CN109233352A - 一种白炭黑表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及白炭黑技术领域，具体地，涉及一种白炭黑表面处理方法，一种白炭黑表面处理方法，包括以下步骤：选用目数为900～1100白炭黑、粒径为20～40nm的碳源分别进行干燥处理，分别将白炭黑、碳源置于真空干燥器中进行干燥，干燥温度为20～40℃，干燥时间以白炭黑、碳源自身含水量低于0.2％为准，如此，本发明提供的白炭黑表面处理方法，是通过将白炭黑、碳源进行附电荷处理，形成单位数量下下的白炭黑与碳源形成荷电量相同且极性相反，然后分别将白炭黑、碳源采用喷吹管进行改性处理，解决了现有技术中存在白炭黑与碳源在蒸干过程中，白炭黑自身会发生团聚现象，导致裂解后的无定型碳包覆度低，处理后为碳包覆白炭黑与白炭黑的共混体的问题。

Description

一种白炭黑表面处理方法
技术领域：
本发明涉及白炭黑技术领域，具体地，涉及一种白炭黑表面处理方法。
背景技术：
白炭黑是白色粉末状X-射线无定形硅酸和硅酸盐产品的总称，主要是指沉淀二氧化硅、气相二氧化硅和超细二氧化硅凝胶，也包括粉末状合成硅酸铝和硅酸钙等。白炭黑是多孔性物质，其组成可用SiO2·nH2O表示，其中nH2O是以表面羟基的形式存在。能溶于苛性碱和氢氟酸，不溶于水、溶剂和酸。耐高温、不燃、无味、无嗅、具有很好的电绝缘性。
白炭黑行业在欧美等发达国家起步较早，在第二次世界大战期间开始实现工业化生产。20世纪七十年代中期以来，随着西方国家对白炭黑研究的不断深入，其生产和应用领域方面得到了很大发展。至2006年，全世界白炭黑的生产能力约130万吨(不含中国)，其中德国德固萨、法国罗纳和美国PPG三大跨国公司的生产能力超过世界总能力的一半。中国白炭黑工业起步于1958年，起初发展缓慢，1984年白炭黑产量为2,600吨，1990年白炭黑产量提高到2万吨。近年来随着橡胶工业的发展，产量迅猛增长，2008年中国白炭黑产量已达到71.2万吨，产量居世界第一位，并已成为白炭黑的净出口国。目前，中国白炭黑行业形成了外资(合资)公司和国内公司并存的市场竞争格局，市场竞争充分。
白炭黑具有特殊的表面结构(带有表面羟基和吸附水)、特殊的颗粒形态(粒子小、比表面积大等)和独特的物理化学性能。因而白炭黑具有多孔性、高分散性、质轻、化学稳定性好、耐高温、不燃烧、电绝缘性好等优异性能的重要无机硅化合物。这样的特性使得白炭黑广泛应用在橡胶、塑料、涂料、医药、日用化工等诸多领域。然而，由于传统的白炭黑内部的聚硅氧和外表面存在的活性硅醇基及其吸附水特性，使其呈亲水性，将白炭黑添加入橡胶等材料后，白炭黑难以在有机相中湿润和分散。而且，由于白炭黑表面存在羟基，表面能较大，聚集体总倾向于凝聚，因而产品的应用性能受到影响。因此，为提高白炭黑在聚合物中的分散性，必须对其进行表面改性。
目前，白炭黑的表面改性，但是现有研究的改性处理中均存在改性不均匀现象，也就是说改性后的白炭黑仍然存在分散性差，如申请号为CN201410175796.4公开了一种碳包覆白炭黑，采用喷雾法制备碳包覆白炭黑和/或采用酸沉淀法制备碳包覆白炭黑，采用白炭黑与碳源混合烘干，再经惰性气体或绝氧氛围中，下碳化得到碳包覆白炭黑，该方法存在白炭黑与碳源在蒸干过程中，白炭黑自身会发生团聚现象，导致裂解后的无定型碳包覆度低，处理后为碳包覆白炭黑与白炭黑的共混体。
发明内容：
本发明克服现有技术的缺陷，提供一种白炭黑表面处理方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：一种白炭黑表面处理方法，包括以下步骤：
(1)选用目数为900～1100白炭黑、粒径为20～40nm的碳源分别进行干燥处理，分别将白炭黑、碳源置于真空干燥器中进行干燥，干燥温度为20～40℃，干燥时间以白炭黑、碳源自身含水量低于0.2％为准；
(2)将步骤(1)中的白炭黑、碳源进行附电荷处理，形成单位数量下下的白炭黑与碳源形成荷电量相同且极性相反，然后分别将白炭黑、碳源采用喷吹管进行改性处理；
(3)所述改性处理是采用喷吹管分别将白炭黑、碳源以100～160ml/min且在惰性气体或者绝氧环境中吹到高温炉中，反应温度在400～600℃，保温1～12小时，碳源在白炭黑表面裂解形成无定形碳并形成均匀厚度为1～2nm包覆层，得到碳包覆改性白炭黑。
优选的，所述步骤(1)中碳源包括淀粉、低聚糖、甘油、聚乙二醇或木质素一种或几种。
优选的，所述步骤(3)中的惰性气体包括氮气或氩气的一种。
优选的，还包括将步骤(3)中的碳包覆改性白炭黑进行进行表面修饰，包括以下步骤：
(4)在超声波作用下，将碳包覆改性白炭黑均匀分散于水醇混合溶液中，得到0.6mg/mL～1.2mg/mL的碳包覆改性白炭黑分散液；
(5)将步骤(4)中的碳包覆改性白炭黑分散液与修饰乳液以体积比1：10～26混合均匀，在20℃～90℃搅拌条件下充分反应1h～48h，冷却至室温，抽滤，得到表面修饰的碳包覆改性白炭黑。
优选的，所述修饰乳液按重量份计，包括以下组份：异丙苯过氧化氢10～12份，N，N-亚甲基二丙烯酰胺6～18份，乙醇50～80份，低聚硅氧烷水解液20～22份；氯丙基三甲氧基硅烷5～8份，蒙脱土14～22份。
优选的，所述修饰乳液经由以下步骤制备：在搅拌状态下将蒙脱土、氯丙基三甲氧基硅烷冗余乙醇中，在50～150℃条件下反应0.5～6.0小时，形成均匀溶液，再将低聚硅氧烷水解液逐渐滴加入上述溶液中，再将反应混合物升温至60～110℃，将悬浮液在此温度下搅拌0.5～8小时，过滤后，在30～50℃温度下，将异丙苯过氧化氢，N，N-亚甲基二丙烯酰胺，加入到上述过滤后的溶液中，在搅拌下升温至60～110℃范围内，继续反应2～3小时，得到所述修饰乳液。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的白炭黑表面处理方法，是通过将白炭黑、碳源进行附电荷处理，形成单位数量下下的白炭黑与碳源形成荷电量相同且极性相反，然后分别将白炭黑、碳源采用喷吹管进行改性处理，在高温炉中，白炭黑与相应的碳源吸附一体并经由高温炉处理，碳源裂解形成无定型的碳并包覆在白炭黑表面，本申请中，还可以通过调节碳源的单位电荷数来调节包覆碳层的厚度大小，吸附一体的白炭黑、碳源复合体呈中性，在喷吹过程中，便于实现白炭黑与碳源之间的结合，由于碳源或者白炭黑均带有电荷，也进一步的避免了碳源、白炭黑在改性处理中的团聚现象，解决了现有技术中存在白炭黑与碳源在蒸干过程中，白炭黑自身会发生团聚现象，导致裂解后的无定型碳包覆度低，处理后为碳包覆白炭黑与白炭黑的共混体的问题；
本申请中，通过对碳包覆白炭黑表面采用的修饰乳液进行修饰后，形成的修饰层存在活性基团，使其具有反应活性，使得聚合物可在二次改性的白炭黑表面反应，从而有效防止白炭黑的团聚，大大改善白炭黑与聚合物的界面粘结，应用于轮胎中，能够增强轮胎46.8％的撕裂强度与32.6％的拉伸强度。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1：
一种白炭黑表面处理方法，包括以下步骤：
(1)选用目数为900～1100白炭黑、粒径为20～40nm的碳源分别进行干燥处理，分别将白炭黑、碳源置于真空干燥器中进行干燥，干燥温度为20～40℃，干燥时间以白炭黑、碳源自身含水量低于0.2％为准；
(2)将步骤(1)中的白炭黑、碳源进行附电荷处理，形成单位数量下下的白炭黑与碳源形成荷电量相同且极性相反，然后分别将白炭黑、碳源采用喷吹管进行改性处理；
(3)所述改性处理是采用喷吹管分别将白炭黑、碳源以100～160ml/min且在惰性气体或者绝氧环境中吹到高温炉中，反应温度在400～600℃，保温1～12小时，碳源在白炭黑表面裂解形成无定形碳并形成均匀厚度为1～2nm包覆层，得到碳包覆改性白炭黑。
其中，步骤(1)中碳源为淀粉，步骤(3)中的惰性气体为氮气。
实施例2
一种白炭黑表面处理方法，包括以下步骤：
(1)选用目数为900～1100白炭黑、粒径为20～40nm的碳源分别进行干燥处理，分别将白炭黑、碳源置于真空干燥器中进行干燥，干燥温度为20～40℃，干燥时间以白炭黑、碳源自身含水量低于0.2％为准；
(2)将步骤(1)中的白炭黑、碳源进行附电荷处理，形成单位数量下下的白炭黑与碳源形成荷电量为1：2，且极性相反，然后分别将白炭黑、碳源采用喷吹管进行改性处理；
(3)所述改性处理是采用喷吹管分别将白炭黑、碳源以100～160ml/min且在惰性气体或者绝氧环境中吹到高温炉中，反应温度在400～600℃，保温1～12小时，碳源在白炭黑表面裂解形成无定形碳并形成均匀厚度为1～2nm包覆层，得到碳包覆改性白炭黑。
其中，步骤(1)中碳源为淀粉，步骤(3)中的惰性气体为氮气。
实施例3
一种白炭黑表面处理方法，包括以下步骤：
(1)选用目数为900～1100白炭黑、粒径为20～40nm的碳源分别进行干燥处理，分别将白炭黑、碳源置于真空干燥器中进行干燥，干燥温度为20～40℃，干燥时间以白炭黑、碳源自身含水量低于0.2％为准；
(2)将步骤(1)中的白炭黑、碳源进行附电荷处理，形成单位数量下下的白炭黑与碳源形成荷电量为2：1，且极性相反，然后分别将白炭黑、碳源采用喷吹管进行改性处理；
(3)所述改性处理是采用喷吹管分别将白炭黑、碳源以100～160ml/min且在惰性气体或者绝氧环境中吹到高温炉中，反应温度在400～600℃，保温1～12小时，碳源在白炭黑表面裂解形成无定形碳并形成均匀厚度为1～2nm包覆层，得到碳包覆改性白炭黑。
其中，步骤(1)中碳源为淀粉，步骤(3)中的惰性气体为氮气。
实施例4
本实施例内容与实施例1内容基本相同，相同之处不再重述，不同之处在于：还包括将步骤(3)中的碳包覆改性白炭黑进行进行表面修饰，包括以下步骤：
(4)在超声波作用下，将碳包覆改性白炭黑均匀分散于水醇混合溶液中，得到0.6mg/mL～1.2mg/mL的碳包覆改性白炭黑分散液；
(5)将步骤(4)中的碳包覆改性白炭黑分散液与修饰乳液以体积比1：10～26混合均匀，在20℃～90℃搅拌条件下充分反应1h～48h，冷却至室温，抽滤，得到表面修饰的碳包覆改性白炭黑。
其中：
修饰乳液包括：异丙苯过氧化氢100g，N，N-亚甲基二丙烯酰胺60g，乙醇500g，低聚硅氧烷水解液200g；氯丙基三甲氧基硅烷50g，蒙脱土140g。
修饰乳液经由以下步骤制备：在搅拌状态下将蒙脱土、氯丙基三甲氧基硅烷冗余乙醇中，在50～150℃条件下反应0.5～6.0小时，形成均匀溶液，再将低聚硅氧烷水解液逐渐滴加入上述溶液中，再将反应混合物升温至60～110℃，将悬浮液在此温度下搅拌0.5～8小时，过滤后，在30～50℃温度下，将异丙苯过氧化氢，N，N-亚甲基二丙烯酰胺，加入到上述过滤后的溶液中，在搅拌下升温至60～110℃范围内，继续反应2～3小时，得到所述修饰乳液。
实施例5
本实施例内容与实施例4内容基本相同，相同之处不再重述，不同之处在于：
还包括将步骤(3)中的碳包覆改性白炭黑进行进行表面修饰，包括以下步骤：
(4)在超声波作用下，将碳包覆改性白炭黑均匀分散于水醇混合溶液中，得到0.6mg/mL～1.2mg/mL的碳包覆改性白炭黑分散液；
(5)将步骤(4)中的碳包覆改性白炭黑分散液与修饰乳液以体积比1：10～26混合均匀，在20℃～90℃搅拌条件下充分反应1h～48h，冷却至室温，抽滤，得到表面修饰的碳包覆改性白炭黑。
其中：
修饰乳液包括：异丙苯过氧化氢110g，N，N-亚甲基二丙烯酰胺120g，乙醇650g，低聚硅氧烷水解液210g；氯丙基三甲氧基硅烷60g，蒙脱土180g。
修饰乳液经由以下步骤制备：在搅拌状态下将蒙脱土、氯丙基三甲氧基硅烷冗余乙醇中，在50～150℃条件下反应0.5～6.0小时，形成均匀溶液，再将低聚硅氧烷水解液逐渐滴加入上述溶液中，再将反应混合物升温至60～110℃，将悬浮液在此温度下搅拌0.5～8小时，过滤后，在30～50℃温度下，将异丙苯过氧化氢，N，N-亚甲基二丙烯酰胺，加入到上述过滤后的溶液中，在搅拌下升温至60～110℃范围内，继续反应2～3小时，得到所述修饰乳液。
实施例6
本实施例内容与实施例4内容基本相同，相同之处不再重述，不同之处在于：
还包括将步骤(3)中的碳包覆改性白炭黑进行进行表面修饰，包括以下步骤：
(4)在超声波作用下，将碳包覆改性白炭黑均匀分散于水醇混合溶液中，得到0.6mg/mL～1.2mg/mL的碳包覆改性白炭黑分散液；
(5)将步骤(4)中的碳包覆改性白炭黑分散液与修饰乳液以体积比1：10～26混合均匀，在20℃～90℃搅拌条件下充分反应1h～48h，冷却至室温，抽滤，得到表面修饰的碳包覆改性白炭黑。
其中：
修饰乳液包括：异丙苯过氧化氢120g，N，N-亚甲基二丙烯酰胺180g，乙醇800g，低聚硅氧烷水解液220g；氯丙基三甲氧基硅烷80g，蒙脱土220g。
修饰乳液经由以下步骤制备：在搅拌状态下将蒙脱土、氯丙基三甲氧基硅烷冗余乙醇中，在50～150℃条件下反应0.5～6.0小时，形成均匀溶液，再将低聚硅氧烷水解液逐渐滴加入上述溶液中，再将反应混合物升温至60～110℃，将悬浮液在此温度下搅拌0.5～8小时，过滤后，在30～50℃温度下，将异丙苯过氧化氢，N，N-亚甲基二丙烯酰胺，加入到上述过滤后的溶液中，在搅拌下升温至60～110℃范围内，继续反应2～3小时，得到所述修饰乳液。
将实施例4、5、6制备形成的表面修饰的碳包覆改性白炭黑经由以下步骤制备形成白炭黑/天然橡胶母炼胶：
(1)提供白炭黑分散液；
(2)将所述步骤(1)中白炭黑分散液与天然胶乳混合，得到共混乳液；
(3)将所述步骤(2)得到的共混乳液与凝固剂混合，得到共沉凝胶；
(4)将所述步骤(3)得到的共沉凝胶与蛋白酶进行消化反应，得到白炭黑/天然橡胶母炼胶。
对照组
选用没有经过改性处理的白炭黑，并采用上述方法制备成白炭黑/天然橡胶母炼胶。
实验测试：
对实施例1、2、3采用GB/T1764-1979标准测试包覆层厚度，并记录在表1中：
表1
组别 厚度(nu)
实施例1 1.6
实施例2 2.3
实施例3 0.5
将实施例4、5、6以及对照组制备形成的白炭黑/天然橡胶母炼胶进行强度测试，其测试结果如表2：
表2
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种白炭黑表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选用目数为900～1100白炭黑、粒径为20～40nm的碳源分别进行干燥处理，分别将白炭黑、碳源置于真空干燥器中进行干燥，干燥温度为20～40℃，干燥时间以白炭黑、碳源自身含水量低于0.2％为准；
(2)将步骤(1)中的白炭黑、碳源进行附电荷处理，形成单位数量下下的白炭黑与碳源形成荷电量相同且极性相反，然后分别将白炭黑、碳源采用喷吹管进行改性处理；
(3)所述改性处理是采用喷吹管分别将白炭黑、碳源以100～160ml/min且在惰性气体或者绝氧环境中吹到高温炉中，反应温度在400～600℃，保温1～12小时，碳源在白炭黑表面裂解形成无定形碳并形成均匀厚度为1～2nm包覆层，得到碳包覆改性白炭黑。
2.根据权利要求1所述的白炭黑表面处理方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳源包括淀粉、低聚糖、甘油、聚乙二醇或木质素一种或几种。
3.根据权利要求1所述的白炭黑表面处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中的惰性气体包括氮气或氩气的一种。
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