白炭黑表面改性是通過(guò)一定的方法使化學(xué)物質(zhì)與其表面上的羥基發(fā)生反應、接枝或包覆其它化學(xué)物質(zhì)，消除或減少表面硅醇基的數量，使產(chǎn)品由親水性變?yōu)槭杷?，以達到改變表面性質(zhì)的目的。
1、白炭黑常見(jiàn)的表面改性方法
?。?）硅烷偶聯(lián)劑改性
利用硅烷偶聯(lián)劑的雙反應功能，有機基團的一端與白炭黑表面的羥基反應，另外一端與橡膠等聚合物大分子鏈發(fā)生反應，使得白炭黑表面特性得以改變。
一般來(lái)說(shuō)，橡膠工業(yè)中常用的硅烷偶聯(lián)劑分為含硫硅烷偶聯(lián)劑，例如Si69和Si75等，以及不含硫硅烷偶聯(lián)劑，例如、KH550、KH560和KH570等。
含硫硅烷偶聯(lián)劑是在白炭黑表面接枝后，通過(guò)在硫化過(guò)程中硫磺和硫化促進(jìn)劑在高溫下作用而進(jìn)一步與橡膠分子鏈進(jìn)行相互作用。
不含硫的硅烷偶聯(lián)劑的一端是烷氧基，另外一端為雙鍵基團，環(huán)氧基團，或者氨基等與橡膠分子鏈親和性好的基團。
?。?）醇酯法改性
在白炭黑表面，脂肪醇與硅羥基進(jìn)行化學(xué)反應，使得水分子脫去，硅羥基被烷氧基所取代，從而使得白炭黑的表面性質(zhì)發(fā)生改變。
?。?）聚合物接枝法改性
聚合物接枝法改性是指在一定條件下的化學(xué)反應中，將高分子接枝到白炭黑表面。
?。?）聚合物包覆改性
包覆改性是一種常用的表面改性技術(shù)，即在白炭黑的表面覆蓋一層化學(xué)組成不同的涂覆層，從而減少羥基間的相互作用，最終降低表面能，改善分散性。
?。?）其他改性方法
除了上述表面改性方法以外，白炭黑還可以使用乳液聚合改性法，無(wú)機物表面包覆改性法，以及超聲改性法等方法。
2、白炭黑常用的改性劑
白炭黑呈親水性主要原因是白炭黑表面被硅羥基包圍，這樣對白炭黑的表面改性就相對容易。選擇的改性劑一般為容易與白炭黑表面羥基發(fā)生反應的化學(xué)物質(zhì)，而有機物作改性劑時(shí)改性效果更好。常用的改性劑有以下幾種：
?。?）有機硅鹵化合物：如二甲基二氯硅烷、三甲基氯硅烷。
?。?）硅氧烷類(lèi)有機化合物：如聚二甲基硅氧烷（PDM）、六甲基二硅氧烷（M2）、八甲基三硅氧烷（MDM）。
?。?）醇類(lèi)化合物：如丁醇、戊醇、直鏈庚醇等。
?。?）硅氮烷類(lèi)化合物：如六甲基二硅胺烷等。
?。?）有機聚合物類(lèi)：比如聚乙烯醇。
?。?）硅烷偶聯(lián)劑類(lèi)：包括六甲基二硅氮烷、六甲基乙基硅氮烷、乙烯基乙氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷等。
3、白炭黑表面改性工藝
?。?）濕法改性
白炭黑的濕法改性工藝是液體溶劑和白炭黑粉體按一定含量比例，將配置好的表面改性劑及助劑加入上述漿料中，在控制溫度、攪拌速率及反應時(shí)間等條件下，實(shí)施的對白炭黑進(jìn)行表面改性的工藝。
一般濕法改性主要有兩種情況：
第一種是先將干燥后的成品白炭黑溶于一種有機溶劑（苯，甲苯等）中，再把配置好的改性劑加入上述溶液，一起加熱煮沸，然后將該溶液回流反應一段時(shí)間后，進(jìn)行分離、提純、干燥，獲得改性產(chǎn)品；
第二種是將白炭黑配制成水溶液漿料，加入水溶性有機溶劑，如乙醇，乙二醇及一些其他表面活性劑，然后加入準備好的改性劑進(jìn)行有機硅烷化，或是在制備白炭黑的過(guò)程中（分離沉淀前），將改性劑直接加入其中間工藝中，即在生成白炭黑的過(guò)程中同時(shí)對其進(jìn)行改性。
第一種方法具有生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)單，所得產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣容易控制，改性劑消耗量小等優(yōu)點(diǎn)，而缺點(diǎn)是改性產(chǎn)品的分離提純過(guò)程較復雜，并且會(huì )造成有機溶劑的浪費和對環(huán)境污染，因而此法較難實(shí)現工業(yè)生產(chǎn)應用。
第二種方法的優(yōu)勢是工藝方法簡(jiǎn)單，需要輔助設備少，可以實(shí)施對沉淀白炭黑半成品改性，進(jìn)而降低改性白炭黑產(chǎn)品的成本。
?。?）干法改性
白炭黑干法改性一般是有機化合物為改性劑，氣相白炭黑和有機改性劑蒸汽在固定反應器或流化床反應器中，并在高溫下反應一定時(shí)間。
近年來(lái)，使用干法改性白炭黑的一般都是世界發(fā)達國家。該法的優(yōu)點(diǎn)是在很短的時(shí)間內可以進(jìn)行大批量的物料處理，工藝流程相對簡(jiǎn)單，在高溫條件下反應，得到的改性白炭黑產(chǎn)品無(wú)需再脫水烘干；此改性方法的缺點(diǎn)也是顯著(zhù)的，由于每次處理物料的批量較大，使物料表面處理難以達到均勻化，而且對改性劑的用量較大，反應條件要求甚高，最終導致產(chǎn)品的生產(chǎn)成本高。
4、白炭黑改性效果影響因素
?。?）改性劑用量
在其他條件不變的情況下，改性劑的用量會(huì )影響改性劑與白炭黑的有效接觸率與反應效率。若改性劑用量太少，改性劑與白炭黑有效接觸率不足，二者的反應受到限制，改性效果有限；而改性劑用量過(guò)大，多余的改性劑之間會(huì )形成共聚物，共聚后，在白炭黑表面形成空間位阻效應，減少了反應程度，改性效果下降。
?。?）改性溫度
反應溫度對改性效果影響較大。反應溫度過(guò)低，改性劑與顆粒之間易發(fā)生物理吸附，不能與白炭黑表面的羥基發(fā)生有效反應；反應溫度過(guò)高，改性劑與白炭黑表面羥基的反應主要向反方向進(jìn)行，因而會(huì )使白炭黑表面的羥基數增加，于改性效果不利。為提高改性效果，選取合適的反應溫度至關(guān)重要。
?。?）反應時(shí)間
反應時(shí)間會(huì )影響改性劑的濃度，反應時(shí)間過(guò)短，使一部分改性劑來(lái)不及與白炭黑顆粒進(jìn)行反應；反應時(shí)間過(guò)長(cháng)，改性劑因長(cháng)時(shí)間的機械攪拌從白炭黑表面脫落下來(lái)，不利于改性反應的進(jìn)行。在改性時(shí)應選取適宜的反應時(shí)間。
?。?）溶液pH值
白炭黑的改性是通過(guò)改性劑與白炭黑表面的羥基之間的反應來(lái)完成的。反應環(huán)境的pH值將會(huì )直接影響反應進(jìn)行的難易程度及反應進(jìn)行的快慢。各種改性劑與白炭黑表面的羥基反應時(shí)有其自身獨特的pH值要求，選取適合的pH值將會(huì )提高改性效果。
?。?）白炭黑顆粒尺寸
隨著(zhù)白炭黑顆粒尺寸增加，其表面以氫鍵相互連接的羥基含量以及吸附在其表面的水分子含量都會(huì )增加，進(jìn)而會(huì )促進(jìn)改性劑與白炭黑表面的羥基反應，對改性效果有益。
5、白炭黑改性效果評價(jià)方法
改性白炭黑的目的是將其由原來(lái)的親水性變?yōu)槭杷H油性，改變它對有機相的浸潤性和相容性。
白炭黑改性的效果如何，可以通過(guò)測定改性白炭黑對鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）的吸收量，改性白炭黑的活化指數及白炭黑表面羥基數幾種方法評價(jià)。
參考來(lái)源：[1]蔣喆.白炭黑表面改性方法與工藝探討[J].上?；?2019,44（5）:40-43.
[2]李巖.白炭黑的表面改性及其高填充SSBR復合材料的制備和性能研究[D].北京化工大學(xué),2014.
[3]賀彩玲.白炭黑的表面改性及其性能研究[D].西安建筑科技大學(xué),2014.
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（粉體技術(shù)網(wǎng)）
|
