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炭黑表面改性技术及研究进展
来源: | 作者:德隆导电炭黑 | 发布时间: 2022-11-24 | 89 次浏览 | 分享到:

  炭黑是一种无定形碳,其结构类似于无序石墨,是芳烃在高温下不完全燃烧形成。芳烃分子在高温下通过碳-氢键断裂而解离,碳原子与芳族自由基可反应形成层状六边形碳环结构,这些碳环倾向于堆叠成3~4层的晶体结构,层面边缘主要由氢、自由基以及含氧官能团组成。碳环结构表面的酚羟基、羧基、内酯基、酸酐基和醌基等含氧官能团含量少,但会直接影响炭黑的表面化学性质,这些含氧官能团具有良好的化学反应性,为炭黑的表面改性提供可能。
  
  炭黑在橡胶基体中的分散性是影响其补强的关键因素之一,若炭黑在橡胶中实现良好分散,需炭黑与橡胶达到热力学相容,从而要求炭黑与橡胶的表面能尽可能相等。但炭黑的表面能高于橡胶,因此需对炭黑表面进行物理和化学改性,以降低炭黑的表面能。
  
  1、等离子体聚合改性
  
  等离子体聚合是一种发展迅速的对聚合物、金属和粉体等表面改性的技术。在炭黑表面改性领域,改性技术主要表现为在炭黑表面沉积一层薄膜和炭黑在不同等离子体中的表面功能化。T.MATHEW等以乙炔等离子体处理富勒烯炭黑,炭黑的表面能从70mJ/m2下降至50mJ/m2,因此改性后炭黑/橡胶复合材料表现出更低的Payne效应。S.J.PARK等采用氧等离子体对炭黑进行表面改性,能够使炭黑表面的羰基、酯基和羧基等含氧官能团浓度提高,氧/碳元素含量比(O1S/C1S)增加,表面能从42mJ/m2降至19mJ/m2,因此显著改善炭黑在橡胶中分散,提高炭黑/橡胶复合材料的撕裂强度和拉伸强度。
  
  2、接枝聚合改性
  
  在炭黑表面接枝聚合物或官能团也可降低炭黑的表面能,进而改善炭黑在橡胶中分散,提高炭黑补强效应。付文等利用浓硝酸对炭黑氧化改性,然后异氰酸酯化处理,最后与聚乙二醇400发生化学反应,即采用原位液相接枝技术成功将聚乙二醇接枝在炭黑表面。F.CATALDO利用三氧化二氮、一氧化氮和四氧化二氮在炭黑表面引入硝基、亚硝基等。贾德民等利用甲基丙烯酸在炭黑的表面引入双键。以上方法均促进炭黑在橡胶中分散,炭黑/橡胶复合材料的耐磨性能提高,滚动阻力和动态生热降低。
  
  3、电子辐照改性
  
  电子辐照技术是采用高能电子束照射材料,改善材料性能的技术。Y.P.WU等采用高能电子束辐照炭黑粒子,能够使炭黑的大颗粒数量减少,小颗粒炭黑数量增加,从而使炭黑颗粒尺寸趋向均匀,且能够增加含氧官能团的数量。该方法降低炭黑的表面能,促进炭黑在橡胶中分散,炭黑/橡胶复合材料的结合胶含量、抗湿滑性能和耐磨性能提高,滚动阻力降低。
  
  4、偶联剂改性
  
  偶联剂一种分子中同时含有两种性质官能团的化合物,其分子的一端能够与无机物反应,另一端能够与有机物结合,通过偶联剂在填料与橡胶之间构建“桥梁”,可促进填料分散。P.RAUT等开发一种新型偶联剂聚-丁二烯接枝五氟苯乙烯,其分子中的聚丁二烯单元能够与橡胶基体发生交联反应,五氟苯乙烯单元由于缺电子特性能够与富电子的炭黑产生π-π相互作用,从而改善炭黑在橡胶基体中分散。
  
  J.J.HAN等发现乙烯基吡啶(VP)的吡啶官能团可与炭黑表面的酸性官能团如羧基、羟基等反应形成离子键和氢键,从而增强炭黑与橡胶之间的相互作用,降低炭黑的网络结构和炭黑/橡胶复合材料的滞后损失。刘权等和孙阿斌等研究表明常规硅烷偶联剂如γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)和乙烯基三乙氧基硅烷(VTEO)能够与炭黑表面的官能团发生化学反应,具有调节炭黑/橡胶复合材料的磨耗与生热矛盾的潜力。