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炭黑是一種重要產(chǎn)品,由烴類不完全燃燒或裂解制成,廣泛應(yīng)于橡膠、塑料、涂料和電池等領(lǐng)域。目前,炭黑主要用作橡膠補(bǔ)強(qiáng)填料,是僅次于生膠的第二大橡膠材料。炭黑能夠提高橡膠的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和抗撕裂性能等物理性能,不同炭黑對(duì)性能的提升也不同,這與炭黑的結(jié)構(gòu)具有很大的關(guān)系。此外,炭黑可以填充橡膠分子間的空隙,降低橡膠的成本,同時(shí)可以改善橡膠的加工流動(dòng)性和脫模性。然而,炭黑比表面積大,分子間作用力強(qiáng),使其在加工過程中容易在分散介質(zhì)中結(jié)塊成大顆粒,難以在基體中穩(wěn)定分散,直接影響炭黑填充橡膠產(chǎn)品的質(zhì)量,不利于橡膠力學(xué)性能的提高。因此,普通炭黑在橡膠中的使用存在著局限性,如分散性差、與橡膠的結(jié)合力不強(qiáng)等,為解決這些問題,改性炭黑成為重要的研究方向。

炭黑補(bǔ)強(qiáng)橡膠機(jī)理

炭黑補(bǔ)強(qiáng)橡膠的機(jī)理可以概括為表面吸附層理論和分子鏈滑動(dòng)理論,表面吸附層理論以為,硫化劑和炭黑的加入使橡膠形成具有不同性能的非均相結(jié)構(gòu)。分子鏈滑動(dòng)理論認(rèn)為,吸附在炭黑表面的不同橡膠鏈在應(yīng)力作用下被拉伸,從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力分布。

炭黑改性方法

炭黑經(jīng)改性處理后,其原生結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,進(jìn)而影響橡膠復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)性能。目前,常用于改性炭黑的方法包括氧化改性、等離子體改性、表面接枝改性和表面吸附改性等。

等離子體改性

等離子體處理炭黑是一種很受歡迎的方式,它可以提供兩種優(yōu)勢:一是僅僅發(fā)生在炭黑表面,不會(huì)改變炭黑的體積;二是利用不同的氣氛的氧化和還原等。等離子體與材料表面的作用過程很復(fù)雜,不同類型的等離子反應(yīng)過程不相同。影響等離子體與材料表面作用的因素包括:參與反應(yīng)的粒子,如電子、自由基、正負(fù)離子、正負(fù)離子基團(tuán)、中性原子、分子和光子等;等離子體狀態(tài)參數(shù),如電子能量、電子密度、離子能量和離子密度等;表面材料,如金屬、高分子、有機(jī)或無機(jī)粒子等;材料表面狀態(tài),如化學(xué)組成、清潔度和粗糙度等。目前,常用的改性炭黑等離子分為氬等離子體和氧等離子體,然而隨著等離子體的發(fā)展,出現(xiàn)了其他形式等離子體改性炭黑。

氬等離子體改性

初級(jí)結(jié)構(gòu)是炭黑的最小單位。團(tuán)聚體是炭黑團(tuán)聚體之間由范德華力形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),它是炭黑的次級(jí)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)容易在橡膠混煉過程中發(fā)生破壞。比表面積、結(jié)構(gòu)度和表面活性是炭黑的三個(gè)基本特征,其中比表面積影響炭黑與橡膠混合時(shí)的黑度和分散性。結(jié)構(gòu)度可通過吸油計(jì)算,吸油值越高,炭黑的結(jié)構(gòu)越高。表面活性與表面上的基團(tuán)相對(duì)應(yīng),在填料-基體和填料-填料相互作用中起重要作用,采用氬離子體處理可改變炭黑的表面活性,同時(shí)可提高分散性。

氧等離子體改性

與氬等離子體改性相比,氧等離子體處理炭黑也具有相似的效果。氧氣在電場作用下生成氧自由基或臭氧等強(qiáng)氧化性的活性物質(zhì),這些活性物質(zhì)進(jìn)一步氧化納米炭黑,使得納米炭黑表面接上大量含氧官能團(tuán)，經(jīng)過氧等離子體處理后,炭黑的羰基、羥基等含氧官能團(tuán)明顯增多，并且在水中的分散穩(wěn)定性也有很大提高。

用等離子法改性炭黑主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)、等離子改性一般只在物質(zhì)的表面發(fā)生反應(yīng),并不影響物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu),這可使物質(zhì)主體結(jié)構(gòu)保持完整。(2)、等離子改性法內(nèi)的氣體大部分是以高活性的自由基的形式存在,所以在等離子體內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)并不受熱力學(xué)平衡的控制。(3)、冷等離子的溫度可保持在溫室下進(jìn)行,所以進(jìn)行氧化后的炭黑的含氧官能團(tuán)不易分解。(4)、等離子改性方法避免了氣相、液相氧化法中廢氣、廢液的排外,而且等離子改性炭黑不需要產(chǎn)品后續(xù)處理。因此,等離子改性作為具有良好應(yīng)用前景的方法受到了極大的關(guān)注。