JP2000290531A

JP2000290531A - カーボンブラック処理装置及びカーボンブラックの処理方法並びに酸化カーボンブラックの製造方法

Info

Publication number: JP2000290531A
Application number: JP11100057A
Authority: JP
Inventors: Takaharu Yamamoto; 隆晴山本; Nobutake Mise; 信猛見勢
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2000-10-17

Abstract

(57)【要約】【課題】窒素含有酸化剤を用いて酸化されたカーボン
ブラックから有害な副生成物を取り除くための効率の良
い方法及び好適な装置を提供することを課題とし、コン
パクトで安価且つカーボンブラック付着等のない装置を
提供する。【解決手段】熱媒体を流通可能なジャケットと、外面
に攪拌翼を具備した可動な中空体とを有し、カーボンブ
ラックを攪拌しつつ加熱することの可能なカーボンブラ
ック処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸化カーボンブラ
ックの製造方法及びカーボンブラックの処理装置等に関
する。特に詳しくは、特に窒素含有酸化剤で酸化処理し
たカーボンブラックから、有害な副生成物を除去する処
理方法及びこのような処理に好適に用いられる処理装置
等に関する。

【０００２】

【従来技術】カーボンブラックを酸化処理して表面に酸
性官能基を付与し、各種のベヒクルへの分散を向上する
ことが知られており、酸化剤として、オゾン、硝酸、酸
化窒素等が知られている。カーボンブラックの酸化によ
り導入される表面の官能基とその性質については未だ充
分に解明されてはおらず、各々の酸化剤や酸化条件によ
り得られる酸化カーボンブラックの物性発現に差異が見
られる。硝酸、酸化窒素等の窒素含有酸化剤は、良好な
物性を有する酸化カーボンブラックを得るのに有用であ
る。しかしながら、これら窒素含有酸化剤を用いた場
合、カーボンブラック中に、有害な酸化副生成物が残存
するため、これを除去する必要がある。

【０００３】従来、カーボンブラックの酸化処理は、回
転ドラム式装置、流動床式反応器等の加熱装置内にカー
ボンブラックを入れて、ここにガス流と酸化剤とを導入
して、カーボンブラックの酸化を行い、引き続き、空気
等のガスを導入しながら加熱することで、カーボンブラ
ック表面から酸化副生成物を除去する方法が知られてい
た（特公昭４４−５６９１号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の技術では、以下のような問題があった。この
ような、回転ドラム式装置等の装置内に空気を供給し所
定の温度でカーボンブラックと接触させることで有害な
酸化副生成物を除去する方法では、効率を上げるために
装置内に導入するガスの流速を上げると、カーボンブラ
ック粉体がガス流に同伴されて回転ドラム式装置から吹
き出てしまい、回転ドラム装置内での滞留時間の調整が
難しい。カーボンブラック単位重量当たりの単位時間当
たりに導入される空気を増加して生産量を上げ、かつ所
定の滞留時間を確保するためには、装置径を大きく、し
かも装置長さも長くする必要があり、装置コスト、保全
費等が高価となる問題がある。

【０００５】また、酸化副生成物の除去にはある程度以
上の温度が必要があるが、回転ドラム装置内のカーボン
ブラックの温度を効率よく上げるためには回転ドラム装
置内部の熱伝導面積を上げることが必要となる。また装
置内部の温度コントロールが難しい。回転ドラム装置を
用いた方法では、回転ドラム内に伝熱管を有した装置と
し、この伝熱管からの伝熱によりカーボンブラックを加
熱しているが、この場合、効率を上げて速やかに加熱し
ようとすると、回転ドラム内部の伝熱管の本数を上げる
等の必要があり、このため回転ドラム内部の構造が複雑
となり細かな凹凸部が避けられず、このような場所への
カーボンブラックの付着、閉塞等の問題が生じてくる。

【０００６】また、窒素含有酸化剤で酸化されたカーボ
ンブラックから副生成物を除去する際、発熱反応が起こ
り、カーボンブラックの温度が上昇してくる。回転ドラ
ムでは軸方向にカーボンブラックが流れるため、発熱し
たカーボンブラックの温度を調整をするためには、回転
ドラム内に導入される熱風空気量を下げる、熱風空気温
度を下げる、または本体ジャケットの温度を下げる等の
方法しかない。これらの方法だと、カーボンブラックを
連続で回転ドラム内に導入している場合、入口側の、回
転ドラム内に入ったばかりのカーボンブラックの温度ま
で下がってしまい、効率が非常に悪い状態になる。また
運転も難しい。バッチ操業の場合には、付帯のサービス
タンクが必要になり、コスト高となる。また製品の排出
の難しい。

【０００７】本発明は窒素含有酸化剤を用いて酸化され
たカーボンブラックから有害な副生成物を取り除くため
の効率の良い方法及び好適な装置を提供することを課題
とし、コンパクトで安価且つカーボンブラック付着等の
ない装置を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題に
鑑みて鋭意検討を重ねた。その結果、構造が簡便で安価
であり、しかも、酸化カーボンブラックからの有害な副
生成物の除去を効率的に行うことのできる装置及び方法
を見出した。すなわち本発明は、（１）熱媒体を流通
可能なジャケットと、外面に攪拌翼を具備した可動な中
空体とを有し、カーボンブラックを攪拌しつつ加熱する
ことの可能なカーボンブラック処理装置、（２）外面
に攪拌翼を具備した可動な中空体を複数個有し、複数の
中空体が中空の軸により連通され、該軸の周りに回転す
ることによりカーボンブラックを攪拌することの可能な
上記（１）記載のカーボンブラック処理装置、

【０００９】（３）外面に攪拌翼を有し可動な中空体
及び中空の軸の中空部が互いに連通しており熱媒体を流
通させる構造になっていることを特徴とする上記（１）
又は（２）記載のカーボンブラック処理装置、（４）
中空体が円盤状である上記（１）〜（３）のいずれかに
記載のカーボンブラック処理装置、（５）上記（１）
〜（４）のいずれかに記載のカーボンブラック処理装置
内でカーボンブラックを加熱することを特徴とするカー
ボンブラックの処理方法、（６）カーボンブラックを
硝酸又は窒素酸化物で酸化し、さらに上記（１）〜
（４）のいずれかに記載のカーボンブラック処理装置内
で加熱してカーボンブラックに付着した窒素化合物を除
去することを特徴とする酸化カーボンブラックの製造方
法、及び、（７）上記（１）〜（４）のいずれかに記
載のカーボンブラック処理装置内での加熱を１００〜１
８０℃で行うことを特徴とする上記（６）記載の酸化カ
ーボンブラックの製造方法、に存する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明を以下に詳細に説明する。
本発明で処理の対象となるカーボンブラックの種類は特
に限定されない。カーボンブラックには代表的に、ファ
ーネス法で得られるファーネスブラックと、チャンネル
法で得られるチャンネルブラックがあるがいずれにも限
定されない。特に、ファーネスブラックは、比較的安価
であり一般的に多く流通しているが、生成炉内で生成し
た状態のカーボンブラックは、表面の酸性官能基の量が
充分でないことが多く、酸化処理に供される場合が多
い。カーボンブラックには、カーボンブラック生成炉よ
り回収された状態の粉末状のもの、粉末状のものを乾式
造粒あるいは湿式造粒により造粒した顆粒状のもの、圧
縮操作により得られたフレーク状のもの等が挙げられ、
本発明では特に限定されず用いることができるが、反応
効率の点から、一般には、粉末状のカーボンブラックが
好適に用いられる。

【００１１】酸化処理に用いる酸化剤としては、オゾ
ン、硝酸、酸化窒素が代表的であるが、特に、硝酸又は
酸化窒素等の窒素酸化物を用いて酸化した場合、副生成
物として、各種の窒素含有化合物が、カーボンブラック
中に残存することが知られている。このため、これらを
除去する必要がある。

【００１２】本発明では、この際の除去を、特定の装置
内でカーボンブラックを処理することにより行う。処理
とは、攪拌により付着成分を除去すること、さらには、
攪拌しつつ加熱することにより付着成分の除去を効率的
に行う等、当装置内でカーボンブラックを攪拌すること
により得られる効果を達成することを言う。

【００１３】この装置は、熱媒体を流通可能なジャケ
ットと、外面に攪拌翼を具備した可動な中空体、とを
有する装置である。中空体は、複数個設けられているこ
とが望ましい。これら複数個の中空体が、中空の軸によ
り連通され、軸の周りに回転するものが望ましい。さら
に、中空体の中空部と軸の中空部が互いに連通してお
り、熱媒体がこれらの中空部を流通する構造が望まし
い。より具体的には、後述する、本発明の装置の一例に
示すように、同軸の複数の中空体が適当な間隔を有して
隔てられてジャケット付きケーシング内に設けられてい
るものが好適である。このような構成をとることによ
り、カーボンブラックが中空体及びジャケットを流通す
る熱媒体からの熱伝導により加熱される構造であって、
カーボンブラックが軸方向に移動しながら攪拌され、加
熱され得る構造をとることができる。

【００１４】本発明に好適に用いることのできる装置の
一例を、以下に図１及び２を用いて説明する。１はケー
シングであり、中空体１１の下部の形状に沿うような形
状である。中空体は円盤状であり、ケーシングの下部は
円弧状の形状である。中空体の内部の中空部を熱媒体が
流通する。熱媒体としては蒸気等、所望の温度に加熱で
きるものであればよい。可動な中空体中及び軸内の中空
部に、カーボンブラックに熱を伝えるための熱媒体が流
れる構造とするのが望ましい。熱の流れは攪拌翼部の表
面からの熱伝導によりカーボンブラックに熱を伝えるた
め、高温ガス等の熱伝達による熱移動に比べて効率よく
加温することが可能となる。よってできるだけコンパク
トな装置にするためには攪拌翼部の表面積を広く設計す
ることが望ましい。

【００１５】なお中空体が可動であるとは、軸の周りを
回転可能である等を指し、具備した攪拌翼でカーボンブ
ラックを攪拌できる構造となっていることを指す。中空
体１１が軸の周りを回転すると中空体の具備する攪拌翼
２８によりカーボンブラックが攪拌されながら軸方向に
流れるようになっている。攪拌翼２８の中空体に対する
角度が可変構造になっており、この角度を変化させるこ
とによりカーボンブラックの装置内での滞留時間の調整
をすることができる。角度はボルトを緩めることで調節
ができる構造である。翼の形状は効率よく攪拌できるも
ので有れば形状は如何なるものでも良く、一般的な羽状
で構わない。

【００１６】ケーシングの材質は、ステンレス鋼等、耐
食性のある金属が望ましい。２は１のケーシング上部と
大気を縁切る上蓋で、本体とフランジ構造で間にガスケ
ット、Ｏリング等のシール剤を介して有接される。３は
１のケーシング外周部を加熱、冷却しカーボンブラック
粉を所定の温度に維持するための加熱、冷却ジャケット
である。材質は、炭素鋼、ステンレス鋼等の構造体を維
持できるもので有れば如何なるものでも良い。４は熱媒
体が流れる空間で４ａ，４ｂ，４ｃの３分割構造になっ
ている。これはカーボンブラックの温度を所望の温度に
するように熱媒体温度を変えることができる構造になっ
ている。５はカーボンブラック供給ノズルであり、ここ
からカーボンブラックをケーシング内に導入する。６は
カーボンブラックの排出ノズルであり、７は熱媒体供給
ノズルでである。熱媒体の温度は減圧弁等で調整をする
ことができる。

【００１７】１２は回転軸内に熱媒体を供給するための
供給ノズルであり、１３は回転軸内の熱媒体を排出する
ための排出ノズルである。１４は回転軸９と入口側固定
部の縁切りのためのロータリージョイントであり、１５
は回転軸９と出口側固定部の縁切りのためのロータリー
ジョイントであり、１６は入口側の回転軸９の軸受けで
あり、１７は出口側回転軸の軸受けであり、１８は入口
側のグランドパッキング１９を締め付けるためのグラン
ド押さえであり、１９は入口側のグランドパッキングで
あり、２０は出口側のグランドパッキングを締め付ける
ためのグランド押さえであり、２１は出口側のグランド
パッキングであり、１９のグランド部と同様に大気と内
部雰囲気がシールできる構造の軸封で有れば如何なる構
造でも良い。

【００１８】２２は加熱空気供給ノズルであり、ここか
ら供給される空気はカーボンブラックより出た水分や、
有害な副生成物を同伴して外部に排出するためのキャリ
アガスとなる。２３は、加熱空気供給ノズル２２より供
給した空気を排出するための排気ノズルである。２４
は、回転軸９の外周部に固定された歯車であり、２５は
電動機からの動力を伝達するためのチェーンであり、２
６は電動機側の歯車であり、２７は可変減速機付電動機
であり、所定の回転数を決定することができる。２９は
カーボンブラックの装置内仕込量を調節する調節板であ
る。

【００１９】同時に、ケーシング部もジャケット構造を
有しており、熱伝導によりカーボンブラックを所望の温
度まで加温できるようになっている。ここで用いる熱媒
体は蒸気、加熱オイル等カーボンブラックに熱を伝える
ことができるもので有れば如何なる熱媒体でもかまわな
い。酸化処理されたカーボンブラックから窒素含有化合
物等の副生成物を除去する際に発熱が生じるため、所望
の温度にカーボンブラックを維持するためには、除熱す
る必要がある。このためにはケーシング部のジャケット
を分割し、熱媒体の温度を分割ジャケット毎に制御する
ことができる。分割ジャケットに部分的に冷媒を流し
て冷却をしても良い。冷媒は水、温水等カーボンブラッ
クの温度を下げることができるもので有れば如何なる媒
体でも良い。

【００２０】８はジャケット４ｃ部の冷却媒体排出ノズ
ルである。９は中空軸構造の回転軸であり、１０は９の
回転軸内を熱媒体が流れるための流路である。装置内の
カーボンブラックの温度制御は、ケーシングに熱電対挿
入ノズルを設け、流れ方向のカーボンブラック温度を検
知して分割ジャケットの加熱及び冷却媒体温度を調整す
ることにより、所望の温度に維持することが可能であ
る。

【００２１】カーボンブラックの装置内滞留時間の調整
は５のカーボンブラック供給ノズルからの供給量と２９
の調節板の高さを変えることでも調整が可能である。投
入されたカーボンブラックは安息角見合いで流れ方向に
攪拌されながら排出される。

【００２２】カーボンブラックに付着している副生成物
を除去するためには所望の温度条件下にカーボンブラッ
ク粉を保持する必要がある。この温度は、硝酸等での酸
化で副生した窒素含有化合物の除去の場合には１００〜
１８０℃である。好ましくは１２０〜１６０℃、更に好
ましくは１３０〜１５０℃であれば、効率よく副生成物
を除去できる。以上説明した本発明の処理装置は、樹脂
ペレット、砂糖、澱粉等の粉体の乾燥に用いられる溝型
攪拌式乾燥機として市販されているものを用いることも
できる。

【００２３】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を更に具体的に
説明する。（実施例１）三菱化学（株）製「＃４７」を、以下の方
法で酸化処理した。７０％の硝酸を空気中に気化させた
硝酸ガス濃度５．０体積％の混合ガスを１００℃に予熱
し、１０ｍ／ｓｅｃの流速の気流としてガス温度を１０
０℃に制御した配管内に流通させ、この気流中にカーボ
ンブラック１００重量部に対して硝酸１５．０重量部と
なる様、カーボンブラックを２４０ｇ/ 分の割合で定量
供給しながらエジェクターで分散させ、カーボンブラッ
クの配管内での滞留時間を２０秒間として酸化させた
後、カーボンブラックを同伴する気流を５０℃まで冷却
し、捕集バッグで反応後のガスと酸化カーボンブラック
を分離した。得られた酸化カーボンブラック（ＮＯ₂量
20,000 ppm）を、図１及び２に概略を示す、ホソカワミ
クロン（株）製溝型攪拌式乾燥機「サーモプロセッサー
（25w-1.1 型）」内に導入し、酸化副生成物の除去を行
った。処理条件は、以下の通りである。軸１０の回転数：３０ｒｐｍカーボンブラックの温度：１２０〜１６０℃ カーボンブラックの装置内での滞留時間：１８分〜６０分カーボンブラック供給量：１６kg/hr

【００２４】上記の酸化カーボンブラックについて、排
出ノズル６から捕集した処理後の酸化カーボンブラック
のＮＯ₂量を測定した。表−１に示すように、３０分で
３０PPM までＮＯ₂を除去することができることを確認
できた。ＮＯ₂の測定方法はＪＩＳｋ- ０１０４”排ガ
ス中の窒素化合物の分析法”である亜鉛還元ナフチルエ
チレンジアミン法（ＮＥＤＡ法）を用いて測定した。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【発明の効果】従来用いられていたロータリーキルン等
では管内に加熱管が周方向に配置され、この管を固定す
る補強リブ等が必要となり伝熱面積はとれても装置内が
複雑となり、閉塞付着の問題が生じ易い構造であるが、
これに対して本発明の装置は内部の構造が簡単なため装
置内部で付着等が生じにくい。また、熱をカーボンブラ
ックに伝えるための伝熱面積が大きく取れるため、効率
よく加熱処理が行われる。また、従来用いられていたロ
ータリーキルンでは有効仕込み量が少ないため、装置自
体が大型化し製作コストも高価となる。これに対して本
発明の装置は有効仕込量が大きく取れるため、装置がコ
ンパクトで安価である。ロータリーキルンとは異なり、
本発明の装置における外部ジャケットは回転せず固定状
態にあるので、軸方向に分割して熱媒体の温度を各分割
部で調整することにより内部のカーボンブラックの温度
制御が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に好適に用いることのできる装置の一例
を示す図

【図２】本発明に好適に用いることのできる装置の一例
を示す図

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱媒体を流通可能なジャケットと、外面
に攪拌翼を具備した可動な中空体とを有し、カーボンブ
ラックを攪拌しつつ加熱することの可能なカーボンブラ
ック処理装置。
【請求項２】外面に攪拌翼を具備した可動な中空体を
複数個有し、複数の中空体が中空の軸により連通され、
該軸の周りに回転することによりカーボンブラックを攪
拌することの可能な請求項１記載のカーボンブラック処
理装置。
【請求項３】外面に攪拌翼を有し可動な中空体及び中
空の軸の中空部が互いに連通しており熱媒体を流通させ
る構造になっていることを特徴とする請求項１又は２記
載のカーボンブラック処理装置。
【請求項４】中空体が円盤状である請求項１〜３のい
ずれかに記載のカーボンブラック処理装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載のカーボ
ンブラック処理装置内でカーボンブラックを加熱するこ
とを特徴とするカーボンブラックの処理方法。
【請求項６】カーボンブラックを硝酸又は窒素酸化物
で酸化し、さらに請求項１〜４のいずれかに記載のカー
ボンブラック処理装置内で加熱してカーボンブラックに
付着した窒素化合物を除去することを特徴とする酸化カ
ーボンブラックの製造方法。
【請求項７】請求項１〜４のいずれかに記載のカーボ
ンブラック処理装置内での加熱を１００〜１８０℃で行
うことを特徴とする請求項６記載の酸化カーボンブラッ
クの製造方法。