JP6614546B2 - Method for producing surface-treated carbon black - Google Patents
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Description
本発明は、表面処理がなされたカーボンブラックの製造方法に関する。より具体的には、加圧下、及び酸化剤の存在下でマイクロ波照射により加熱を行うことで、表面が修飾され、水に良好に分散可能な表面処理カーボンブラックを製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a surface-treated carbon black. More specifically, the present invention relates to a method for producing a surface-treated carbon black that has a surface modified and can be dispersed well in water by heating by microwave irradiation under pressure and in the presence of an oxidizing agent.
カーボンブラックは黒色の印刷インキの顔料として広く用いられている。カーボンブラックをインクジェット用黒色顔料として用いる場合、インクジェットノズルの詰まりを防止するため、水を主成分とする分散液中で分散粒径として200nm以下に分散していることが求められる。しかしながら、カーボンブラックの表面には親水性基が極めて少なく、カーボンブラック自体が疎水性であることから、水に良好に分散させることが非常に困難である。 Carbon black is widely used as a pigment for black printing ink. When carbon black is used as a black pigment for inkjet, in order to prevent clogging of the inkjet nozzle, it is required that the dispersed particle diameter is dispersed to 200 nm or less in a dispersion mainly containing water. However, since the surface of carbon black has very few hydrophilic groups and carbon black itself is hydrophobic, it is very difficult to disperse it well in water.
そこで、カーボンブラックの水分散性を向上させるため、カーボンブラックを酸化処理して表面に親水性基を導入することが試みられている。
従来、親水性基の導入は、カーボンブラックの表面を酸化処理することにより行われている。酸化処理としては、オゾン等の酸化性ガスとの反応による酸化、プラズマによる表面酸化、水中に分散したカーボンブラックと、次亜塩素酸、硫酸、硝酸、過酸化水素、過硫酸及びこれらの塩等の酸化剤とを反応させる液相反応による酸化等が行われている。なかでも、特別な設備を必要としない液相反応による酸化が頻繁に工業利用されている。
In order to improve the water dispersibility of carbon black, attempts have been made to introduce a hydrophilic group on the surface by oxidizing carbon black.
Conventionally, the introduction of a hydrophilic group has been performed by oxidizing the surface of carbon black. Oxidation treatment includes oxidation by reaction with oxidizing gas such as ozone, surface oxidation by plasma, carbon black dispersed in water, hypochlorous acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrogen peroxide, persulfuric acid and their salts, etc. Oxidation and the like by a liquid phase reaction in which the oxidant is reacted. Among them, oxidation by liquid phase reaction that does not require special equipment is frequently used in industry.
また、特許文献1には、ジブチルフタレート(DBP)吸収量が120cm3/100g以上であるカーボンブラック粒子表面に形成した酸性水酸基を、一価のカチオンと共に二価以上の価数を有する多価カチオンで中和して、良好な水分散性を有する表面処理カーボンブラック粒子を得ることが開示されている。 In Patent Document 1, the acidic hydroxyl groups dibutyl phthalate (DBP) absorption was formed on the surface of carbon black particles is 120 cm 3/100 g or more, multivalent cation having a valence of divalent or more with monovalent cations And surface-treated carbon black particles having good water dispersibility are disclosed.
最近では、カーボンナノチューブ等の非対称性の分子構造を有する炭素類に対して、酸化剤の存在下でマイクロ波を照射し、炭素類の表面を修飾する方法が提案されている(特許文献2参照)。 Recently, a method has been proposed in which carbons having an asymmetric molecular structure such as carbon nanotubes are irradiated with microwaves in the presence of an oxidizing agent to modify the surface of the carbons (see Patent Document 2). ).
水に良好に分散するカーボンブラックを得るためには、カルボキシル基又はフェノール性水酸基の量の合計が400μmol/g以上であることが好ましいとされている。
しかしながら従来の液相反応による酸化では、上記のようなモル量の親水性基を有するカーボンブラックを得るためには数時間以上の反応時間が必要であった。特許文献1に記載の発明においても、前段の液相酸化処理には10時間の時間を要している。
また、特許文献2に記載の発明においても、反応時間は1〜30分であって、生産性向上の観点から、より短時間で反応を完結できる方法が求められている。
In order to obtain carbon black that is well dispersed in water, the total amount of carboxyl groups or phenolic hydroxyl groups is preferably 400 μmol / g or more.
However, in the oxidation by the conventional liquid phase reaction, a reaction time of several hours or more is required to obtain the carbon black having the above molar amount of hydrophilic group. Also in the invention described in Patent Document 1, the liquid phase oxidation treatment in the previous stage requires 10 hours.
Also in the invention described in Patent Document 2, the reaction time is 1 to 30 minutes, and a method capable of completing the reaction in a shorter time is required from the viewpoint of improving productivity.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、短時間で表面酸化処理を完了できる、表面処理カーボンブラックの製造方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: It aims at providing the manufacturing method of surface treatment carbon black which can complete a surface oxidation process in a short time.
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、加圧下でマイクロ波照射を行ってカーボンブラックの表面処理を行うことにより短時間でカーボンブラックの酸化処理を完結できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、下記の特徴を有する表面処理カーボンブラックの製造方法に関する。
(1)カーボンブラック、酸化剤、及び水を含有する分散液を、加圧下でマイクロ波照射により加熱して、カーボンブラックの表面処理を行うことを特徴とする、表面処理カーボンブラックの製造方法。
(2)前記加熱の時間が60秒未満である、(1)の表面処理カーボンブラックの製造方法。
(3)前記マイクロ波照射が、シングルモードキャビティを用いる、(1)又は(2)の表面処理カーボンブラックの製造方法。
(4)製造された表面処理カーボンブラックがインクジェットインク用である、(1)〜(3)のいずれかの表面処理カーボンブラックの製造方法。
The present inventors have intensively studied to solve the above problems, and found that the oxidation treatment of carbon black can be completed in a short time by performing the surface treatment of the carbon black by irradiating with microwaves under pressure. Was completed.
That is, this invention relates to the manufacturing method of the surface treatment carbon black which has the following characteristics.
(1) A method for producing a surface-treated carbon black, wherein a surface treatment of carbon black is performed by heating a dispersion containing carbon black, an oxidant, and water by microwave irradiation under pressure.
(2) The method for producing surface-treated carbon black according to (1), wherein the heating time is less than 60 seconds.
(3) The method for producing a surface-treated carbon black according to (1) or (2), wherein the microwave irradiation uses a single mode cavity.
(4) The method for producing a surface-treated carbon black according to any one of (1) to (3), wherein the produced surface-treated carbon black is for inkjet ink.
本発明の表面処理カーボンブラックの製造方法は、加圧下でマイクロ波照射を行ってカーボンブラックの表面処理を行うことにより、短時間でカーボンブラックの酸化処理を完結できることから、生産性に優れたものである。 The production method of the surface-treated carbon black of the present invention is excellent in productivity because the carbon black surface treatment can be completed in a short time by performing microwave irradiation under pressure. It is.
本発明の表面処理カーボンブラックの製造方法は、カーボンブラック、酸化剤、及び水を含有する分散液を、加圧下でマイクロ波照射により加熱して、カーボンブラックの表面処理を行うものである。 In the method for producing surface-treated carbon black of the present invention, the surface treatment of carbon black is performed by heating a dispersion containing carbon black, an oxidant, and water by microwave irradiation under pressure.
・カーボンブラック
カーボンブラックは、炭化水素の熱分解、又は油やガスの不完全燃焼により製造される炭素の微粒子である。
本発明で原料として用いるカーボンブラックの平均粒子径は1〜200nmが好ましく、5〜100nmがより好ましく、5〜50nmがさらに好ましく、10〜30nmが特に好ましい。
本発明で原料として用いるカーボンブラックの、窒素吸収比表面積、着色力、DBP吸収量等は特に限定されるものではなく、用途に応じて適宜選択することができる。
-Carbon black Carbon black is a fine particle of carbon produced by thermal decomposition of hydrocarbons or incomplete combustion of oil or gas.
The average particle size of carbon black used as a raw material in the present invention is preferably 1 to 200 nm, more preferably 5 to 100 nm, still more preferably 5 to 50 nm, and particularly preferably 10 to 30 nm.
The nitrogen absorption specific surface area, coloring power, DBP absorption amount and the like of carbon black used as a raw material in the present invention are not particularly limited and can be appropriately selected according to the application.
・酸化剤
本発明で用いる酸化剤は、カーボンブラックを液相中で良好に酸化し得るものであれば特に限定されるものではないが、例えば、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム等の過硫酸塩;次亜塩素酸ナトリウム、次亜塩素酸カリウム等の次亜ハロゲン酸塩;過硫酸、硝酸、次亜塩素酸等の酸、等公知の酸化剤を用いることができる。
-Oxidizing agent The oxidizing agent used in the present invention is not particularly limited as long as it can oxidize carbon black satisfactorily in a liquid phase. For example, persulfates such as potassium persulfate and sodium persulfate. A known oxidant such as sodium hypochlorite or hypohalite such as potassium hypochlorite; acid such as persulfuric acid, nitric acid or hypochlorous acid can be used.
・分散液
本発明の分散液は、前記カーボンブラック、前記酸化剤、及び水を含有するものである。一般的に酸化剤として用いられる化合物は水に溶解性を示すため、分散液が水を含有することで分散液中に酸化剤を良好に溶解させることができ、酸化剤として機能させることができる。また、本発明では、加圧条件下でマイクロ波照射を行うため、水の沸点も上昇することから、常圧下における水の沸点である100℃を超えて、マイクロ波照射による加熱を行うことができる。
-Dispersion The dispersion of the present invention contains the carbon black, the oxidizing agent, and water. In general, a compound used as an oxidizing agent is soluble in water, so that the dispersion can contain water so that the oxidizing agent can be dissolved well in the dispersion and can function as an oxidizing agent. . In addition, in the present invention, since microwave irradiation is performed under pressurized conditions, the boiling point of water also rises. Therefore, heating by microwave irradiation can be performed exceeding the boiling point of water at 100 ° C. under normal pressure. it can.
分散液中のカーボンブラックの含有量は特に限定されるものではないが、短時間で好適に処理を行う観点から、分散液全量に対するカーボンブラックの含有量は、0.1〜20質量%であることが好ましく、0.5〜10質量%であることがより好ましく、0.8〜5質量%であることが特に好ましい。 The content of carbon black in the dispersion is not particularly limited, but the content of carbon black with respect to the total amount of the dispersion is 0.1 to 20% by mass from the viewpoint of suitably treating in a short time. It is preferably 0.5 to 10% by mass, particularly preferably 0.8 to 5% by mass.
また、分散液中の酸化剤の含有量は特に限定されるものではないが、例えば、0.5〜60質量%であることが好ましく、2〜30質量%であることがより好ましく、4〜15質量%であることが特に好ましい。 Further, the content of the oxidizing agent in the dispersion is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 60% by mass, more preferably 2 to 30% by mass, and 4 to 4%. It is particularly preferably 15% by mass.
分散液は、加熱及びカーボンブラックの酸化処理を妨げない範囲で、カーボンブラック、酸化剤及び水以外のその他の成分を含有していてもよい。
その他の成分としては、他の溶媒等が挙げられる。例えば、マイクロ波を吸収し得る溶媒を、水と組みわせて用いることにより、加熱を促進することができる。また、高沸点を有する溶媒を、水と組み合わせて用いることにより、加圧を弱めた場合にも、カーボンブラックを良好に加熱することが可能となる。具体的には、マイクロ波を吸収するエネルギーは下記式中のPによって示されるため、導電率や誘電損率の高い溶媒を用いることが好ましい。
The dispersion may contain other components other than carbon black, an oxidizing agent, and water as long as the heating and the oxidation treatment of carbon black are not hindered.
Other components include other solvents. For example, heating can be promoted by using a solvent capable of absorbing microwaves in combination with water. Further, by using a solvent having a high boiling point in combination with water, it becomes possible to heat the carbon black satisfactorily even when the pressure is weakened. Specifically, since the energy for absorbing microwaves is indicated by P in the following formula, it is preferable to use a solvent having a high conductivity and dielectric loss factor.
このような溶媒として具体的には、電解質が溶解した水溶液;酸やアルカリ及びその水溶液;N−メチル―2−ピロリドン、N,N―ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン等の極性有機溶媒;また、エチルアルコール、1−ブタノール、2−ブタノール、1−プロパノール、2−プロパノールなどのアルコール類、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどのグリコール類、アセトンなどのケトン類、プロプレングリコールモノメチルエーテルアセテ−トなどのグリコールエーテル類などが挙げられ、これらの1種以上を混合した溶媒も用いることができる。
溶媒を水と組わせて用いる場合の溶媒量としては、水100質量部に対して50質量部以下が好ましく、30質量部以下がさらに好ましい。
Specific examples of such solvents include aqueous solutions in which electrolytes are dissolved; acids and alkalis and aqueous solutions thereof; polar organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, and sulfolane; Alcohols such as ethyl alcohol, 1-butanol, 2-butanol, 1-propanol and 2-propanol, glycols such as ethylene glycol and diethylene glycol, ketones such as acetone, glycol ethers such as propylene glycol monomethyl ether acetate The solvent which mixed these 1 or more types can also be used.
When the solvent is used in combination with water, the amount of the solvent is preferably 50 parts by mass or less, more preferably 30 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of water.
・表面処理方法
本発明では、前記分散液を、加圧下でマイクロ波照射により加熱することによって、カーボンブラックの表面処理を行う。カーボンブラックはマイクロ波を吸収し発熱するため、カーボンブラック表面が高温になり、酸化剤による酸化反応を促進することができる。一方、酸化剤を良好に溶解させる目的で溶媒に水を用いると、溶媒(水)が100℃で沸点に達してしまい、それ以上マイクロ波を照射することが困難となる。そこで本発明では、加圧を行いながらマイクロ波を照射することで、溶媒(水)が常圧下における沸点温度以上になった場合にもマイクロ波を照射し続けることが可能となり、溶媒の温度も高温になるので、反応時間を大幅に短縮することができる。
加圧時の圧力は、0.5〜10MPaが好ましく、0.8〜5MPaがより好ましく、1〜2MPaが特に好ましい。
-Surface treatment method In this invention, the surface treatment of carbon black is performed by heating the said dispersion liquid by microwave irradiation under pressure. Since carbon black absorbs microwaves and generates heat, the surface of the carbon black becomes high temperature, and the oxidation reaction by the oxidizing agent can be promoted. On the other hand, when water is used as the solvent for the purpose of dissolving the oxidant well, the solvent (water) reaches the boiling point at 100 ° C., and it becomes difficult to irradiate microwaves any more. Therefore, in the present invention, by irradiating the microwave while applying pressure, it becomes possible to continue irradiating the microwave even when the solvent (water) becomes higher than the boiling point temperature under normal pressure. Since the temperature is high, the reaction time can be greatly shortened.
The pressure at the time of pressurization is preferably 0.5 to 10 MPa, more preferably 0.8 to 5 MPa, and particularly preferably 1 to 2 MPa.
表面処理方法は、加圧下でマイクロ波照射ができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、特開2010−207735号公報に挙げられるような定在波を用いたシングルモードキャビティを備えるマイクロ波照射装置において、さらに背圧弁等を設けて加圧を行う方法が挙げられる。
シングルモードキャビティは、金属製の円筒状の共振空間を有し、円筒の中心部分に反応管を置くことで、反応管に電界を局所的に集中できるものである。この反応管内にカーボンブラックを分散させた分散液を連続的に通液しながら、加圧下及び酸化剤の存在下でマイクロ波を照射することで、極めて短時間でカーボンブラックの表面処理(酸化処理)を完了させることができる。
マイクロ波照射により分散液及び分散液中のカーボンブラックが到達する温度は、カーボンブラックの酸化処理が良好に進行し得る温度であれば特に限定されるものではないが、50〜300℃であることが好ましい。
The surface treatment method is not particularly limited as long as microwave irradiation can be performed under pressure. For example, a single mode cavity using a standing wave as disclosed in JP 2010-207735 A is used. In the microwave irradiation apparatus provided, a method of performing pressurization by further providing a back pressure valve or the like can be mentioned.
The single mode cavity has a cylindrical resonance space made of metal, and an electric field can be locally concentrated on the reaction tube by placing the reaction tube in the central portion of the cylinder. Surface treatment of carbon black (oxidation treatment) is carried out in a very short time by irradiating microwaves under pressure and in the presence of an oxidizing agent while continuously passing a dispersion liquid in which carbon black is dispersed in the reaction tube. ) Can be completed.
The temperature at which the dispersion and the carbon black in the dispersion reach by microwave irradiation is not particularly limited as long as the oxidation treatment of the carbon black can proceed satisfactorily, but is 50 to 300 ° C. Is preferred.
以下、図1を用いて、定在波を用いたシングルモードキャビティを備えるマイクロ波照射装置の一例を説明する。図1のマイクロ波照射装置は、マイクロ波発振器・制御器6、TM010キャビティ(キャビティ)2、送液ポンプ3、反応管7を備える。キャビティ2は、内部に円筒型の空間を有する金属製の空胴共振器である。キャビティ2の内部空間は、TM010と呼ばれる定在波が形成できるように、その内寸を適宜設定することができる。
キャビティ2の中心軸に沿って、キャビティ2を貫通するように、石英ガラス管、フッ素樹脂等から構成される反応管7が配される。照射するマイクロ波周波数が2.4〜2.5GHzの場合には、反応管7の内径は2.9mm以下が好ましく、0.1〜1.5mmがさらに好ましい。カーボンブラック分散液8が反応管7を流通できるように、片側に送液ポンプ3が配設される。反応管7の送液ポンプ3の配設方向と反対側には、流体の温度を計測できるように、温度計5として熱電対が配設される。また、キャビティ2内部の電界強度を計測するため、電界モニター4も配設される。さらに、背圧弁(図示省略)が反応管7の送液ポンプ3の配設方向と反対側に配設され、該背圧弁によって反応管7内の圧力を調整する。
Hereinafter, an example of a microwave irradiation apparatus including a single mode cavity using a standing wave will be described with reference to FIG. 1 includes a microwave oscillator / controller 6, a TM010 cavity (cavity) 2, a liquid feed pump 3, and a
A
マイクロ波発振器・制御器6から発生したマイクロ波は、マイクロ波照射口1を介して円筒型のキャビティ2に照射される。このとき、キャビティ2の内部にTM010の定在波が形成できるよう、マイクロ波の発振周波数又は円筒型キャビティ2の内径を、適宜調整する。
また、TM010の定在波の形成は、電界モニター4からの信号に基づき判断することができる。定在波が形成されていない場合には、マイクロ波発振器・制御器6から発振されるマイクロ波発振周波数を変化させるか、或いは、キャビティ2の内径を調整することにより、定在波が形成されるようフィードバック制御を行ってもよい。
The microwave generated from the microwave oscillator / controller 6 is irradiated to the cylindrical cavity 2 through the microwave irradiation port 1. At this time, the microwave oscillation frequency or the inner diameter of the cylindrical cavity 2 is appropriately adjusted so that a TM010 standing wave can be formed inside the cavity 2.
The formation of the TM010 standing wave can be determined based on the signal from the electric field monitor 4. When the standing wave is not formed, the standing wave is formed by changing the microwave oscillation frequency oscillated from the microwave oscillator / controller 6 or adjusting the inner diameter of the cavity 2. Feedback control may be performed so that
本発明では、上述した図1のような、マイクロ波を分散液に均一かつ集中的に照射できるマイクロ波照射装置を用いることが好ましい。
電界を集中できる構造の電磁波照射空間のひとつとして、空胴共振器とよばれる空間を利用した、特定の定在波を安定に形成できる容器を用いる方法が知られているが、円筒型の空胴共振器(キャビティ)内に形成されたTM010定在波の電界強度分布を調べると、円筒の中心部に電界が集中していることが分かる。また、TM010の定在波を用いれば、円筒中心軸上の電界強度は、位置によらず一定である。すなわち、円筒内に形成したTM010の定在波を有する空胴共振器を用いることにより、その円筒の中心軸に沿って配置したチューブ状の反応器に対して、常に強力でかつ均一な電界をもつマイクロ波を照射することが可能となる。上記ではTM010について説明したが、TMmn0(mは0以上、nは1以上の整数)の定在波も、円筒の半径方向に電界の集中する場所があり、中心軸に平行な部位では均一な電界強度を有するため、同様に利用することができる。また、電界で説明したが、電磁波は磁界による加熱作用もあるため、磁界が強くなる部分を利用しても同様な効果を得ることができる。
In the present invention, it is preferable to use a microwave irradiation apparatus capable of uniformly and intensively irradiating the dispersion liquid with the microwave as shown in FIG.
As one of electromagnetic wave irradiation spaces with a structure that can concentrate an electric field, a method using a container that can stably form a specific standing wave using a space called a cavity resonator is known. When the electric field strength distribution of the TM010 standing wave formed in the body resonator (cavity) is examined, it can be seen that the electric field is concentrated at the center of the cylinder. Moreover, if the standing wave of TM010 is used, the electric field intensity on the center axis of the cylinder is constant regardless of the position. That is, by using a cavity resonator having a TM010 standing wave formed in a cylinder, a strong and uniform electric field is always applied to a tubular reactor disposed along the central axis of the cylinder. It becomes possible to irradiate the microwave. Although TM010 has been described above, a standing wave of TMmn0 (m is an integer of 0 or more and n is an integer of 1 or more) also has a place where the electric field concentrates in the radial direction of the cylinder, and is uniform in a portion parallel to the central axis. Since it has electric field strength, it can be used similarly. Further, although described with an electric field, since electromagnetic waves also have a heating action by a magnetic field, the same effect can be obtained even if a portion where the magnetic field is strong is used.
上述のようなマイクロ波照射装置を用いることにより、反応管7中を流通するカーボンブラック分散液8を集中的に照射されるマイクロ波エネルギーで極めて急速に加熱することができ、瞬間的にカーボンブラックの酸化処理を行うことができる。
目的とするカーボンブラックの酸化処理の時間は、0.005秒超、60秒未満程度であって、0.01〜10秒で行うことが特に好ましい。
マイクロ波照射によって分散液が到達する温度は、カーボンブラックの酸化処理が良好に進行する温度以上であれば特に現手されるものではないが、一般的には50〜300℃である。
By using the microwave irradiation apparatus as described above, the
The target carbon black oxidation treatment time is more than 0.005 seconds and less than about 60 seconds, and it is particularly preferable that the time is 0.01 to 10 seconds.
The temperature at which the dispersion liquid reaches by microwave irradiation is not particularly limited as long as it is equal to or higher than the temperature at which the oxidation treatment of carbon black proceeds well, but is generally 50 to 300 ° C.
本発明で用いるマイクロ波照射装置は、図1に示される装置に限定されるものではなく、各構成が改変されていてもよい。
例えば、図2に示すように、複数(例えば2〜10個)のシングルモードキャビティが連結され、それらの中心軸を中空管が連通していてもよい。
図2に示す装置では、マイクロ波照射装置は、キャビティ12、12’、キャビティ12及び12’を連通する反応管17、送液ポンプ13、原料液プール14、温度計15、背圧弁18、及び受液プール19を有する。マイクロ波発振器・制御器、電界モニターは図示省略する。キャビティ12、12’は、上述したキャビティ2と同様の空胴共振器が垂直方向にそれぞれ4つ連結されたものである。キャビティ12は垂直方向の長さが10cmのシングルモードキャビティが4つ連結されたものであり、キャビティ12’は垂直方向の長さが1cmのシングルモードキャビティが4つ連結されたものである。
このような構成とすることにより、カーボンブラック分散液に対するマイクロ波照射時間を調整することが可能となる。複数のシングルモードキャビティを備える場合、各シングルモードキャビティの大きさは同一であってもよく、それぞれ異なっていてもよい。
The microwave irradiation apparatus used in the present invention is not limited to the apparatus shown in FIG. 1, and each configuration may be modified.
For example, as shown in FIG. 2, a plurality of (for example, 2 to 10) single mode cavities may be connected, and a hollow tube may communicate with the central axis thereof.
In the apparatus shown in FIG. 2, the microwave irradiation apparatus includes
With this configuration, it is possible to adjust the microwave irradiation time for the carbon black dispersion. When a plurality of single mode cavities are provided, the size of each single mode cavity may be the same or different.
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated based on an Example, this invention is not limited by this.
(カルボキシル基量の算出方法)
表面修飾カーボンブラック0.2gを秤量し、0.1N−NaHCO3を5mL加えて6時間窒素下で撹拌しながら反応させた。反応後に濾過してカーボンを除いた液を、0.01N−HClで滴定し、滴定に要したHCl量がカルボキシル基量に相当するとして、カルボキシル基量を算出した。
(Calculation method of the amount of carboxyl groups)
0.2 g of the surface-modified carbon black was weighed, 5 mL of 0.1 N NaHCO 3 was added, and the reaction was allowed to stir under nitrogen for 6 hours. After the reaction, the liquid from which carbon was removed by filtration was titrated with 0.01 N HCl, and the amount of carboxyl group was calculated assuming that the amount of HCl required for titration corresponds to the amount of carboxyl group.
(フェノール性OH基量の算出方法)
表面修飾カーボンブラック0.2gを秤量し、0.1N−NaOHを5mLと蒸留水30mLとを加え、6時間窒素下で撹拌しながら反応させた。反応後に濾過してカーボンを除いた液を、0.01N−HClで滴定し、滴定に要したHCl量から(1)の測定で要した量を引いたHCl量が、フェノール性OH基に相当するとしてフェノール性OH基量を算出した。
(Calculation method of phenolic OH group amount)
0.2 g of surface-modified carbon black was weighed, 5 mL of 0.1 N NaOH and 30 mL of distilled water were added, and the reaction was allowed to proceed with stirring under nitrogen for 6 hours. After the reaction, the solution was filtered to remove carbon and titrated with 0.01N HCl. The amount of HCl obtained by subtracting the amount required for the measurement in (1) from the amount of HCl required for titration corresponds to the phenolic OH group. As a result, the amount of phenolic OH group was calculated.
(カーボンブラックの分散粒子径)
表面修飾カーボンブラック20mgに対し、0.24%KOH水溶液2mlを加えてメノウ乳鉢でよくすりつぶした後、マイクロトラック(日機装社製)を用いて分散粒子径を測定した。
(Dispersion particle size of carbon black)
After adding 2 ml of 0.24% KOH aqueous solution to 20 mg of surface-modified carbon black and thoroughly grinding with an agate mortar, the dispersed particle size was measured using Microtrac (Nikkiso Co., Ltd.).
[実施例1]
過硫酸ナトリウム3質量部の水溶液にカーボンブラック(商品名:#960、平均粒子径:16nm、三菱化学社製)を分散した分散液を調製し、分散液を加熱することにより、カーボンブラックの表面修飾を行った。
具体的には、加熱には図1に示すような構成のマイクロ波照射装置を用いた。マイクロ波周波数2.4〜2.5GHzに基づいて設計された内径を有する垂直方向10cmの円筒型アルミ製のTM010シングルモードキャビティの中心軸を貫通するよう外径1mm外径3mm長さ12cmの石英ガラス管を設置し、石英管の両端は、バイトン製Oリングシールを有するステンレス製の耐圧継手により、SUS316製の1/16インチ配管に接続させた。前記キャビティには100Wマイクロ波発生器、電界モニター、放射温度計が接続してあり、つねにTM010の定在波が形成できるよう照射するマイクロ波の発振周波数を、反応溶液が所定の温度になるようマイクロ波電力を制御した。マイクロ波照射部に接続させたSUS316製の1/16インチ配管中に設置している熱電対温度計とさらにその後の出口部分には背圧弁を設置しており(図示省略)、液温の計測と背圧の調節ができる。
系内圧力を背圧弁で1.5MPaに調節させながら、前記分散液をプランジャーポンプで前記ガラス管内部を2mL/分で流通させ、100Wの出力でマイクロ波を照射し、出口から連続的に吐出される液を氷冷しながらガラスビーカーで受けて分散液を回収した。このとき、熱電対で測定した温度は180℃になっており、分散液にマイクロ波が照射された時間は2.3秒であった。
得られた分散液を透析膜で電気伝導度が2mS/cm以下になるまで残存塩を洗浄した後、60℃で真空乾燥することで、表面修飾カーボンブラックを得た。
得られた表面修飾カーボンブラックのCOOH基は208μmol/gであり、フェノール性OH基は608μmol/gであった。
分散粒子径を測定すると100nmであった。
このことから、非常に短い反応時間にもかかわらず、水に易分散な表面修飾カーボンブラックが得られたことが確認できた。
[Example 1]
The surface of carbon black was prepared by preparing a dispersion in which carbon black (trade name: # 960, average particle size: 16 nm, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) was dispersed in an aqueous solution of 3 parts by mass of sodium persulfate and heating the dispersion. Modified.
Specifically, a microwave irradiation apparatus having a configuration as shown in FIG. 1 was used for heating. Quartz with an outer diameter of 1 mm, an outer diameter of 3 mm, and a length of 12 cm so as to penetrate the central axis of a TM010 single-mode cavity made of cylindrical aluminum having a vertical diameter of 10 cm and having an inner diameter designed based on a microwave frequency of 2.4 to 2.5 GHz. A glass tube was installed, and both ends of the quartz tube were connected to a 1/16 inch pipe made of SUS316 by a stainless steel pressure joint having a Viton O-ring seal. A 100 W microwave generator, an electric field monitor, and a radiation thermometer are connected to the cavity, and the oscillation frequency of the microwave is always applied so that the standing wave of TM010 can be formed so that the reaction solution has a predetermined temperature. Microwave power was controlled. Thermocouple thermometer installed in 1/16 inch pipe made of SUS316 connected to microwave irradiation part and back pressure valve installed at the outlet part after that (not shown), liquid temperature measurement And back pressure can be adjusted.
While adjusting the system internal pressure to 1.5 MPa with a back pressure valve, the dispersion was circulated through the glass tube at 2 mL / min with a plunger pump, irradiated with microwaves at an output of 100 W, and continuously from the outlet. The discharged liquid was received in a glass beaker while cooling with ice, and the dispersion was recovered. At this time, the temperature measured with a thermocouple was 180 ° C., and the time during which the dispersion was irradiated with microwaves was 2.3 seconds.
The resulting dispersion was washed with a dialysis membrane until the electrical conductivity was 2 mS / cm or less, and then vacuum-dried at 60 ° C. to obtain surface-modified carbon black.
The surface-modified carbon black obtained had a COOH group of 208 μmol / g and a phenolic OH group of 608 μmol / g.
The dispersed particle size was measured to be 100 nm.
From this, it was confirmed that a surface-modified carbon black easily dispersed in water was obtained in spite of a very short reaction time.
[比較例1]
過硫酸ナトリウム3質量部の水溶液にカーボンブラック(商品名:#960、平均粒子径:16nm、三菱化学社製)を分散した分散液を調製した。
加圧を行っていない実施例1のマイクロ波照射装置の内部を、当該分散液を9.2mL/分で通過させ、出力100Wでマイクロ波を照射した。このとき、熱電対で計測された温度は80℃であった。出口で吐出された分散液を氷冷しながらガラスビーカーで受けた。この分散液に対して、さらに3回、同様のマイクロ波照射処理を行った。合計のマイクロ波を照射した時間は2.3秒であった。
得られた分散液を透析膜で電気伝導度が2mS/cmになるまで残存塩を洗浄した後、60℃で真空乾燥することで表面修飾カーボンブラックを得た。
得られた表面修飾カーボンブラックにおいて、COOH基は検出されず、フェノール性OH基は180μmol/gであった。
分散粒子径を測定したが、粒子が凝集しており、1000nm以上の粒子が多数存在していた。
このことから、水に易分散な表面修飾カーボンブラックが得られていないことが確認できた。
[Comparative Example 1]
A dispersion was prepared by dispersing carbon black (trade name: # 960, average particle size: 16 nm, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) in an aqueous solution of 3 parts by mass of sodium persulfate.
The dispersion was passed through the microwave irradiation apparatus of Example 1 that was not pressurized at 9.2 mL / min, and was irradiated with microwaves at an output of 100 W. At this time, the temperature measured with the thermocouple was 80 degreeC. The dispersion discharged at the outlet was received in a glass beaker while cooling with ice. This dispersion was further subjected to the same microwave irradiation treatment three times. The total microwave irradiation time was 2.3 seconds.
The resulting dispersion was washed with a dialysis membrane until the electrical conductivity reached 2 mS / cm, and then vacuum-dried at 60 ° C. to obtain surface-modified carbon black.
In the obtained surface-modified carbon black, no COOH group was detected, and the phenolic OH group was 180 μmol / g.
The dispersed particle size was measured, but the particles were agglomerated and many particles of 1000 nm or more existed.
From this, it was confirmed that surface-modified carbon black easily dispersed in water was not obtained.
本発明により、水に易分散な表面修飾カーボンブラックを短時間で製造可能な方法を提供することができる。 The present invention can provide a method capable of producing surface-modified carbon black that is easily dispersed in water in a short time.
1…マイクロ波照射口、2…TM0101キャビティ、3、13…送液ポンプ、4…電界モニター、5、15…温度計、6…マイクロ波発振器・制御器、7、17…反応管、8…カーボンブラック分散液、12、12’…キャビティ、14…原料液プール、18…背圧弁、19…受液プール DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Microwave irradiation port, 2 ... TM0101 cavity, 3, 13 ... Liquid feed pump, 4 ... Electric field monitor, 5, 15 ... Thermometer, 6 ... Microwave oscillator and controller, 7, 17 ... Reaction tube, 8 ... Carbon black dispersion, 12, 12 '... cavity, 14 ... raw material liquid pool, 18 ... back pressure valve, 19 ... liquid receiving pool
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