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白炭黑表面改性及应用研究进展白炭黑是水合SiO2，外观呈白色，一次粒径为20～40nm，属于纳米材料。
做为橡胶工业用增强填料，2005年世界沉淀法白炭黑消耗70万t，2010年可能会超过80万t。
白炭黑能大幅度提高胶料的物理机械性能，减少胶料滞后、降低轮胎的滚动阻力受到广泛的关注[2]。
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，广泛应用于橡胶、塑料、涂料、医药、日用化工诸多领域。
1.1 白炭黑的表面结构白炭黑是二氧化硅的无定形结构，系以Si原子为中心，O原子为顶点所形成的四面体不规则堆积而成的。
白炭黑表面存在三种羟基：一是孤立的自由羟基；二是连生的、彼此形成氢键的缔合羟基；三是双生的,即两个羟基连在一个Si原子上的羟基，孤立的和双生的羟基都没有形成氢键。
由于表面能较大，聚集体倾向于凝聚，产品的应用性能受到影响：如在橡胶硫化系统里不能与聚合物很好地相容和分散，在轮胎中大量使用需要同时加入硅烷偶联剂等等。
为了提高白炭黑与聚合物之间的相容性，提高炭黑粒子在胶料中的的分散能力，消除粒子表面电荷，需要对白炭黑进行表面改性，以改善其应用效果，提高产品的附加值，拓展产品的应用领域。
1.2 白炭黑表面改性方法白炭黑的表面改性就是利用一定的化学物质通过一定的工艺方法使其与白炭黑表面上的羟基发生反应，消除或减少表面硅醇基的量，接枝或包覆其他化学物质，使产品由亲水性变为疏水，以达到改变表面性质的目的[2]。
主要改性方法如下：（１）表面活性剂改性：采用钛酸酯偶联剂、硬脂酸或硬脂酸盐等覆盖在粒子表面，改变粒子的部分性能；（2）硅烷偶联改性：采用有机基团取代白炭黑的表面羟基，使其有机硅烷化。
（3）包覆改性：在粒子周围均匀地包覆一层其它物质的膜。
2.白炭黑改性研究现状2. 1表面活性剂改性国外白炭黑的表面改性研究起步于20世纪60~70年代，Thammathadanukul[3]等人比较了几种表面改性的沉淀SiO2对天然橡胶混合物的补强性能。
炭黑改性工艺技术炭黑是一种广泛应用于橡胶、塑料、涂料、墨水等行业的黑色颜料，其改性工艺技术的研发和应用已经成为炭黑行业的关键发展方向之一。
改性工艺技术可以通过表面处理、控制疏水性、改善分散性等手段，提高炭黑的增强性能和应用领域，使之更好地满足市场需求。
一种常见的炭黑改性工艺技术是表面处理。
炭黑的表面吸附有大量的杂质和氧化物，对其物理和化学性能产生了一定的影响。
通过表面处理，可以去除或转化这些吸附物，提高炭黑表面的纯净度，进而改善其增强性能和分散性。
常见的表面处理方法有酸洗、热处理、化学改性等。
例如，可以使用硫酸、硝酸等酸洗炭黑，去除表面的金属离子和有机杂质，提高炭黑的增强效果和增塑性能。
另一种常见的炭黑改性工艺技术是控制炭黑的疏水性。
炭黑的颗粒表面具有亲水性，易于与橡胶、塑料等基体相结合，但这种亲水性也使得炭黑在加工时易聚集成团，难以有效分散。
通过控制炭黑的疏水性，可以减少炭黑粒子之间的吸引力，提高炭黑的分散度和增强性能。
常见的控制炭黑疏水性的方法有表面改性、润湿剂添加等。
例如，可以使用硅烷类化合物对炭黑进行表面改性，增加其疏水性，从而减少炭黑之间的吸引力，有利于炭黑的分散和增强效果的提升。
此外，还有一种常见的炭黑改性工艺技术是改善炭黑的分散性。
炭黑粒子之间的吸引力和相互作用力往往使得炭黑在加工过程中难以均匀分散于基体中，影响其增强性能。
通过改善炭黑的分散性，可以使炭黑更均匀地分散在基体中，提高增强效果和力学性能。
常见的改善炭黑分散性的方法有增湿剂添加、分散剂使用等。
例如，可以使用表面活性剂作为分散剂，降低炭黑之间的相互吸引力，增加炭黑与基体的相容性，从而改善炭黑的分散性和增强效果。
综上所述，炭黑改性工艺技术的研发和应用可以提高炭黑在橡胶、塑料、涂料、墨水等行业的增强性能和应用领域，推动炭黑行业的发展。
通过表面处理、控制疏水性、改善分散性等手段，可以实现炭黑的优化改性，使其更好地满足市场需求。
随着炭黑改性工艺技术的不断创新和应用，相信炭黑在各个领域中的应用前景将更加广阔。
炭黑与聚合物结构的相互作用研究炭黑，也叫做活性炭，是一种常用的材料，具有极高的比表面积和吸附能力。
由于这些特性，炭黑常常被用作添加剂，例如橡胶和油墨等领域。
在聚合物材料中，炭黑也被广泛应用，并且炭黑与聚合物之间的相互作用也备受研究人员的关注。
本文将探讨炭黑在聚合物结构中的作用及其研究。
炭黑是由高温热解生物质或石油化学品制得的一种具有高比表面积、孔隙结构和吸附性能的材料。
在聚合物领域中，炭黑被用作填充剂和增强剂，以提高聚合物的机械性能和耐热性。
炭黑可以通过分散在聚合物基体中形成网络结构，提高聚合物的强度和硬度。
此外，炭黑与聚合物之间的相互作用还能影响聚合物的导电性、光学性能和屏蔽性能等。
研究表明，炭黑与聚合物相互作用的机制有多种，其中最常见的机制是物理吸附和表面改性。
物理吸附是指由于炭黑的高比表面积和极性表面，使得聚合物分子在炭黑表面附着，从而提高聚合物的物理性能。
表面改性则是指利用化学反应或物理处理改变炭黑表面的性质，使炭黑与聚合物结构更好地结合。
表面改性可以通过对炭黑表面进行硅化、氧化、纳米粒子表面修饰等方式进行。
由于炭黑与聚合物之间的相互作用是复杂的，因此，研究炭黑与聚合物之间的相互作用对于聚合物材料的设计和应用具有重要意义。
在过去的几十年中，炭黑的开发和应用已经引起了广泛的关注。
炭黑在聚合物领域的应用包括橡胶、塑料和涂料等领域。
尽管炭黑在聚合物领域广泛应用，但由于炭黑和聚合物之间的作用机理非常复杂，因此研究人员一直在探索更有效的方法来理解二者之间的关系。
目前，炭黑和聚合物之间的相互作用已经成为一个研究热点，并且已经提出了多种理论模型来解释这种相互作用。
这些模型包括Mayer和Molnar提出的隐式溶剂模型，以及Krivandina和Jaubert提出的变形剪切区域模型等。
较早的研究表明，炭黑和聚合物之间的相互作用比较弱，而且仅限于物理吸附。
然而，现在的研究已经证明，炭黑和聚合物之间的作用机理更加复杂，可能涉及氢键、范德瓦尔力和化学反应等多种类型的相互作用。
炭黑增黑的常用方法炭黑是一种常用的增黑剂，广泛应用于橡胶、塑料、油墨、涂料等行业。
炭黑能够增加材料的黑度、耐候性和耐磨性，提高产品的质量和使用寿命。
本文将介绍几种常用的炭黑增黑方法。
一、湿法增黑湿法增黑是指将炭黑与水或其他有机溶剂混合，形成悬浮液后加入到材料中的方法。
这种方法操作简单，能够获得较高的黑度和均匀的分散效果。
常用的湿法增黑方法有：1. 混炭法：将炭黑与水或溶剂混合后加入到材料中，通过搅拌或研磨使其均匀分散。
2. 沉淀法：在溶剂中加入适量的沉淀剂，使炭黑沉淀并与材料混合。
3. 热沉淀法：将炭黑与溶剂混合后加热，使炭黑在溶剂中沉淀并与材料混合。
二、干法增黑干法增黑是指将炭黑直接加入到材料中，通过物理混合的方式实现增黑效果。
干法增黑的优点是操作简便，但黑度和分散性较湿法增黑方法略差。
常用的干法增黑方法有：1. 机械混合法：将炭黑与材料通过机械设备（如搅拌机、高速搅拌器等）进行混合，使其均匀分散。
2. 气相增黑法：将炭黑制成粉末状，通过气流将其喷洒到材料表面，使其附着并增加黑度。
3. 涂布法：将炭黑与适量的溶剂混合形成浆状物，然后将其涂布在材料表面，使其增加黑度。
三、表面包覆法表面包覆法是指将炭黑包覆在其他物质的表面，形成一层保护层，使其均匀分散在材料中。
常用的表面包覆方法有：1. 聚合物包覆法：将炭黑与聚合物溶液混合后，通过加热或其他方法使其包覆在炭黑表面，形成聚合物包覆层。
2. 硅包覆法：将炭黑与硅溶胶或硅酸盐混合后，通过加热或其他方法使其包覆在炭黑表面，形成硅包覆层。
3. 金属包覆法：将炭黑与金属溶液混合后，通过电镀或其他方法使其包覆在炭黑表面，形成金属包覆层。
四、表面改性法表面改性法是指通过化学反应或物理吸附等方法改变炭黑表面的性质，使其具有增黑效果。
常用的表面改性方法有：1. 氧化改性法：将炭黑与氧化剂在适当条件下反应，使其表面产生羧基、羟基等官能团，增加与材料的相互作用力，提高增黑效果。
改性白碳黑对NBR/炭黑硫化胶弹性的影响1 前言白碳黑同炭黑一样，也是橡胶制品的一种重要补强剂，但同相同粒径的炭黑相比，由于化学本质及聚集态性质的差异，其补强性要差一些[1]，若在胶料中大量填充，不仅降低了补强效果，而且胶料的定伸应力、压缩永久变形、生热、磨耗及加工工艺性能均不如炭黑填充胶料[2]。
因此，许多学者以研究白碳黑的改性为突破点，来考察白碳黑作为补强填料的应用前景[3-5]。
由于白碳黑表面存在有羟基，相邻羟基彼此以氢键结合，因而易与含羟基化合物发生脱水反应，与亚硫酰氯或碳酰氯反应，与环氧化合物发生酯化反应[6]，这使得与烯烃类橡胶配合时相容性差，在配合胶料内对硫化促进剂吸附而迟延硫化，加之与橡胶配合时难混入，难分散，因此对白碳黑的表面改性是有必要的，常用的改性剂有脂肪醇、胺、脂肪酸、硅氧烷等。
人们知道弹性是橡胶的一个重要的特性，对于密封制品、减震等制品尤为重要。
这些制品的失效在很大程度上是因为弹性的丧失，因此研究弹性有重要的应用意义。
本文将着重研究改性白碳黑对NBR硫化胶弹性的影响，国内专门研究这方面的文章比较少。
2 实验2．1 实验用材料及仪器2．1．1 主要试剂NBR：日本瑞翁产丙烯腈含量34％；白碳黑：沉淀白碳黑，南吉化工产：硅烷偶联剂：牌号Kagevest 25，拜耳公司产：炭黑N330：江西景德镇黑猫炭黑有限公司产；炭黑N550：宝马牌，苏州宝化炭黑有限公司产；DCP：华南轮胎公司提供：促进剂DM：浙江永嘉县化工厂产；硫磺：湖南化工设备公司；促进剂TMTD：华南轮台公司提供；促进剂DTDM：黄岩浙东橡胶助剂有限公司产；防老剂4010NA：山东圣奥化工股份有限公司产；防老剂MB：天津市拉勃助剂有限公司产；2nO：芭蕉牌，纯度99.5％，柳州锌品股份有限公司产：硬脂酸：化学纯，如皋市化工股份有限公司产。
2. 1．2 主要仪器U—CAN DYNATEX(型号 UR-2030)硫变仪，XQLB-350X350平板硫化机，DXLL-25000型电子拉力机，XY-1型橡胶硬度计，GB/1683压缩装置，DL-402型老化箱等。
炭黑的评估指标主要包括以下几个方面：
1. 物理性能：
粒径：炭黑的粒径大小对应用性能有很大影响，粒径越小，比表面积越大，吸附性能和分散性能也会相应提高。
比表面积：比表面积越大，炭黑的吸附性能、分散性能和反应活性也会相应提高。
灰分：灰分是指炭黑中不挥发的无机物质的含量，其含量越低，炭黑的纯度越高，应用性能也会相应提高。
吸油值：吸油值越大，炭黑的填充性能、增塑性能和改性性能也会相应提高。
2. 化学性能：
pH值：pH值对于炭黑的应用性能也有一定的影响，如pH值过高或过低会影响其分散性能。
硫含量：硫含量对于炭黑的应用性能也有一定的影响，如硫含量过高会影响炭黑的电气性能。
3. 热稳定性：热稳定性是指炭黑在高温下的稳定性能。
热稳定性对于炭黑的应用性能也有一定的影响，
如热稳定性差的炭黑在高温下易发生分解而影响其使用寿命。
炭黑及其改性
1 炭黑简介
碳黑（CB），也称为炭黑，这是一种无定形的碳。
是一种很轻、松而且很细的黑色粉末。
它的表面积非常大，范围很广从10~3000m2/g。
这是由于在空气不足的条件下燃烧或者是受热分解而得的产物。
比重为1.8-2.1。
通过天然气制成的
“槽黑”、通过炉法制得的炉黑。
按照炭黑的性能可以区分为补强炭黑、导电炭黑、耐磨炭黑等[8]。
（1）炭黑的形态
炭黑的微观构造：炭黑粒子在微观结构中是具有微小的晶体结构的，在炭黑中，碳原子排列的方式和石墨很相似，碳原子会组成一个六角形的平面形状，炭黑原子的每个微晶体都是由三四个这样的层面组成的，但是因为炭黑微晶中，在平面上炭黑排列是有规律的，但是从相邻的碳层上看，炭黑的排列又是无序的。
所以又叫作准石墨晶体。
炭黑的粒径：炭黑的粒径范围是很大的，炭黑生产的工艺方法不同，得到的炭黑粒径就不同。
用灯黑生产这个工艺得到的产品相对而言是比较粗糙的，用气黑这个生产工艺生产出来的炭黑粒径是比较小的，相对而言是比较精细的。
用炉黑这种生产工艺方法生产出来的炭黑粒径分布的范围很大，几乎具有所有粒径的炭黑。
即使生产炭黑使用的工艺方法相同，它的粒子大小也并不是完全相同的，而是呈现出一个粒径的分布范围。
一般来说，炭黑粒子较细的品种，粒径的分布范围会比较窄。
（2）化学性质：炭黑表面的化学性质跟生产工艺有关。
生产炭黑的工艺方法不相同，炭黑表面的化学性质就不一样。
炭黑的真实表面积和计算出来的几何表面积并不相同，这是因为炭黑的表面存在着很多小孔，这种小孔大大增加了炭黑的表面积。
在炭黑表面，存在着很多种含氧基团。
这个理论的研究认为，随着炭黑填充量的增大，炭黑粒子的密度就会变大，炭黑粒子间相互接触的几率就会变大，这样一来，聚合物的导电性能也就会随之上升。
因为炭黑表面的含氧基团有很多是极性基团，随着炭黑含量的增加，聚合物的极性也会增加，这样一来就
会导致聚合物的导电性能的下降。
这个时强度增加，可是妨碍了炭黑这个导电粒子自身的凝集，就导致了聚合物的导电性下降。
2 炭黑改性
2.1 表面氧化改性
目前，炭黑的主要生产方法是炉法生产，但是，由于其表面的含氧官能团、挥发份和极性较小，以及pH值一般在碱性的范围内，这些都不利于炭黑在水性体系中的分散，为了提高炉法炭黑在水性体系中的分散稳定性，可对其进行改性。
采用氧化改性的方法后，炉法炭黑的非极性表面可以变成局部的极性表面，就是提高炭黑的挥发成份，提高炭黑表面的基团数量(主要是羟基、羧基、羰基、醌基、内酯基等)，这些基团都是极性基团，这样一来炭黑粒子之间相互聚集的可能性就会变小，相对而言，就是提高了炭黑粒子在基体中的分散性。
现在，对炭黑进行氧化改性的方法主要有四个:气相氧化法、液相氧化法、催化氧化法和等离子体氧化法。
气相氧化法：气相氧化的方法是现在色素炭黑的表面氧化改性工业化生产的普遍使用方法。
这种方法一般使用氧化性气体例如空气、氧气、氮氧化合物、臭氧等对炭黑进行表面氧化改性的处理；它的工艺过程是在密封的条件下通进去惰性气体（例如氦气、氮气），然后把温度升高到反应温度，最后再通进去气体的氧化剂，到反应结束后，再一次通入惰性气体，然后冷却。
使用空气、氧气等气体氧化炭黑后所得到的产品，其表面含氧官能团的含量相对比较低，主要原因是：氧化反应温度一般要在400℃以上，但是要在这个温度下反应的话就会使得炭黑表面的的部分含氧基团分解，产生一氧化碳和二氧化碳。
所以，用空气、氧气等这些气体当作氧化剂的生产方法早就已经基本停止使用。
同样的，因为气源限制、成本高以及环境污染等缺点，以氮氧化合物作为氧化剂的生产方法也已经很少采用。
可是，把臭氧当作氧化剂，因为其具有气体来源方便快捷、氧化效率也高、反应得条件又比较温和、还有绿色环保、成本低等这些优点，综上所述其就被当今世界普遍使用。
根据操作方法不同，臭氧氧化法可以分为风送氧化和流化床氧化两种方法，其中开发适用于炭黑臭氧氧化的高效流化床反应器，成为当前各国生产氧化炭黑的主要研究方向之一。
液相氧化法：液相氧化法让氧化剂与炭黑发生反应的化学氧化法，这种方法是在炭黑的表面生成羰基、羟基、羧基等亲水基团的改性方法。
该种方法是炭黑工业最早使用的表面氧化改性的方法，其相关的文献报道比较多，所使用的氧化剂一般是强氧化性溶液，如硝酸溶液、过氧化氢溶液、饱和过硫酸铵溶液、高氯酸、次氯酸钠水溶液、异氰酸盐溶液、高锰酸钾溶液等。
使用这种方法对炭黑进行改性的话会使得炭黑表面的含氧官能团大幅度提高。
这种改性方法在氧化效果上来说优于气相氧化法。
硝酸和双氧水对炭黑氧化后的效果很好，因为这两种试剂并不会在炭黑中残留其它物质，是液相氧化很好的氧化剂。
等离子氧化法：对炭黑表面使用高频率的电晕放电可以使炭黑表面得到氧化改性，这种改性方法是把极性基团引入到炭黑粒子的表面，以达到炭黑粒子的改性。
这种改性方法使用的电晕频率不同，所以得到表面不同性质的改性炭黑。
经过这个处理后的炭黑不仅显示酸性而且在水中的分散性很好，但是没有经过改性的炭黑在水中的分散性不好而且很容易产生沉降。
催化氧化法：催化氧化法这个方法是使用催化剂对炭黑催化氧化的方法，有实验使用TiCl4、VOCL3、CrOCl4等这些金属对炭黑进行气相催化氧化的试验，结果表明：使用催化剂氧化后的炭黑能够提高炭黑表面含氧官能团的含量，尤其是以Cr为佳，它的最佳反应温度是250℃左右。
但是当氧化温度再往高升时，炭黑表面的含氧官能团就会分解，生成一氧化碳和二氧化碳，导致了炭黑表面的含氧官能团的含量下降。
也有使用Cr2O3、CuO作为催化剂，并采用NO x和CO 来氧化炭黑。
目前催化氧化炭黑的研究还处于实验室水平，关键因素是没有研究出价格便宜、反应温度低、氧化效率高以及便于工业开发的高效能、低消耗的催化剂。
2.2分散剂处理
分散剂在水性体系中可以起到分散作用，其机理和溶剂体系相同，也是通过伸展到液相中的分子所产生的拽斥力和位阻斥力的共同作用，让粒子均匀分散在水性体系中。
这个方法和溶剂体系用的分散剂是不同的：这个类型的分散剂中有可以伸展的溶剂化链，这个链是聚合物中亲水性高的部分，但是和粒子结合的是聚合物当中疏水性高的部分。
但是在水性体系中所适用的那个高分子分散剂，它的结构是由亲颜料端的疏水基和亲液体端的亲水基这两个部分组成。
在水性体系
中适用于炭黑分散的分散剂主要有这几个：阴离子聚合物型分散剂、非离子型分散剂和超分散剂等。
阴离子聚合物型分散剂：最经常使用的阴离子型的聚合物分散剂主要有有顺丁烯二酸酐、甲基丙烯酸、丙烯酸、乙烯苯磺酸等这些聚合物。
其中，丙烯酸类分散剂因为其良好的分散性而日益成为人们研究的热点。
有研究表明，丙烯酸类型分散剂，它的平均分子量、分子量分布、功能性官能团都能对丙烯酸类树脂的分散性能产生很明显影响。
非离子型分散剂：通常用的非离子型分散剂是聚氧乙烯醚系列，其亲水端是不同链长的聚氧乙烯醚，疏水端为芳香基或不同链长的烷基。
这其中，乙氧基的单元数和疏水基团的类型都显著影响非离子分散剂的分散性能。
超分散剂：超分散剂是一类高效的聚合物分散剂，其分子结构按照其具有的性质和功能可以分为两个段：锚固段和溶剂化段。
锚固段是由锚固基团(如-R2、-NR3+、-COOH、-SO3H、-SO3-、-PO42-、多元胺、多元醇及聚醚等))通过离子键、共价键、氢键及范德华力等相互作用，紧紧吸附在固体颗粒的表面上，以防止超分散剂脱落，其在整个超分散剂分子结构中所占的比例很少，一般仅为10%～20%。
锚固段在介质中的溶解度一般比较低。
同时，锚固基团可根据超微细粉体的表面性质进行选择，这个可以保证超分散剂在固体颗粒表面的牢固吸附，而这种吸附是不可逆吸附，很难解吸，这对稳定分散非常有利。
2.3 接枝改性
炭黑的表面接枝改性是在炭黑的表面接枝上聚合物链，使用这种方法对炭黑进行改性的话，炭黑表面的聚合物支链可以大大减少炭黑的聚集，而且可以使炭黑在聚合物基体中分散性变好。
对炭黑进行接枝改性的方法主要有三种：
1)可以使用增长的活性聚合物向炭黑表面上转移的接枝：增长的活性物自由基(也可以是聚合物阳离子或阴离子)和炭黑表面上的活性官能团链的转移或链的终止的反应接枝，炭黑捕获增长的自由基而实现接枝。
CB-X+*R→CB-X-R
2)从炭黑表面开始引发的接枝聚合：在炭黑表面导入具有引发能力的基团，让其引发单体接枝的聚合。
CB-X*+单体→CB-R
3)炭黑与聚合物的反应接枝：炭黑表面的活性基团和具有反应性基团的聚合物进行反应。
CB-X+Y-R→CB-R
上式中，*代表自由基，R代表高分子，X、Y代表活性基团。
