｎｍの範囲の粒度を有する。

【0067】

別の態様では、ポリプロピレンに同様の穏やかなせん断力を入力すると、変換されたカーボンブラック（すなわち処理後）は、ＴＥＭ撮像画像によって決定される空隙容積（Ｖ’／Ｖ）が２．８になり得る。

【0068】

ポリプロピレンにさらなる積極的にせん断力を加えると、凝集体サイズ組成物は、元の状態から、約７００ｎｍを超えるサイズの凝集体約１重量％、約４００～約７００ｎｍのサイズの凝集体約２９重量％、および約４００ｎｍ未満のサイズの凝集体約７０重量％に変換され得る。ポリプロピレンに積極的にせん断力を加えると、約７００ｎｍを超えるサイズの凝集体は、主に約４００ｎｍ未満のサイズの凝集体に変換され得る。ポリプロピレンに積極的にせん断を加えると、変換されたカーボンブラックは、ＴＥＭ撮像画像によって決定されるように、約２．２のＶ’／Ｖを有することができる。

【0069】

一態様では、穏やかにせん断されたカーボンブラック、すなわち本明細書に記載されるような穏やかな条件下で処理されたカーボンブラックは、ポリプロピレン中、カーボンブラック装填量１５重量％で約９．１×１０²Ωｃｍ、装填量２０重量％で約３２Ωｃｍの体積抵抗率を有することができる。

【0070】

別の態様では、積極的にせん断されたカーボンブラックは、ポリプロピレン中で、カーボンブラック装填量１５重量％で約８．０×１０¹²Ωｃｍ、装填量２０重量％で約１．７ｘ１０⁷Ωｃｍの体積抵抗率を有することができる。別の態様では、穏やかにせん断されたカーボンブラックは、ポリプロピレン中で約１３重量％のパーコレーション濃度を有することができる。また別の態様では、積極的にせん断されたカーボンブラックは、ポリプロピレン中で約２１重量％のパーコレーション濃度を有することができる。

【0071】

特定のポリマー系で利用されるカーボンブラックの量は、ポリマーと最終製品の所望の特性によって変わり得る。様々な態様において、カーボンブラックの装填量は約５重量％、７重量％、９重量％、１１重量％、１３重量％、１５重量％、１７重量％、１９重量％、２１重量％、２３重量％、２５重量％、２７重量％、２９重量％、３０重量％、３１重量％、３３重量％、３５重量％、４０重量％、４５重量％、５０重量％、５５重量％、６０重量％、またはそれ以上とすることができる、他の態様では、カーボンブラック装填量は、約１５重量％から約６０重量％、約１５重量％から約５０重量％、約１５重量％から約４０重量％、約１５重量％から約３０重量％、約１５重量％から約３０重量％、約１８重量％から約３０重量％、約２０重量％から約２７重量％、約２２重量％から約３０重量％、または約２５重量％から約３５重量％とすることができる。さらに他の態様では、カーボンブラックまたは他の充填材の具体的な装填量は、特定のポリマー、カーボンブラック、および最終製品の所望の特性に応じて変化し得る。そのような態様において、充填材装填量は、本明細書に記載される任意の特定の値より小さくても、あるいは大きくてもよい。本明細書においてカーボンブラックが言及されるいかなる例においても、本出願は、他の任意の適切な充填材または充填材の組み合わせによるそのような濃度または装填量の言及も含むとみなされるべきである。

【0072】

ポリマーは、本発明での使用に適した任意のポリマーまたはポリマーの混合物を含むことができる。一態様では、ポリマーまたはポリマーの混合物は溶融処理が可能である。一態様では、ポリマーは熱可塑性ポリマーを含むことができる。別の態様では、ポリマーは熱硬化性ポリマーを含むことができる。様々な態様において、ポリマーは、例えばポリエチレンまたはポリプロピレンのようなオレフィンを含むことができる。他の態様において、ポリマーは、アセタール、アクリル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン、ポリカーボネート、またはそれらの混合物を含むことができる

【0073】

様々な特定の態様において、ポリマーは、例えば、２０のメルト・フロー・インデックスを有するラヴァゴ・セルテンのＰＢＭ－２０ＮＢ、または８０のメルト・フロー・インデックスを有するラヴァゴＰＢＭー８０Ｎなどのポリプロピレンを含むことができる。

【0074】

他の態様において、組成物は、例えば、酸化防止剤、加工助剤、油、ワックス、離型剤、および／または高分子材料の処理において一般的に使用される他の材料などの他の成分を含むことができる。

【0075】

様々な態様において、ポリマーとカーボンブラックは、任意の適切な手段を用いて接触または混合することができる。一態様では、カーボンブラックとポリマーは、例えばＰＲＩＳＭ二軸押出機のような二軸押出機を用いて混合することができる。別の態様では、カーボンブラックとポリマーは、連続ミキサーを使用して混合することができる。

【実施例】

【0076】

本発明の様々な例示的実施形態を以下に詳述する。これらの実施形態は例示を意図したものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。以下の各実施例では、別段の指示のない限り、以下のプロセス、装置、および条件を使用した。

【0077】

１．実施例１
２種類のカーボンブラック、すなわちビルラカーボンＢＣＤ９１１０とＢＣＤ９１１４の物理的および構造的特性は、表１に示す特性を示した。これらのカーボンブラックは、熱可塑性ポリマーの充填材として評価された。

【表3】

【0078】

図１は、ビルラカーボンＢＣＤ９１１４Ｂ、ＢＣＤ９１１０Ｐ、およびＣ７０５５Ｕカーボンブラックを含む例示的なポリプロピレン配合物の、抵抗率対カーボンブラック装填量のプロットであり、積極的な配合処理条件（低温、高スクリュー速度、高せん断）で調製されたポリマー配合物では、ＢＣＤ９１１４のパーコレーション濃度が低いことを示している。

【0079】

対照的に、図２は、ビルラカーボンＢＣＤ９１１４Ｂ、ＢＣＤ９１１０Ｐ、およびＣ７０５５Ｕカーボンブラックを含む例示的なポリプロピレン配合物の、抵抗率対カーボンブラック装填量のプロットであり、穏やかな配合処理条件（高温、低スクリュー速度、低せん断）で調製されたポリマー配合物では、積極的な配合処理条件で調製された同じ配合物に比べてＢＣＤ９１１４のパーコレーション濃度がさらに５％低下することを示している。これらのデータは、ポリマー配合物の導電性が、穏やかな処理条件によって改善されたことを示している。

【0080】

２．実施例２
２種類の高構造カーボンブラック、すなわちビルラカーボンＣ７０５５ＵとＢＣＤ９１１０を、ポリプロピレンに複数の装填量レベルで配合処理した。二軸押出機を使用し、２組の条件、一つは積極的（低温、高スクリュー回転数、高せん断）条件、そして、他方は穏やかな（高温、低スクリュー速度、低せん断）条件で配合処理を行い、その効果を示した。

【0081】

評価した２種類のカーボンブラックの物理的および構造的特性を表２に示す。これらのカーボンブラックは、熱可塑性ポリマーの充填材として評価された。示されるように、ビーズ形態と比較して粉末形態では、ＢＣＤ９１１０はＣ７０５５ＵよりもＯＡＮが著しく高かったが、ＣＯＡＮはわずかに高かっただけであった。

【表4】

【0082】

２種類のカーボンブラックの凝集体サイズを以下の表３に示す。対応する凝集体サイズ分布のプロットを図３に示す。空隙容積のプロットを図４に示す。

【表5】

【0083】

表４に示すパラメーターに従って、ＢＣＤ９１１０およびＣ７０５５Ｕ試料を用いて、積極的および穏やかな配合処理条件を評価した。試料はＰＲＩＳＭ ＴＳＥを用いて配合処理された：Ｄ＝１６ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝２５

【表6】

【0084】

このような態様では、どちらのポリプロピレン複合材料も、積極的な処理条件よりも穏やかな処理条件で処理した場合に、パーコレーション濃度が１０重量％程度低下し、導電性能が著しく向上したことを示した。導電性能の向上は、ＴＥＭ撮像画像によって実証されたように、穏やかな処理条件によるカーボンブラックの高い構造の保持率に基づいている。

【0085】

従って、本開示の方法は、処理条件の変更によってポリマー／カーボンブラック複合材料の導電性能を最適化することができる。ポリマー複合材料は、適切な機械的特性と粘度を維持しながら、より低いカーボンブラック装填量でより高い導電性を達成することができる。

【0086】

図５および表５に示すように、穏やかな処理条件に従って調製されたポリプロピレン／ＢＣＤ９１１０テープは、積極的な配合処理条件に従って調製された同じ配合物に対して、約８重量％のパーコレーション濃度の低下を示した。

【表7】

【0087】

構造の保持率と凝集体サイズの残存率を調べた結果、穏やかなプロセス条件で配合処理されたカーボンブラックは、積極的な配合処理条件で調製された配合物に比べて、構造の保持率が高く、かつ、凝集体サイズの残存率が大きいことが、導電率性能の向上に相関していることが示された。結果を表６および図６～７に示す。

【表8】

【0088】

図８と表７を参照すると、穏やかな配合処理によって調製されたＰＰ／Ｃ７０５５Ｕ配合物が、積極的な処理条件で調製された同じ配合物に対してパーコレーション濃度が約１０重量％低下することを示している。

【表9】

【0089】

図９～１０および表８を参照すると、穏やかな処理条件で調製した場合、ポリプロピレン／Ｃ７０５５Ｕ配合物は、カーボンブラックの構造保持率が高く、残存凝集体サイズが大きいことがわかるが、これは、積極的な条件で調製された配合物と比較した、導電性能の向上に相関していた。

【表10】

【0090】

本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明において様々な修正および変形が可能であることは、当業者には明らかであろう。本発明の他の実施形態が、本明細書に開示された本発明の明細書および実施態様を考慮すれば、当業者には明らかであろう。本明細書および実施例は例示的なものとしてのみ考慮されることを意図しており、本発明の真の範囲および精神は以下の特許請求の範囲によって示される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【国際調査報告】