CN104788685A - 一种改性炭黑及其制备方法与应用 - Google Patents
一种改性炭黑及其制备方法与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于化合物改性领域，具体涉及一种改性炭黑及其制备方法与应用。本发明通过强氧化剂增加炭黑表面羧基含量，用氯化亚砜溶液在炭黑表面引入酰氯基团，从而活化炭黑表面的官能团；最后将羟基聚丁二烯同氯酰化的炭黑进行接枝，制备出一种表面接枝有聚合物的改性炭黑，该改性炭黑能够和橡胶及烯烃树脂很好的相容，实现低添加量、高导热、高强度、易加工的目的。本发明将该改性炭黑应用到粘合剂配方体系中，表现出优异的分散性能和良好的导热性能。
Description
技术领域
本发明属于化合物改性领域，具体涉及一种改性炭黑及其制备方法与应用。
背景技术
导热粘合剂在电子电器散热领域正日益发挥着不可替代的作用，导热填料的开发与应用已成为人们研究的热点。炭黑资源丰富，价格低廉，广泛应用于补强填料、导电填料和颜料等。炭黑还具有较好的导热性，可用作导热填料，但导热性不及石墨、氮化硅等导热填料，在这方面开发的产品并不多。炭黑作为导热填料往往是未经任何表面处理直接加入聚合物基体中制备导热复合材料，但在很高填充量下，导热系数仍然不高，而且使聚合物本体拉伸强度、冲击强度等力学性能下降，给导热复合材料的制备和加工带来了困难。主要原因是高分子为低表面能物质,而炭黑为高表面能物质，亲水性好，与疏水性的有机物吸附性弱，炭黑粒子间容易团聚，在高分子基体中的分散性差，不能很好地形成导热网链结构，导热性能下降。欲克服炭黑作为导热填料分散性差的缺点，必须对其进行改性。
目前，在改性炭黑方面，研究者主要采用物理吸附和化学键合的改性方法将聚合物修饰到炭黑表面，借助炭黑粒子之间的物理隔离或静电排斥，解决炭黑在基体中的团聚问题。聚合物对炭黑进行改性技术主要包括聚合物包覆改性、聚合物吸附改性和聚合物接枝改性。其中聚合物接枝改性是提高炭黑分散性质的一个最有效方法。借助炭黑表面的含氧官能团，可与低分子化合物反应形成活性位点，也可直接与带活性端基的聚合物分子结合，得到分子量和结构容易控制的接枝聚合物。高分子链接枝到炭黑表面,其空间位阻作用阻止了炭黑粒子再聚集,从而改善炭黑在溶剂中的分散性，炭黑与聚合物基体的相容性也大大提高。
(1)中国专利200610155007.6公开了一种采用表面接枝改性法制备分散性炭黑的方法。在4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基(HTEMPO)存在下，经可控自由基聚合，制得一系列带有HTEMPO端基的聚合物。所得改性炭黑可以分散在多种聚合物有机溶剂中。但是该改性过程需在无氧条件下进行，反应条件要求过于苛刻，成本较高。
(2)中国专利201410301378.5提供一种改性炭黑，在它的表面接枝不饱和偶联剂，偶联剂一端的不饱和双键作为接枝基团，接枝在炭黑表面上，另一端的活性基团作为交联基团，赋予其与橡胶交联的功能。但在改性炭黑中引入氯硫等元素，使用过程中容易降解，产生污染气体，不适宜用于环保要求较高的电子电器散热领域。
(3)中国专利200780053081.X通过使炭黑表面的官能团与三异氰酸酯化合物的一个异氰酸酯端基键合，而其余两个异氰酸酯端基分别与具有二醇改性端基的聚合物的羟基键合，制得一种分散性表面改性炭黑。该改性炭黑在非极性溶剂、低极性溶剂和树脂中分散性大大提高。但是未对炭黑表面官能团进行活化，与三异氰酸酯化合物的反应效率不高，接枝率比较低。
发明内容
为了克服现有技术中原生炭黑添加量大、导热性差、力学性能下降等缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种改性炭黑的制备方法，该方法是在炭黑表面接枝聚烯烃链段，使其与丁基橡胶、天然橡胶、乙丙橡胶等具有很好的相容性。
本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的改性炭黑。
本发明的再一目的在于提供上述改性炭黑的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种改性炭黑的制备方法，包含如下步骤：
(1)将炭黑加入强氧化剂溶液中进行氧化，以增加炭黑表面羧基(-COOH)含量，氧化后淋洗，得到氧化炭黑(OCB)；
(2)将氧化炭黑(OCB)加入氯化亚砜溶液中，在炭黑表面引入酰氯基团(-COCl)，除去氯化亚砜，得到酰氯化的炭黑；
(3)将酰氯化的炭黑和端羟基聚丁二烯(HO-[-CH2-CH＝CH-CH2-]n-OH)在石油醚溶剂中反应，从而在炭黑表面引入聚丁二烯链段，冷却抽滤，得到改性炭黑(MCB)；
步骤(1)中所述的炭黑为原生炭黑，其粒径为30～100nm；
步骤(1)中所述的强氧化剂溶液为物质的量浓度1～5mol/L的硝酸溶液、过氧化氢溶液、高氯酸和高锰酸钾溶液中的至少一种；
步骤(1)中所述的氧化条件为炭黑于80～100℃下在强氧化剂溶液中回流12～24h；
步骤(2)中所述的氯化亚砜溶液的浓度为2～5mol/L；优选为3mol/L；
步骤(1)中所述的淋洗优选使用水进行淋洗；
步骤(2)中所述的引入酰氯基团(-COCl)的反应条件为：在50～80℃水浴条件下反应6～12h；
步骤(2)中所述的除去氯化亚砜优选通过抽滤除去氯化亚砜；
步骤(3)中所述的端羟基聚丁二烯(HO-[-CH2-CH＝CH-CH2-]n-OH)，常温下为液体粘稠物，重均分子量为1000～4500g/mol，羟值为0.50～1.20mmol/g，常温下粘度为3.5～9.0Pa.s；
步骤(3)中所述的酰氯化的炭黑、端羟基聚丁二烯与石油醚的质量比为(1～3)：1：(2～5)；
步骤(3)中所述的反应的条件为:在30～50℃下回流24～48h，机械搅拌；
一种改性炭黑，通过上述制备方法制备得到；
所述的改性炭黑在制备导热粘合剂中的应用；
所述的导热粘合剂，包含如下按质量份计的组分：
所述的软化剂为一种低分子量聚异丁烯树脂或至少两种不同低分子量聚异丁烯树脂的混合物，所述的低分子量聚异丁烯树脂在常温下为无色粘稠状液体，重均分子量为800～3000g/mol，100℃下的粘度为200～850Pa.s，倾点为0～20℃，闪点为210～250℃；
所述的增韧剂为丁基橡胶、天然橡胶和乙丙橡胶中的至少一种；
所述的改性填料为上述改性炭黑；
所述的改性填料需在90～150℃干燥2～4h，以除去石油醚溶剂及氯化氢等杂质；
所述的增粘剂为松香甘油酯、松香改性酚醛树脂、萜烯树脂、C5增粘树脂和C9增粘树脂中的至少一种；所述的增粘剂优选研磨后过筛，过筛目数优选为200～500目；
所述的防老剂为抗氧剂1010、抗氧剂168、防老剂DFC-34、防老剂RD、防老剂264和防老剂2246中的至少一种；
所述的导热粘合剂的制备方法，包含如下步骤：
(1)将增韧剂在开炼机上进行包辊塑炼并薄通；
(2)依次加入部分改性填料、防老剂、增粘剂；
(3)待部分改性填料、防老剂、增粘剂均匀分散在增韧剂中之后，然后加入软化剂和剩余改性填料的混合物，混炼，制得导热粘合剂；
步骤(1)中所述的包辊的条件是在不加热条件下进行包辊，控制温度不超过30～50℃；
步骤(1)中所述的薄通的次数优选为4～8次；
步骤(3)中所述的混炼为在40～80℃下，不断调节辊间距离，并保留适量的堆积胶，混炼1～4h，使物料均匀混合；
所述的导热粘合剂的应用领域主要包括：
(1)在不发生固化反应时，是一种环保柔性热熔压敏导热粘合剂，在常温下，施加适当压力，即可实现热源与散热器的紧密粘接，主要用于冰箱等大型电器领域。
(2)由于液体端羟基聚丁二烯的引入，更容易硫化交联，使其在微电子封装领域，具有巨大的应用价值。
本发明的技术原理：
原生炭黑导热性差，加入到粘合剂配方体系中，由于与聚合物相容性不好，大量填充才能使聚合物具有较好的导热性，会使体系硬度变大，削弱甚至丧失粘合剂配方体系中粘接性质，高温流动性变差，给导热复合材料的制备和加工带来了困难，而且使聚合物本体拉伸强度、冲击强度等力学性能下降。通过对炭黑表面改性，引入聚烯烃链段，能够和橡胶及烯烃树脂很好的相容，实现低添加量、高导热、高强度、易加工的目的。端羟基聚丁二烯常温下为液体，具有较好的粘接性，与聚异丁烯树脂及橡胶具有很好的相容性，并且引入双键，使体系容易交联固化，有助于导热粘合剂综合性能的提升。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)提供一种提高炭黑分散性的表面接枝改性方法，使炭黑与低分子树脂具有很好的相容性，扩宽了炭黑的应用领域，使其在导热复合材料领域发挥了极大的价值。
(2)对炭黑表面的官能团进行氯酰化，活性增加，可大大提高接枝率。而且在对炭黑表面改性时所使用的溶剂，容易除去，克服了传统残留溶剂对填料性能及环境带来不利的缺点。
(3)用端羟基聚丁二烯对炭黑进行表面改性，能够和软化剂及增韧剂很好地相容，克服了普通炭黑与聚合物相容性差、添加量大的缺点，还能增强聚合物本体的韧性和弹性。在低填充量下即制备出一种粘接性强、导热性好的环保导热粘合剂。
(4)端羟基聚丁二烯本身也能用作粘合剂，本发明无需除去未反应的液体端羟基聚丁二烯，能够增加导热粘合剂的粘接力。在炭黑表面接枝端羟基聚丁二烯，引入了更多双键，克服了丁基橡胶、乙丙橡胶难交联固化的缺点，使橡胶在微电子封装领域具有巨大的应用价值。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)将尺寸为30nm原生炭黑加入5mol/L的硝酸溶液中进行氧化，在100℃条件下回流12h，增加炭黑表面羧基(-COOH)含量，用去离子水淋洗，得到氧化炭黑(OCB)；
(2)随后将氧化炭黑(OCB)加入3mol/L的氯化亚砜溶液中，在50℃水浴条件下反应12h，在炭黑表面引入酰氯基团(-COCl)，抽滤除去氯化亚砜，得到酰氯化的炭黑；
(3)将酰氯化的炭黑和端羟基聚丁二烯(HO-[-CH2-CH＝CH-CH2-]n-OH，重均分子量为1200g/mol，羟基值为1.10mmol/g，常温粘度3.7Pa.s)在石油醚溶剂中在30℃条件下回流48h，机械搅拌；控制酰氯化炭黑、端羟基聚丁二烯和石油醚的质量比为1：1：2；从而在炭黑表面引入聚丁二烯链段，冷却抽滤，得到改性炭黑(MCB)，然后在150℃干燥2h，以除去石油醚溶剂及氯化氢等杂质；
(4)将丁基橡胶在开炼机上进行包辊塑炼，在不加热条件下，控制辊轴温度不超过30℃，薄通6次；
(5)依次加入部分改性炭黑、防老剂RD、松香甘油酯；
(6)待上述部分改性炭黑、防老剂RD、松香甘油酯均匀分散在橡胶基体中之后，加入液体聚异丁烯(重均分子量为980g/mol，100℃下的粘度230Pa.s，倾点0℃，闪点210℃)和剩余改性炭黑的混合物，在40℃条件下，不断调节辊间距离，并保留适量的堆积胶，混炼4h，使物料均匀混合；制得分散均一的导热粘合剂；其中聚异丁烯软化剂、丁基橡胶增韧剂、改性填料、增粘剂、防老剂的用量(按质量份数)分别为90份、40份、100份、4份、2份。
实施例2
(1)将尺寸为100nm的原生炭黑加入1mol/L的酸性高锰酸钾溶液中进行氧化，在80℃条件下回流24h，增加炭黑表面羧基(-COOH)含量，用去离子水淋洗，得到氧化炭黑(OCB)；
(2)随后将氧化炭黑(OCB)加入3mol/L的氯化亚砜溶液中，在80℃水浴条件下反应12h，在炭黑表面引入酰氯基团(-COCl)，抽滤除去氯化亚砜，得到酰氯化的炭黑；
(3)将酰氯化的炭黑和端羟基聚丁二烯(HO-[-CH2-CH＝CH-CH2-]n-OH，重均分子量为1500g/mol，羟基值为1.00mmol/g，常温粘度4.2Pa.s)在石油醚溶剂中在50℃条件下回流24h，机械搅拌；控制酰氯化炭黑、端羟基聚丁二烯和石油醚的质量比为1：1：3；从而在炭黑表面引入聚丁二烯链段，冷却抽滤，得到改性炭黑(MCB)，在90℃干燥4h，以除去石油醚溶剂及氯化氢等杂质；
(4)将乙丙橡胶在开炼机上进行包辊塑炼，在不加热条件下，控制辊轴温度不超过40℃，薄通4次；
(5)依次加入部分改性炭黑、防老剂DFC-34、C5增粘剂；
(6)待上述部分改性炭黑、防老剂DFC-34、C5增粘剂均匀分散在橡胶基体中之后，加入液体聚异丁烯(重均分子量为1300g/mol，100℃下的粘度645Pa.s，倾点3℃，闪点220℃)和剩余改性炭黑的混合物，在80℃条件下，不断调节辊间距离，并保留适量的堆积胶，混炼1h，使物料均匀混合；制得分散均一的导热粘合剂；其中聚异丁烯软化剂、天然橡胶增韧剂、改性炭黑、增粘剂、防老剂的用量(按质量份数)分别为60份、20份、40份、4份、0.5份。
实施例3
(1)将尺寸为50nm的原生炭黑加入3mol/L的高氯酸溶液中氧化，在90℃条件下回流16h，增加炭黑表面羧基(-COOH)含量，用水淋洗，得到氧化炭黑(OCB)；
(2)随后将氧化炭黑(OCB)加入3mol/L的氯化亚砜溶液中，在70℃水浴条件下反应12h，在炭黑表面引入酰氯基团(-COCl)，抽滤除去氯化亚砜，得到酰氯化的炭黑；
(3)将酰氯化的炭黑和端羟基聚丁二烯(HO-[-CH2-CH＝CH-CH2-]n-OH，重均分子量为2800g/mol，羟基值为0.65mmol/g，常温粘度5.4Pa.s)在石油醚溶剂中在40℃条件下回流36h，机械搅拌；控制酰氯化炭黑、端羟基聚丁二烯和石油醚的质量比为2：1：4；从而在炭黑表面引入聚丁二烯链段，冷却抽滤，得到改性炭黑(MCB)，在110℃干燥3h，以除去石油醚溶剂及氯化氢等杂质；
(4)将天然橡胶在开炼机上进行包辊塑炼，在不加热条件下，控制辊轴温度不超过50℃，薄通6次；
(5)依次加入部分改性炭黑、抗氧剂1010、C9增粘树脂；
(6)待上述部分改性炭黑、抗氧剂1010、C9增粘树脂均匀分散在橡胶基体中之后，加入液体聚异丁烯(重均分子量为1400g/mol，100℃下的粘度710Pa.s，倾点5℃，闪点230℃)和剩余改性炭黑的混合物，在70℃条件下，不断调节辊间距离，并保留适量的堆积胶，混炼2h，使物料均匀混合；制得分散均一的导热粘合剂；其中聚异丁烯软化剂、乙丙橡胶增韧剂、改性填料、增粘剂、防老剂的用量(按质量份数)分别为70份、30份、70份、8份、1份。
实施例4
(1)将尺寸为60nm的原生炭黑加入3mol/L的硫酸酸化的过氧化氢溶液中，在90℃条件下回流24h，在炭黑表面引入羧基(-COOH)，用水淋洗，得到氧化炭黑(OCB)；
(2)随后将氧化炭黑(OCB)加入3mol/L的氯化亚砜溶液中，在60℃水浴条件下反应8h，在炭黑表面引入酰氯基团(-COCl)，抽滤除去氯化亚砜，得到酰氯化的炭黑；
(3)将酰氯化的炭黑和端羟基聚丁二烯(HO-[-CH2-CH＝CH-CH2-]n-OH，重均分子量为3200g/mol，羟基值为0.70mmol/g，常温粘度5.9Pa.s)在石油醚溶剂中在45℃条件下回流24h，机械搅拌；控制酰氯化炭黑、端羟基聚丁二烯和石油醚的质量比为3:1:5；从而在炭黑表面引入聚丁二烯链段，冷却抽滤，得到改性炭黑(MCB)，在120℃干燥3h，以除去石油醚溶剂及氯化氢等杂质；
(4)将丁基橡胶在开炼机上进行包辊塑炼，在不加热条件下，控制辊轴温度不超过50℃，薄通8次；
(5)依次加入部分改性炭黑、防老剂RD、C5增粘树脂；
(6)待上述部分改性炭黑、防老剂RD、C5增粘树脂均匀分散在橡胶基体中之后，加入液体聚异丁烯(重均分子量为2400g/mol，100℃下的粘度820Pa.s，倾点17℃，闪点250℃)和剩余改性炭黑的混合物，在60℃条件下，不断调节辊间距离，并保留适量的堆积胶，混炼2h，使物料均匀混合；制得分散均一的导热粘合剂；其中聚异丁烯软化剂、丁基橡胶增韧剂、改性填料、增粘剂、防老剂的用量(按质量份数)分别为80份、30份、80份、6份、1份。
对比实施例1
(1)将丁基橡胶在开炼机上进行包辊塑炼，在不加热条件下，控制辊轴温度不超过30℃，薄通6次；
(2)依次加入部分尺寸为30nm的原生炭黑、防老剂RD、松香甘油酯；
(3)待上述部分尺寸为30nm的原生炭黑、防老剂RD、松香甘油酯均匀分散在橡胶基体之后，加入液体聚异丁烯(重均分子量为980g/mol，100℃下的粘度230Pa.s，倾点0℃，闪点210℃)和剩余原生炭黑的混合物，在40℃条件下，不断调节辊间距离，并保留适量的堆积胶，混炼4h，使物料均匀混合；制得分散均一的导热粘合剂；其中聚异丁烯软化剂、丁基橡胶增韧剂、原生炭黑填料、增粘剂、防老剂的用量(按质量份数)分别为90份、40份、100份、4份、2份。
对比实施例2
(1)将天然橡胶在开炼机上进行包辊塑炼，在不加热条件下，控制辊轴温度不超过50℃，薄通6次；
(2)依次加入部分尺寸为60nm的原生炭黑、抗氧剂1010、C9增粘树脂；
(3)待上述部分尺寸为60nm的原生炭黑、抗氧剂1010、C9增粘树脂均匀分散在橡胶基体之后，加入液体聚异丁烯(重均分子量为1400g/mol，100℃下的粘度710Pa.s，倾点5℃，闪点230℃)和剩余原生炭黑的混合物，在70℃条件下，不断调节辊间距离，并保留适量的堆积胶，混炼2h，使物料均匀混合；制得分散均一的导热粘合剂；其中聚异丁烯软化剂、天然橡胶增韧剂、原生炭黑填料、增粘剂、防老剂的用量(按质量份数)分别为70份、30份、70份、6份、1份。
效果实施例
对实施例1～4及对比实施例1～2所制备得到的导热粘合剂进行性能测试。测试方法如下：
(1)剪切强度：按照GB/T 7124-1986标准规定进行测定。
(2)剥离强度：按照GB/T2792-1998压敏胶粘带180°剥离强度试验方法进行测定。
(3)导热系数：按照GB/T3399塑料导热系数试验方法(护热平板法)测定；
(4)粘接力：按GB/T23133-2008第6.14条款检测。
表1实施例1～4及对比实施例1～2中所制备的导热粘合剂的性能对比
由表1以上性能对比可知，表面改性后炭黑能够显著提高导热粘合剂的力学性能及导热性能，证明改性后的炭黑，与聚合物基体相容性较好，在基体中分散效果好，容易形成导热网链。力学性能有较大提高，表明端羟基聚丁二烯在体系中起到了增韧剂的作用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种改性炭黑的制备方法，其特征在于包含如下步骤：
(1)将炭黑加入强氧化剂溶液中进行氧化，氧化后淋洗，得到氧化炭黑；
(2)将氧化炭黑加入氯化亚砜溶液中，在炭黑表面引入酰氯基团，除去氯化亚砜，得到酰氯化的炭黑；
(3)将酰氯化的炭黑和端羟基聚丁二烯在石油醚溶剂中反应，从而在炭黑表面引入聚丁二烯链段，冷却抽滤，得到改性炭黑。
2.根据权利要求1所述的改性炭黑的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的炭黑为原生炭黑，其粒径为30～100nm；
步骤(1)中所述的强氧化剂溶液为物质的量浓度1～5mol/L的硝酸溶液、过氧化氢溶液、高氯酸和高锰酸钾溶液中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的改性炭黑的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的氧化条件为炭黑于80～100℃下在强氧化剂溶液中回流12～24h。
4.根据权利要求1所述的改性炭黑的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的引入酰氯基团的反应条件为：在50～80℃水浴条件下反应6～12h。
5.根据权利要求1所述的改性炭黑的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的酰氯化的炭黑、端羟基聚丁二烯与石油醚的质量比为(1～3)：1：(2～5)。
6.根据权利要求1所述的改性炭黑的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的反应的条件为:在30～50℃下回流24～48h。
7.一种改性炭黑，其特征在于通过权利要求1～6任一项所述的制备方法制备得到。
8.权利要求7所述的改性炭黑在制备导热粘合剂中的应用。
9.根据权利要求8所述的改性炭黑在制备导热粘合剂中的应用，其特征在于：
所述的导热粘合剂，包含如下按质量份计的组分：
所述的软化剂为一种低分子量聚异丁烯树脂或至少两种不同低分子量聚异丁烯树脂的混合物；
所述的增韧剂为丁基橡胶、天然橡胶和乙丙橡胶中的至少一种；
所述的改性填料为权利要求7所述的改性炭黑；
所述的改性填料需在90～150℃干燥2～4h。
10.根据权利要求9所述的改性炭黑在制备导热粘合剂中的应用，其特征在于：
所述的导热粘合剂的制备方法，包含如下步骤：
(1)将增韧剂在开炼机上进行包辊塑炼并薄通；
(2)依次加入部分改性填料、防老剂、增粘剂；
(3)待部分改性填料、防老剂、增粘剂均匀分散在增韧剂中之后，然后加入软化剂和剩余改性填料的混合物，混炼，制得导热粘合剂。
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