WO2017074050A1 - Method for modifying surface of carbon black - Google Patents
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- C09C1/00—Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
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- C09C3/00—Treatment in general of inorganic materials, other than fibrous fillers, to enhance their pigmenting or filling properties
- C09C3/06—Treatment with inorganic compounds
Definitions
- the carbon black is only physically dispersed on the rubber matrix in the composition containing the carbon black and the rubber.
- an object of the present invention is to provide a pretreatment method for introducing a functional group capable of mediating the crosslinking reaction between rubber molecules on the surface of the carbon black.
- a method of introducing a functional group capable of mediating chemical bonds with rubber molecules into the surface of the carbon black by performing a surface modification immediately with the production of carbon black can be provided.
- Oxygen-containing functional groups include aldehyde groups, ketone groups, carboxyl groups and hydroxyl groups, and the like, and may further include other polar oxygen-containing functional groups that can be introduced through oxidation reforming occurring under an oxidizing gas atmosphere.
- the content of the oxygen-containing functional groups introduced to the carbon black surface through the pretreatment of step (a) can be indirectly confirmed by the weight ratio of gases generated from the functional groups on the carbon black surface measured by thermal desorption analysis.
- the surface of the carbon black was modified under the same conditions as in Example 1, but pretreatment with ozone was performed for 1 hour.
- Example 1 95.41 0.11 0.19 3.45 0.21
- Example 2 95.89 0.12 0.19 3.03 0.23
- Example 3 94.25 0.10 0.17 4.59 0.12
- Example 4 94.71 0.11 0.16 4.55 0.19
- Comparative Example 1 97.13 0.23 0.21 0.45 1.34
- Comparative Example 2 96.6 0.25 0.22 1.05 0.6
- Comparative Example 3 96.09 0.17 0.18 1.50 0.42
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Abstract
Description
본 발명은 카본블랙의 표면 개질 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로 카본블랙의 표면에 대한 전처리를 통해 황-함유 작용기의 도입량을 향상시키는 카본블랙의 표면 개질 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for surface modification of carbon black, and more particularly to a method for surface modification of carbon black to improve the amount of sulfur-containing functional groups introduced through the pretreatment of the surface of the carbon black.
카본블랙은 잉크 조성물, 페인트 등의 안료로서 고무 조성물 및 플라스틱 조성물을 배합 및 제조하는 데 있어서 충전제 및 강화 안료로서, 다양한 분야에 널리 이용된다. Carbon black is widely used in various fields as fillers and reinforcing pigments in blending and preparing rubber compositions and plastic compositions as pigments for ink compositions, paints and the like.
카본블랙이 잉크 조성물, 페인트 등의 안료로서 사용되는 경우 흑도, 광택, 착색력 및 분산성 등과 같은 특성이 우수한 것이 요구되는 반면, 타이어의 보강제로서 사용되는 경우, 내마모성이 우수하며, 히스테리시스-손실율이 낮은 것이 요구되고 있다.When carbon black is used as a pigment for ink compositions, paints, etc., it is required to have excellent properties such as blackness, gloss, coloring power, and dispersibility, while when used as a reinforcing agent of a tire, it is excellent in wear resistance and has low hysteresis loss ratio. Is required.
특히, 타이어를 제조하기 위한 고무 조성물과 관련하여, 고무의 탄성은 가교된 고무 골격의 에너지 흡수능력에 의한 것이고 고무의 가교밀도가 높으면 인장강도는 높고 연신율은 낮기 때문에, 고무의 사용 목적에 적합하도록 가교밀도를 신중하게 조절하여야 한다.In particular, in relation to the rubber composition for producing a tire, the elasticity of the rubber is due to the energy absorbing ability of the crosslinked rubber skeleton, and if the crosslinking density of the rubber is high, the tensile strength is high and the elongation is low. The crosslinking density must be carefully controlled.
한편, 가교밀도를 높이는데 한계가 있기 때문에 인장 강도는 증가시키는 반면 모듈러스(MODULUS)는 증가시키지 않도록 하기 위해 고무에 카본블랙과 같은 보강제를 첨가하고 있다.On the other hand, since there is a limit in increasing the crosslinking density, a reinforcing agent such as carbon black is added to the rubber in order to increase the tensile strength while not increasing the modulus.
고무의 보강 효과에 직접 영향을 주는 충진제의 특성으로는 카본블랙 입자의 크기, 표면적 및 입자의 구조 등이 있으나 이러한 성질은 모두 카본블랙-고무간의 물리적 결합과 관련된 요소들이다.The properties of the fillers that directly affect the reinforcing effect of the rubber include the size, surface area and particle structure of the carbon black particles, but these properties are all related to the physical bonding between the carbon black and the rubber.
즉, 카본블랙과 고무가 배합된 조성물 내에서 카본블랙은 고무 매트릭스 상에 물리적으로 분산되어 있을 뿐이다.In other words, the carbon black is only physically dispersed on the rubber matrix in the composition containing the carbon black and the rubber.
따라서, 고무 조성물로 제조된 타이어에 스트레스가 가해져 지속적으로 스트레인이 발생하게 되면 고무의 탄성을 유지하기 위해 물리적으로 분산된 카본블랙 입자들이 서로 뭉치거나 원래의 자리를 이탈하게 되어 결과적으로 타이어의 물성 저하를 야기한다.Therefore, when stress is applied to a tire made of a rubber composition and the strain is continuously generated, the carbon black particles physically dispersed to maintain the elasticity of the rubber may agglomerate or leave the original position, resulting in deterioration of the tire properties. Cause.
이러한 문제점을 해결하기 위해 고무와 가교 결합을 형성할 수 있는 황(유황)을 고무 조성물에 첨가하는 기술이 소개된 바 있으나, 황은 인접한 고무 분자들 사이의 가교 결합(화학적 결합)을 형성할 뿐, 카본블랙과 화학적 결합을 형성하지 않기 때문에 상술한 문제점을 해결하는데 한계가 있다.In order to solve this problem, a technique of adding sulfur (sulfur) which can form a crosslink with rubber to the rubber composition has been introduced, but sulfur only forms a crosslink (chemical bond) between adjacent rubber molecules, There is a limit in solving the above-described problems because it does not form a chemical bond with the carbon black.
대안으로, 카본블랙을 실리카로 대체하거나 카본블랙의 표면에 실란기를 도입하는 방법이 소개된 바 있으나, 실리카 또는 실란기를 통한 가교 반응시 고가의 커플링제가 필요하며, 가교 반응 결과 알코올 부산물이 발생한다는 문제점이 있다.As an alternative, a method of replacing carbon black with silica or introducing a silane group on the surface of the carbon black has been introduced, but an expensive coupling agent is required for the crosslinking reaction through silica or silane groups, and alcohol byproducts are generated as a result of the crosslinking reaction. There is a problem.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고무 조성물 내 고무 분자와 카본블랙 사이의 물리적 결합뿐만 아니라 화학적 결합을 매개하기 위한 작용기를 카본블랙의 표면에 도입하는 개질 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Disclosure of Invention The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for introducing a functional group for mediating a chemical bond as well as a physical bond between a rubber molecule and carbon black in a rubber composition on the surface of the carbon black. do.
또한, 본 발명은 고무 분자들간 가교 반응을 매개할 수 있는 작용기를 카본블랙의 표면에 도입하는 개질 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide a reforming method for introducing a functional group capable of mediating a crosslinking reaction between rubber molecules on the surface of carbon black.
아울러, 본 발명은 고무 분자들간 가교 반응을 매개할 수 있는 작용기를 카본블랙의 표면에 도입하기 위한 전처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a pretreatment method for introducing a functional group capable of mediating the crosslinking reaction between rubber molecules on the surface of the carbon black.
추가적으로, 본 발명은 카본블랙의 제조 공정에 적용될 수 있는 표면 개질 방법을 제공함으로써 별도의 추가 공정 없이도 카본블랙의 표면 개질이 가능한 바, 제조 공정의 난이도 및 비용을 절감할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention provides a surface modification method that can be applied to the carbon black manufacturing process by providing a method that can reduce the surface difficulty of the carbon black without any additional process, the manufacturing process difficulty and cost The purpose.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 카본블랙의 제조와 함께 곧바로 표면 개질을 수행함으로써 고무 분자와의 화학적 결합을 매개할 수 있는 작용기를 카본블랙의 표면 내로 도입하는 방법이 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention for solving the above technical problem, a method of introducing a functional group capable of mediating chemical bonds with rubber molecules into the surface of the carbon black by performing a surface modification immediately with the production of carbon black Can be provided.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본블랙의 표면 개질 방법은 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다.Specifically, the surface modification method of carbon black according to an embodiment of the present invention may include the following steps.
(a) 미분 상태의 카본블랙을 산화성 기체 분위기 하에서 전처리하는 단계;(a) pretreating the finely divided carbon black in an oxidizing gas atmosphere;
(b) 상기 전처리된 카본블랙을 물과 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;(b) mixing the pretreated carbon black with water to prepare a mixture;
(c) 상기 혼합물 중 카본블랙을 펠렛화하는 단계; 및(c) pelletizing carbon black in the mixture; And
(d) 기체 상의 황 화합물을 포함하는 혼합 가스를 공급하면서 상기 펠렛화된 카본블랙을 열처리하여 표면 내 황-함유 작용기가 도입된 카본블랙을 수득하는 단계.(d) heat treating the pelletized carbon black while supplying a mixed gas comprising a sulfur compound in gas phase to obtain carbon black into which sulfur-containing functional groups are introduced on the surface.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄화수소계 원료로부터 카본블랙(미분 상태)을 합성한 다음 이를 전처리하는 단계로부터 시작된다.According to one embodiment of the present invention, carbon black (fine powder) is synthesized from a hydrocarbon-based raw material and then started by pretreatment.
단계 (a)의 전처리는 상온, 예를 들어 20 내지 35℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 전처리를 통해 카본블랙의 표면에서 1차 개질이 일어난다.The pretreatment in step (a) may be carried out at room temperature, for example at a temperature of 20 to 35 ° C., through which the primary modification takes place on the surface of the carbon black.
단계 (a)는 산소, 오존, 공기 및 NO2로부터 선택되는 적어도 하나의 산화성 기체 분위기 하에서 수행될 수 있으며, 전처리를 통해 카본블랙의 표면 내 산소-함유 작용기의 비율이 증가할 수 있다.Step (a) may be carried out under at least one oxidizing gas atmosphere selected from oxygen, ozone, air and NO 2 , and pretreatment may increase the proportion of oxygen-containing functional groups on the surface of the carbon black.
일 실시예에 있어서, 카본블랙의 표면 내 산소-함유 작용기의 함량이 0.1 내지 1.0 meq/g가 되도록 전처리가 수행되는 것이 바람직하다.In one embodiment, the pretreatment is preferably performed such that the content of oxygen-containing functional groups in the surface of the carbon black is 0.1 to 1.0 meq / g.
단계 (a)의 전처리를 통해 카본블랙 표면에 도입된 산소-함유 작용기의 함량은 열탈착 분석법에 의해 측정된 카본블랙 표면의 작용기로부터 발생하는 기체의 무게비를 통해 확인할 수 있다.The content of the oxygen-containing functional groups introduced to the carbon black surface through the pretreatment of step (a) can be confirmed through the weight ratio of gases generated from the functional groups on the carbon black surface measured by thermal desorption analysis.
단계 (a)에 따라 전처리된 카본블랙의 열탈착 분석법에 의해 발생하는 기체 CO/CO2/H2의 무게 비는 5/1/1 내지 20/10/1의 범위 내일 수 있다.The weight ratio of gas CO / CO 2 / H 2 generated by thermal desorption analysis of the pretreated carbon black according to step (a) may be in the range of 5/1/1 to 20/10/1.
이어서, 단계 (b)는 단계 (a)에 따른 전처리를 거친 미분 상태의 카본블랙을 습식 펠렛화 전 물과 혼합하는 단계이며, 단계 (c)는 미분 상태의 카본블랙과 물의 혼합물을 습식 펠렛화 하는 단계이다.Subsequently, step (b) is a step of mixing the pretreated carbon black in the finely divided state according to step (a) with water before wet pelletization, and step (c) wet pelletizes the mixture of the finely divided carbon black and water. It's a step.
마지막으로, 단계 (d)의 열처리는 160 내지 500℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 열처리를 통해 카본블랙으로부터 수분이 완전히 제거됨과 동시에 카본블랙의 표면에서 2차 개질이 일어난다.Finally, the heat treatment of step (d) can be carried out at a temperature of 160 to 500 ℃, the second modification occurs on the surface of the carbon black at the same time the moisture is completely removed from the carbon black through the heat treatment.
단계 (d)의 열처리는 H2S, SO2 및 원소형 황으로부터 선택되는 적어도 하나의 황 화합물이 존재하는 분위기 하에서 수행된다.The heat treatment of step (d) is carried out in an atmosphere in which there is at least one sulfur compound selected from H 2 S, SO 2 and elemental sulfur.
이 때, 전처리된 카본블랙과 접촉하는 혼합가스는 600 내지 3,000hr-1의 기체공간속도(Gas Hourly Space Velocity)로 공급되는 것이 바람직하며, 혼합가스 내 기체 상의 황 화합물의 농도는 500 내지 1,000 mg/Nm3인 것이 바람직하다.At this time, the mixed gas in contact with the pretreated carbon black is preferably supplied at a gas hourly space velocity of 600 to 3,000 hr −1 , and the concentration of the sulfur compound in the gas in the mixed gas is 500 to 1,000 mg. / Nm 3 is preferred.
단계 (d)의 열처리까지 완료한 카본블랙의 표면에는 모노설파이드기, 다이설파이드기 및 3개 이상의 황을 포함하는 폴리설파이드기로부터 선택되는 적어도 하나의 황-함유 작용기가 존재할 수 있으며, 바람직하게는 모노설파이드기 및/또는 다이설파이드기가 주로 존재할 수 있다.At least one sulfur-containing functional group selected from the monosulfide group, the disulfide group and the polysulfide group including three or more sulfur may be present on the surface of the carbon black completed by the heat treatment in step (d), and preferably Monosulfide groups and / or disulfide groups may mainly be present.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 열처리까지 완료한 카본블랙 중 황의 함유량은 3 wt% 이상일 수 있다.In addition, the content of sulfur in the carbon black completed until the heat treatment according to an embodiment of the present invention may be 3 wt% or more.
본 발명에 따라 표면 개질된 카본블랙의 표면이 일차적으로 전처리된 후 고무 분자들간 가교 반응을 매개할 수 있는 작용기가 도입되는 바, 카본블랙의 표면에 보다 균일하고 높은 함량의 가교 반응 매개 작용기의 도입이 가능하다는 이점이 있다.According to the present invention, after the surface of the surface-modified carbon black is first pretreated, a functional group capable of mediating the crosslinking reaction between the rubber molecules is introduced, thereby introducing a more uniform and higher content of the crosslinking reaction mediating functional group on the surface of the carbon black. There is an advantage that this is possible.
또한, 본 발명에 따라 표면 개질된 카본블랙의 표면에는 고무 분자들간 가교 반응을 매개할 수 있는 작용기가 균일하게 도입되는 바, 고무 분자와 카본블랙 사이의 균일한 가교 반응을 통해 고무 매트릭스 내 카본블랙의 분산성을 향상시킬 수 있으며, 카본블랙에 의해 매개되는 고무 분자들간 가교 밀도를 높여 이로부터 제조되는 타이어의 인장 강도를 증가시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, a functional group capable of mediating the crosslinking reaction between the rubber molecules is uniformly introduced to the surface of the carbon black surface modified, and thus the carbon black in the rubber matrix through the uniform crosslinking reaction between the rubber molecule and the carbon black. It is possible to improve the dispersibility of, and to increase the crosslinking density between the rubber molecules mediated by carbon black to increase the tensile strength of the tire produced therefrom.
아울러, 본 발명에 따라 표면 개질된 카본블랙의 표면에 존재하는 작용기를 통해 카본블랙과 고무 분자 사이의 화학적 결합이 매개될 수 있는 바, 고무 분자와 카본블랙 사이의 결합력이 더욱 향상될 수 있으며, 이에 따라 타이어에 지속적으로 가해지는 스트레스에 대한 저항성, 즉 내마모성이 향상될 수 있다.In addition, the chemical bond between the carbon black and the rubber molecule may be mediated through a functional group present on the surface of the surface-modified carbon black according to the present invention, and thus the bonding force between the rubber molecule and the carbon black may be further improved. Accordingly, the resistance to stress that is continuously applied to the tire, that is, wear resistance may be improved.
본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해 편의상 특정 용어를 본원에 정의한다. 본원에서 달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 과학 용어 및 기술 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가질 수 있다. Certain terms are defined herein for convenience of understanding the invention. Unless defined otherwise herein, scientific and technical terms used herein may have the meanings that are commonly understood by one of ordinary skill in the art.
또한, 문맥상 특별히 지정하지 않는 한, 단수 형태의 용어는 그것의 복수 형태도 포함하는 것이며, 복수 형태의 용어는 그것의 단수 형태도 포함할 수 있다.In addition, the singular forms also include the plural forms thereof, and the plural forms terms may also include the singular forms thereof, unless the context clearly indicates otherwise.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본블랙의 표면 개질 방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the carbon black surface modification method according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
본 발명의 일 측면에 따르면, 카본블랙의 제조와 함께 곧바로 표면 개질을 수행함으로써 고무 분자와의 화학적 결합을 매개할 수 있는 작용기를 카본블랙의 표면 내로 도입하는 방법이 제공될 수 있다.According to one aspect of the present invention, a method for introducing a functional group capable of mediating chemical bonds with rubber molecules into the surface of the carbon black by performing surface modification immediately with the preparation of carbon black can be provided.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본블랙의 표면 개질 방법은 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다.Specifically, the surface modification method of carbon black according to an embodiment of the present invention may include the following steps.
(a) 미분 상태의 카본블랙을 산화성 기체 분위기 하에서 전처리하는 단계;(a) pretreating the finely divided carbon black in an oxidizing gas atmosphere;
(b) 상기 전처리된 카본블랙을 물과 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;(b) mixing the pretreated carbon black with water to prepare a mixture;
(c) 상기 혼합물 중 카본블랙을 습식 펠렛화하는 단계; 및(c) wet pelletizing carbon black in the mixture; And
(d) 기체 상의 황 화합물을 포함하는 홉합 가스를 공급하면서 상기 펠렛화된 카본블랙을 열처리하여 표면 내 황-함유 작용기가 도입된 카본블랙을 수득하는 단계.(d) heat treating the pelletized carbon black while supplying a mixed gas containing a sulfur compound in gas phase to obtain carbon black into which sulfur-containing functional groups are introduced on the surface.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄화수소계 원료로부터 카본블랙(미분 상태)을 합성한 다음 이를 전처리하는 단계로부터 시작된다.According to one embodiment of the present invention, carbon black (fine powder) is synthesized from a hydrocarbon-based raw material and then started by pretreatment.
단계 (a)의 전처리는 상온, 예를 들어 20 내지 35℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 전처리를 통해 카본블랙의 표면에서 1차 개질이 일어난다.The pretreatment in step (a) may be carried out at room temperature, for example at a temperature of 20 to 35 ° C., through which the primary modification takes place on the surface of the carbon black.
단계 (a)는 산화성 기체 분위기 하에서 수행될 수 있으며, 단계 (a)의 전처리를 통해 카본블랙의 표면 내 산소-함유 작용기의 비율이 증가할 수 있다.Step (a) may be carried out under an oxidizing gas atmosphere, and the pretreatment of step (a) may increase the proportion of oxygen-containing functional groups on the surface of the carbon black.
여기서, 산화성 기체는 산화성 물질을 포함하는 기체로서, 산소, 오존, 공기 및 NO2로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 또한, 상술한 산화성 기체와 수소, 질소 및 아르곤으로부터 선택되는 적어도 하나의 혼합 기체를 사용할 수도 있다.Here, the oxidizing gas is a gas containing an oxidizing material, and may be at least one selected from oxygen, ozone, air, and NO 2 . It is also possible to use the above-mentioned oxidizing gas and at least one mixed gas selected from hydrogen, nitrogen and argon.
1차 개질은 카본블랙의 표면에서 일어나는 산화 개질을 의미하며, 산화 개질에 의해 카본블랙의 표면 내 산소-함유 작용기의 비율이 증가할 수 있다. 예를 들어, 카본블랙의 표면 내 존재하는 C-H 결합으로부터 수소가 산소로 치환되거나 수소 대신 산소-함유 작용기가 도입되는 방식으로 산화 개질이 일어날 수 있다.Primary reforming refers to oxidation reforming that occurs on the surface of the carbon black, and the proportion of oxygen-containing functional groups on the surface of the carbon black may be increased by the oxidation reforming. For example, oxidation reforming may occur in such a way that hydrogen is replaced by oxygen or oxygen-containing functional groups are introduced instead of hydrogen from the C—H bonds present in the surface of the carbon black.
산소-함유 작용기로는 알데하이드기, 케톤기, 카복실기 및 하이드록실기 등이 있으며, 이외에 산화성 기체 분위기 하에서 일어나는 산화 개질을 통해 도입될 수 있는 다른 극성의 산소 함유 작용기를 더 포함할 수 있다.Oxygen-containing functional groups include aldehyde groups, ketone groups, carboxyl groups and hydroxyl groups, and the like, and may further include other polar oxygen-containing functional groups that can be introduced through oxidation reforming occurring under an oxidizing gas atmosphere.
전처리 온도가 20 ℃ 미만인 경우, 카본블랙의 표면에서의 산화 개질 속도가 느릴 뿐만 아니라 카본블랙의 표면에 산소-함유 작용기의 비율을 충분히 증가시킬 수 없다.When the pretreatment temperature is less than 20 ° C., the rate of oxidation reforming on the surface of the carbon black is not only slow but also cannot sufficiently increase the proportion of oxygen-containing functional groups on the surface of the carbon black.
전처리에 따른 산화 개질을 통해 카본블랙의 표면에 도입되는 산소-함유 작용기는 추후 열처리에 따른 개질을 통해 황-함유 작용기로 치환될 수 있다. 따라서, 전처리에 따른 산화 개질을 통해 카본블랙의 표면에 산소-함유 작용기가 충분히 도입되지 않을 경우, 열처리를 거치더라도 카본블랙의 표면에 충분한 황-함유 작용기의 도입이 어려울 수 있다.Oxygen-containing functional groups introduced into the surface of the carbon black through oxidation reforming according to the pretreatment may be replaced with sulfur-containing functional groups through reforming after heat treatment. Therefore, when oxygen-containing functional groups are not sufficiently introduced into the surface of the carbon black through oxidation reforming according to the pretreatment, it may be difficult to introduce sufficient sulfur-containing functional groups to the surface of the carbon black even after the heat treatment.
반면, 전처리 온도가 35 ℃를 초과할 경우, 온도가 상승함에 따라 카본블랙 표면의 산화 개질 속도가 증가하나 그 정도가 상온과 비교하여 크지 않다. 그렇기 때문에 온도를 상승시키는데 투입되는 에너지에 비해 산화 개질 효과가 작기 때문에 경제적인 측면을 고려할 때 온도 상승은 불필요하다.On the other hand, when the pretreatment temperature exceeds 35 ℃, the rate of oxidation reforming of the surface of the carbon black increases as the temperature is increased, but the degree is not large compared with the room temperature. As a result, the oxidation reforming effect is small compared to the energy input to increase the temperature, so the economic rise is unnecessary.
따라서, 카본블랙의 표면 내 산소-함유 작용기의 비율을 증가시킴과 동시에 카본블랙의 표면 안정성을 유지하기 위해 상술한 온도 범위에서 전처리가 수행되는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable that the pretreatment is carried out in the above-described temperature range in order to increase the proportion of oxygen-containing functional groups in the surface of the carbon black while maintaining the surface stability of the carbon black.
또한, 일 실시예에 있어서, 카본블랙의 표면 내 산소-함유 작용기의 함량이 0.1 내지 1.0 meq/g가 되도록 전처리가 수행되는 것이 바람직하다. 카본블랙의 표면 내 산소-함유 작용기의 함량을 측정하는 방법은 특정 원소를 포함하는 작용기를 정량적으로 분석하기 위해 통상적으로 사용되는 방법으로 수행될 수 있다.In addition, in one embodiment, the pretreatment is preferably performed so that the content of oxygen-containing functional groups in the surface of the carbon black is 0.1 to 1.0 meq / g. The method of measuring the content of oxygen-containing functional groups in the surface of the carbon black may be performed by a method commonly used to quantitatively analyze functional groups containing specific elements.
제1 전처리를 통해 카본블랙의 표면 내로 도입된 산소-함유 작용기의 함량이 0.1 meq/g 보다 적을 경우, 열처리를 거치더라도 카본블랙의 표면에 충분한 황-함유 작용기의 도입이 어려울 수 있다.When the content of the oxygen-containing functional groups introduced into the surface of the carbon black through the first pretreatment is less than 0.1 meq / g, it may be difficult to introduce sufficient sulfur-containing functional groups on the surface of the carbon black even after the heat treatment.
반면, 제1 전처리를 통해 카본블랙의 표면 내로 도입된 산소-함유 작용기의 함량이 1.0 meq/g 보다 많을 경우, 카본블랙내 황-함유 작용기의 함량이 너무 많아지게 되고, 이러한 카본블랙을 이용하여 컴파운드 제조 공정에서 가황시간이 너무 빨라지게 되어 제어가 어렵다는 문제가 존재한다.On the other hand, when the content of oxygen-containing functional groups introduced into the surface of the carbon black through the first pretreatment is greater than 1.0 meq / g, the content of sulfur-containing functional groups in the carbon black is too high, and using such carbon black In the compound manufacturing process, there is a problem that the vulcanization time becomes too fast and difficult to control.
단계 (a)의 전처리를 통해 카본블랙 표면에 도입된 산소-함유 작용기의 함량은 열탈착 분석법에 의해 측정된 카본블랙 표면의 작용기로부터 발생하는 기체의 무게비를 통해 간접적으로 확인할 수 있다.The content of the oxygen-containing functional groups introduced to the carbon black surface through the pretreatment of step (a) can be indirectly confirmed by the weight ratio of gases generated from the functional groups on the carbon black surface measured by thermal desorption analysis.
단계 (a)에 따라 전처리된 카본블랙의 열탈착 분석법에 의해 발생하는 기체 CO/CO2/H2의 무게 비는 5/1/1 내지 20/10/1의 범위 내일 수 있다.The weight ratio of the gaseous CO / CO 2 / H 2 generated by the thermal desorption spectrometry of a carbon black treated in accordance with step (a) can range from 5/1/1 to 20/10/1.
상술한 기체의 함량 비는 결국 단계 (a)에 의해 1차 개질된 정도, 즉 산소-함유 작용기의 도입 정도를 나타내는 것으로서, 상대적으로 CO 및/또는 CO2의 비율이 H2의 비율보다 높다는 것은 카본블랙의 표면 내 산소-함유 작용기의 비율이 증가하였다는 것을 의미한다.The above-described content ratio of gas, in turn, indicates the degree of primary modification by step (a), that is, the degree of introduction of oxygen-containing functional groups, and the relatively high ratio of CO and / or CO 2 is higher than that of H 2 . This means that the proportion of oxygen-containing functional groups in the surface of the carbon black has increased.
아울러, 카본블랙의 표면 내 산소-함유 작용기의 황-함유 작용기로의 치환 속도는 카본블랙의 표면 내 C-H 결합의 수소의 황-함유 작용기로의 치환 속도보다 빠르기 때문에 기체 CO 및/또는 CO2의 비율이 H2의 비율가 유사하다는 것은 카본블랙의 표면 내 산소-함유 작용기의 도입이 충분히 이루어지지 않다는 것을 의미하는 것으로 이해할 수 있다.In addition, the carbon black of the surface of the oxygen-in as fast than the substitution rate of a containing functional groups gaseous CO and / or CO 2 - sulfur-containing functional group substituted speed of the contained functional group is the carbon black surface in CH H of sulfur in combination It can be understood that the similar ratio of H 2 means that the introduction of oxygen-containing functional groups in the surface of the carbon black is not sufficient.
기체 CO 및/또는 CO2의 비율이 H2의 비율이 20/10/1을 초과할 경우, 카본블랙 내 산소-함유 작용기의 함량이 많기 때문에 열처리에 따라 카본블랙으로 도입되는 황의 함량이 너무 많아져 카본블랙을 이용하여 컴파운드을 제조할 때, 가황시간이 너무 빨라져 제어가 어렵다는 문제가 존재한다.If the proportion of the gaseous CO and / or CO 2 ratio of H 2 exceeds a 20/10/1, carbon black in an oxygen-containing functional groups because of the large content of the content of sulfur is introduced into the carbon black according to the heat treatment so much When manufacturing a compound using the lower carbon black, there is a problem that the vulcanization time is too fast and difficult to control.
단계 (c)를 통해 습식 펠렛화된 카본블랙은 물과 함께 존재하는 상태로서, 별도의 건조기 내에서의 열처리(건조) 공정(단계 (d))을 수행함으로써 수분을 제거하여 최종 생성물인 카본블랙을 수득하게 된다. 이 때, 건조 공정과 함께 카본블랙에 대한 표면 개질 공정이 동시에 수행될 수 있다.The wet pelletized carbon black through step (c) is present with water, and the water is removed by performing a heat treatment (drying) process (step (d)) in a separate dryer to remove carbon black as a final product. Will be obtained. At this time, the surface modification process for the carbon black may be performed simultaneously with the drying process.
단계 (d)의 열처리는 160 내지 500℃, 바람직하게는 250 내지 400℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 열처리를 통해 카본블랙으로부터 수분이 완전히 제거됨과 동시에 카본블랙의 표면에서 2차 개질이 일어난다.The heat treatment of step (d) may be carried out at a temperature of 160 to 500 ℃, preferably 250 to 400 ℃, the second modification occurs on the surface of the carbon black at the same time the moisture is completely removed from the carbon black through the heat treatment.
열처리는 기체 상으로 공급 가능한 황 소스, 예를 들어, H2S, SO2 및 원소형 황로부터 선택되는 적어도 하나의 황 화합물이 존재하는 분위기 하에서 수행되며, 2차 개질을 통해 카본블랙의 표면 내 존재하는 산소-함유 작용기가 황-함유 작용기로 치환될 수 있다. The heat treatment is carried out in an atmosphere in which there is at least one sulfur compound selected from a sulfur source, such as H 2 S, SO 2, and elemental sulfur, which can be supplied to the gas phase, and in the surface of the carbon black via secondary modification. The oxygen-containing functional groups present can be substituted with sulfur-containing functional groups.
황 함유 작용기로는, 모노설파이드기, 다이설파이드기 및 3개 이상의 황을 포함하는 폴리설파이드기로부터 선택되는 적어도 하나의 황-함유 작용기가 존재할 수 있으며, 바람직하게는 모노설파이드기 및/또는 다이설파이드기가 주로 존재할 수 있다.As the sulfur-containing functional group, there may be at least one sulfur-containing functional group selected from monosulfide groups, disulfide groups and polysulfide groups comprising at least three sulfur, preferably monosulfide groups and / or disulfides Groups may be present primarily.
예를 들어, 알데하이드기, 케톤기, 카복실기 및 하이드록실기와 같은 산소-함유 작용기가 모노설파이드기 및 다이설파이드기와 같은 황-함유 작용기로 치환될 수 있으며, 이 때 알데하이드, 케톤기 및 하이드록실기는 황-함유 작용기로 치환됨에 따라 카본블랙으로부터 일산화탄소(CO) 가스 형태로 이탈되며, 카복실기의 경우 이산화탄소(CO2) 가스 형태로 이탈된다.For example, oxygen-containing functional groups such as aldehyde groups, ketone groups, carboxyl groups and hydroxyl groups may be substituted with sulfur-containing functional groups such as monosulfide groups and disulfide groups, where aldehyde, ketone groups and hydroxyl groups are present. The actual group is released in the form of carbon monoxide (CO) gas from carbon black as it is substituted with a sulfur-containing functional group, and in the case of the carboxyl group, in the form of carbon dioxide (CO 2 ) gas.
아울러, 2차 개질을 통해 카본블랙의 표면 내 존재하는 C-H 결합으로부터 수소가 황으로 치환되거나 수소 대신 황-함유 작용기가 도입될 수 있다. 이 때, 수소는 황-함유 작용기로 치환됨에 따라 카본블랙으로부터 수소(H2) 가스 형태로 이탈된다.In addition, hydrogen may be replaced by sulfur or sulfur-containing functional groups may be introduced instead of hydrogen from CH bonds present on the surface of the carbon black through secondary modification. At this time, hydrogen is released from the carbon black in the form of hydrogen (H 2 ) gas as it is substituted with a sulfur-containing functional group.
이 때, 전처리된 카본블랙과 접촉하는 혼합가스는 600 내지 3,000hr-1의 기체공간속도(Gas Hourly Space Velocity)로 공급되는 것이 바람직하며, 혼합가스 내 기체 상의 황 화합물의 농도는 500 내지 1,000 mg/Nm3인 것이 바람직하다.At this time, the mixed gas in contact with the pretreated carbon black is preferably supplied at a gas hourly space velocity of 600 to 3,000 hr −1 , and the concentration of the sulfur compound in the gas in the mixed gas is 500 to 1,000 mg. / Nm 3 is preferred.
혼합가스의 기체공간속도(Gas Hourly Space Velocity)가 600 hr- 1 보다 작을 경우, 2차 개질이 충분히 이루어지지 않을 수 있다. 즉, 기체 상의 황 화합물이 공급되는 속도가 느리기 때문에 카본블랙의 표면 내 존재하는 산소-함유 작용기 또는 C-H 결합의 수소가 황-함유 작용기로 치환되는 속도가 느릴 수 있다.If the gas hourly space velocity of the mixed gas is less than 600 hr - 1 , the secondary reforming may not be sufficiently performed. That is, the rate at which the gaseous sulfur compound is supplied may be slow, so that the oxygen-containing functional group or hydrogen of the CH bond in the surface of the carbon black is substituted with the sulfur-containing functional group.
반면, 혼합가스의 기체공간속도(Gas Hourly Space Velocity)가 3,000hr- 1를 초과할 경우, 오히려 황-함유 기체와 카본블랙과의 반응 효율이 저하될 가능성이 존재한다.On the other hand, if the gas hourly space velocity (Gas Hourly Space Velocity) of the mixed gas exceeds 3,000hr - 1 , there is a possibility that the reaction efficiency of the sulfur-containing gas and carbon black is lowered.
상술한 단계들을 거쳐 표면 개질이 완료된 카본블랙 중 황의 함유량은 3 wt% 이상일 수 있다.The sulfur content in the carbon black having undergone the surface modification through the above-described steps may be 3 wt% or more.
상술한 바와 같이, 열처리가 수행되는 단계 (d)는 습식 펠렛화 후 수분을 함유하고 있는 카본블랙으로부터 수분을 제거함과 동시에 카본블랙의 표면을 개질하는 단계로서, 카본블랙의 건조 공정과 표면 개질 공정을 동시에 수행함으로써 제조 공정의 난이도 및 비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.As described above, the step (d) in which the heat treatment is performed is a step of removing moisture from the carbon black containing water after wet pelletization and simultaneously modifying the surface of the carbon black. Simultaneously, the difficulty and cost of the manufacturing process can be reduced.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.The following presents specific embodiments of the present invention. However, the embodiments described below are merely for illustrating or explaining the present invention in detail, and thus the present invention is not limited thereto.
카본블랙의 표면 개질 방법Surface Modification Method of Carbon Black
실시예 1Example 1
단계 (a) : 미분쇄 상태의 카본블랙(N234 등급)을 펠렛 제조기 전단에 있는 산화성 기체 처리 반응기로 전처리를 실시하였다. 산화성 기체 처리 반응기는 로타리 킬른 형태의 반응기로써 반응온도는 상온, 반응기 회전수 20 rpm, 산소 중 오존의 농도는 90mg/Nm3 (4.2vol%)으로 고정하고 실시하였다. 총 오존의 공급량은 9.072mg/CBg이며, 2시간 동안 미분쇄 상태의 카본블랙을 전처리하였다.Step (a): Pretreated carbon black (grade N234) was pretreated into an oxidizing gas treatment reactor in front of the pelletizer. The oxidizing gas treatment reactor was a rotary kiln type reactor. The reaction temperature was fixed at room temperature, the reactor rotation speed was 20 rpm, and the concentration of ozone in oxygen was 90 mg / Nm 3 (4.2 vol%). The total amount of ozone supplied was 9.072 mg / CBg and pretreated with finely ground carbon black for 2 hours.
단계 (b) 및 (c) : 산화 개질된 미분쇄 상태의 카본블랙을 동일한 무게의 물과 혼합한 후 습식 펠렛 제조기에 투입하여 1시간 동안 펠렛화하였다.Steps (b) and (c): The carbon black in the oxidation-modified pulverized state was mixed with water of the same weight and then poured into a wet pellet maker for pelleting for 1 hour.
단계 (d) : 분쇄(펠렛화)된 카본블랙은 수분의 건조 및 표면 개질을 위해 건조기에 투입하였다. 건조기 내의 온도는250℃이고 체류 시간은 2시간이었다. 백필터에서 분리된 배가스의 일부를 혼합가스로 사용하였으며, 기체 상의 황 화합물로는 원소형 황(elemental sulfur vapor)를 사용하였다. 이 때, 전처리된 카본블랙과 접촉하는 혼합가스는 2,000hr-1의 기체공간속도(Gas Hourly Space Velocity)로 공급하였고, 혼합가스 내 기체 상의 황 화합물의 농도는 700 mg/Nm3로 하였다.Step (d): The ground (pellet) carbon black was put into a dryer for drying the moisture and surface modification. The temperature in the dryer was 250 ° C. and the residence time was 2 hours. Part of the exhaust gas separated from the bag filter was used as a mixed gas, and elemental sulfur vapor was used as the gaseous sulfur compound. At this time, the mixed gas in contact with the pretreated carbon black was supplied at a gas hourly space velocity of 2,000 hr −1 , and the concentration of the sulfur compound in the gas phase in the mixed gas was 700 mg / Nm 3 .
실시예 2Example 2
실시예 1과 동일한 조건으로 카본블랙의 표면을 개질하되, 오존에 의한 전처리는 1시간 동안 수행하였다.The surface of the carbon black was modified under the same conditions as in Example 1, but pretreatment with ozone was performed for 1 hour.
실시예 3Example 3
실시예 1과 동일한 방법으로 카본블랙의 표면을 개질하되, 전처리시 총 오존의 공급량을 18.144mg/CBg으로 설정하였다.The surface of the carbon black was modified in the same manner as in Example 1, but the total amount of ozone supplied to the pretreatment was set to 18.144 mg / CBg.
실시예 4Example 4
실시예 1과 동일한 방법으로 카본블랙의 표면을 개질하되, 단계 (d)의 혼합가스의 기체공간속도(Gas Hourly Space Velocity)를 4,000hr-1로 설정하였다.The surface of the carbon black was modified in the same manner as in Example 1, but the gas hourly space velocity of the mixed gas of step (d) was set to 4,000 hr −1 .
비교예 1Comparative Example 1
실시예 1과 동일한 방법으로 카본블랙의 표면을 개질하되, 단계 (d)를 수행하지 않았다.The surface of the carbon black was modified in the same manner as in Example 1, but step (d) was not performed.
비교예 2Comparative Example 2
실시예 1과 동일한 방법으로 카본블랙의 표면을 개질하되, 단계 (a)를 수행하지 않았다.The surface of the carbon black was modified in the same manner as in Example 1, but step (a) was not performed.
비교예 3Comparative Example 3
실시예 1과 동일한 방법으로 카본블랙의 표면을 개질하되, 단계 (d)의 혼합가스의 기체공간속도(Gas Hourly Space Velocity)를 500hr-1로 설정하였다.The surface of the carbon black was modified in the same manner as in Example 1, but the gas hourly space velocity of the mixed gas of step (d) was set to 500 hr −1 .
표면 개질된 카본블랙의 성분 분석 결과Component analysis of surface modified carbon black
실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 4에 따라 표면 개질된 카본블랙의 성분 분석 결과(표면 개질된 카본블랙 내 함유된 원소의 함량을 중량비로 환산함), 실시예 1 내지 실시예 3의 경우, 황의 함유량이 3wt% 이상인 것을 확인할 수 있었다.As a result of component analysis of the surface-modified carbon black according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 (the content of elements contained in the surface-modified carbon black in terms of weight ratio), Examples 1 to In the case of Example 3, it was confirmed that the content of sulfur was 3 wt% or more.
반면, 산화성 기체의 존재 하에서 전처리를 거치지 않거나 기체 상의 황 화합물의 존재 하에서 열처리를 거치지 않은 비교예 1 및 비교예 2의 경우, 카본블랙 내 황 함유량이 1wt% 정도에 불과한 것으로 확인되었다.On the other hand, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2 that did not undergo pretreatment in the presence of oxidizing gas or heat treatment in the presence of sulfur compounds in the gas, it was confirmed that the sulfur content in the carbon black was only about 1 wt%.
아울러, 실시예 1과 동일한 방법으로 표면 개질되더라도, 혼합가스의 기체공간속도가 너무 느린 경우, 카본블랙의 표면 개질이 불충분하게 수행되는 것이 확인되었다.In addition, even if surface modification in the same manner as in Example 1, it was confirmed that the surface modification of the carbon black is insufficiently performed if the gas space velocity of the mixed gas is too slow.
아울러, 기체 공간 속도가 너무 빠른 실시예 4의 경우 카본블랙의 표면 개질이 충분하게 일어나지만 실시예 3과 황 함량에서 큰 차이가 없으므로 혼합가스의 기체공간속도를 2000h-1 이상으로 혼합가스를 과도하게 공급할 필요가 없다는 것을 확인하였다.In addition, in Example 4, where the gas space velocity is too high, the surface modification of the carbon black occurs sufficiently, but there is no significant difference between the sulfur content of Example 3 and the gas gas velocity of the mixed gas in excess of 2000h −1. It was confirmed that there is no need to supply.
표면 개질된 카본블랙을 포함하는 고무 조성물의 물성 비교Comparison of Properties of Rubber Compositions Containing Surface-Modified Carbon Black
실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 표면 개질된 카본블랙을 포함하는 고무 조성물을 다음과 같은 조성으로 제조하였다.Rubber compositions including surface modified carbon black according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 were prepared in the following compositions.
표 2에 따라 제조된 고무 조성물을 이용하여 고무 시편을 제조하고, 제조한 고무 시편에 대해 ASTM 규정에 의거 다음과 같은 평가 항목을 토대로 그 물성을 측정하였다.Rubber specimens were prepared using the rubber composition prepared according to Table 2, and the physical properties of the rubber specimens were measured based on the following evaluation criteria according to ASTM regulations.
평가 항목으로는,As an evaluation item,
내마모성(320/710R18 F200 규격의 타이어에 대한 마른 노면에서의 실차 평가를 통해 측정), Abrasion resistance (measured by actual vehicle evaluation on dry road surface for tires of 320 / 710R18 F200 standard),
동적 점탄성(0℃ tanδ, 60℃ tanδ) (RDS 측정기를 사용하여 0.5% 변형(strain)에 10Hz Frequency 하에서 -60℃에서 80℃까지 G', G" tanδ를 측정함), Dynamic viscoelasticity (0 ° C tanδ, 60 ° C tanδ) (G ', G "tanδ is measured from -60 ° C to 80 ° C at 10Hz frequency with 0.5% strain using RDS meter)
인장 물성으로서 300% 탄성 모듈러스(ISO 37 규격에 의해 측정함),300% elastic modulus as measured by tensile properties (measured according to ISO 37 standard),
를 선정하였다.Was selected.
내마모성은 타이어의 수명과 연관되어 있는 물성으로서, 전처리하지 않은 비교예 1에 대한 측정값을 100으로 하고, 이를 기준으로 실시예 및 비교예의 측정값을 지수화하여 표 3에 나타내었다. 내마모성은 기준값보다 클수록 우수하다.Abrasion resistance is a physical property associated with the life of the tire, and the measured value for Comparative Example 1, which is not pretreated, is 100, and the measured values of Examples and Comparative Examples are indexed based on the values, and are shown in Table 3 below. Abrasion resistance is better when it is larger than the reference value.
동적 점탄성은 온도 변화에 따라서 컴파운드의 점성/탄성의 변화하는 비를 나타낸다. Dynamic viscoelasticity represents the changing ratio of the viscosity / elasticity of the compound with temperature changes.
0℃ tanδ는 웻 그립(Wet Grip)이라고 하는 습식 미끄럼 방지 거동을 나타내는 지표이다. 0℃에서의 tanδ값이 높을수록 습식 미끄럼 방지 거동이 뛰어나다고 할 수 있다. 0 ° C tan δ is an index showing wet anti-slip behavior called Wet Grip. It can be said that the higher the tan δ at 0 ° C., the better the wet slip behavior.
아울러, 60℃ tanδ는 회전 저항(Rolling Resistence)을 나타내는 지표이며, 회전 저항이 클수록 연비 효율은 떨어진다. 그렇기 때문에 60℃에서의 tanδ값은 낮을수록 구름저항이 적고 연비 효율은 향상하게 된다.In addition, 60 ° C tan δ is an index indicating rolling resistance, and the larger the rolling resistance, the lower the fuel efficiency. Therefore, the lower tan δ at 60 ° C. results in less rolling resistance and improved fuel efficiency.
탄성 모듈러스는 내마모 및 동적 점탄성에 영향을 미치는 고무 조성물의 물성으로 탄성 모듈러스가 높으면 내마모가 증가하는 경향이 있으나, 반드시 비례하지는 않기 때문에 일정 수준의 탄성 모듈러스를 유지하는 것이 중요하다.Elastic modulus is a physical property of the rubber composition that affects wear resistance and dynamic viscoelasticity, but high elastic modulus tends to increase wear resistance, but it is important to maintain a certain level of elastic modulus because it is not necessarily proportional.
실시예 1 내지 실시예 3을 참조하면, 비교예들과 비교할 때 일정 수준의 탄성 모듈러스를 유지함과 동시에 마모 및 그립 성능의 저하없이 마른 노면에서의 제동 성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다.Referring to Examples 1 to 3, it was confirmed that the braking performance is excellent on the dry road surface without deterioration of wear and grip performance while maintaining a certain level of elastic modulus compared to the comparative examples.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.As mentioned above, although an embodiment of the present invention has been described, those of ordinary skill in the art may add, change, delete or add components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. The present invention may be modified and changed in various ways, etc., which will also be included within the scope of the present invention.
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