白炭黑即水合二氧化硅，是橡膠工業(yè)中非常重要的補(bǔ)強(qiáng)劑，目前市場(chǎng)上主要是采用沉淀法進(jìn)行生產(chǎn)。白炭黑一次粒子粒徑在30~50nm，呈近似球形，粒子之間有接觸，一次粒子通過(guò)范德華力形成聚集體，聚集體之間相互連接形成附聚體，一次粒子表面豐富的氫鍵是其易于團(tuán)聚的主要原因。

　　1、白炭黑為什么要進(jìn)行表面改性？

　　由于這種特殊的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，普通白炭黑粒子在形成聚集體時(shí)易產(chǎn)生表面大量吸附水分子、分子間易發(fā)生二次聚集、比表面積過(guò)大等問(wèn)題，從而影響其工業(yè)應(yīng)用的效果，具體表現(xiàn)為：

　　（1）表面呈親水性

　　由于白炭黑聚集體表面含有大量極性的羥基，會(huì)對(duì)外界水分子產(chǎn)生極強(qiáng)的吸附作用，使其表面吸附大量水分子。在橡膠制品加工過(guò)程中白炭黑粒子表面吸附的大量水分子在混煉膠硫化時(shí)會(huì)使混煉膠體出現(xiàn)氣泡和空洞從而影響膠體的性能。同時(shí)，橡膠制品表面一般不具有極性，而白炭黑表面含有大量的極性羥基，導(dǎo)致兩者的相容性較差，從而影響白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)效果。

　　（2）分散性差

　　白炭黑的結(jié)構(gòu)是鏈枝狀聚集體，沉淀法生產(chǎn)出的普通白炭黑在形成聚集體時(shí)易發(fā)生二次聚集且結(jié)構(gòu)不易被破壞。相比于氣相法制備的白炭黑粒子，沉淀法生產(chǎn)的普通白炭黑粒子在聚集時(shí)經(jīng)常交聯(lián)成一個(gè)整體，從而導(dǎo)致白炭黑粒子的分散性變差。作為工業(yè)補(bǔ)強(qiáng)劑使用時(shí)，分散性較差不利于白炭黑與補(bǔ)強(qiáng)基體結(jié)合，會(huì)降低其補(bǔ)強(qiáng)效果。

　　（3）比表面積過(guò)大

　　白炭黑粒子粒徑較小比表面積大，雖然較大的比表面積在橡膠補(bǔ)強(qiáng)過(guò)程中通常起促進(jìn)作用，但過(guò)大的比表面積會(huì)增強(qiáng)白炭黑粒子間內(nèi)聚力，導(dǎo)致其在橡膠基體中不易分散，且在橡膠制品的加工過(guò)程中容易產(chǎn)生吸附大量促進(jìn)劑、延遲硫化時(shí)間、產(chǎn)生過(guò)高的熱量、燒焦基體等問(wèn)題。

　　因此，白炭黑在工業(yè)應(yīng)用前大多需要進(jìn)行改性處理，以提高其工業(yè)應(yīng)用性能。

　　2、白炭黑表面改性方法有哪些？

　　化學(xué)改性法具有穩(wěn)定性高、易于控制、產(chǎn)品性能好等特點(diǎn)，是目前白炭黑改性研究及工業(yè)應(yīng)用的主要方向，主要包括：表面接枝改性、偶聯(lián)劑改性、離子液改性、大分子界面改性及并用改性等。

　　（1）表面接枝改性

　　表面接枝改性法的原理是通過(guò)化學(xué)接枝法在白炭黑的表面接枝與基體聚合物（如橡膠）性質(zhì)相同的大分子聚合物，一方面能夠增強(qiáng)粒子與基體之間的作用力并改變粒子表面的極性，另一方面也能提高白炭黑自身的分散性。

　　表面接枝法根據(jù)接枝的方法不同可分為“Graftingfrom”（主鏈接枝法）和“Graftingto”（接枝到主鏈法），前者可以精準(zhǔn)的控制接枝的分子量和接枝密度，但后期位阻大，接枝的分子量較小；后者能夠接枝較高分子量的分子鏈且位阻效應(yīng)相對(duì)較低但條件較為苛刻。

　　（2）偶聯(lián)劑改性

　　偶聯(lián)劑改性的原理是利用偶聯(lián)劑上的部分官能基團(tuán)與白炭黑表面的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以此改變白炭黑表面的基團(tuán)結(jié)構(gòu)和分布來(lái)提高與基體的相容性以及自身的分散性。

　　偶聯(lián)劑改性具有改性效果好、反應(yīng)可控性高等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣的改性方法之一。目前使用較為廣泛的偶聯(lián)劑有硅烷偶聯(lián)劑、硅氧烷偶聯(lián)劑和硅氮烷偶聯(lián)劑等。在實(shí)際應(yīng)用中偶聯(lián)劑改性的主要工藝分為混合反應(yīng)、冷卻分離、重復(fù)洗滌和沉淀四個(gè)步驟。

　　（3）離子液改性

　　離子液體也稱室溫離子液體，是由有機(jī)陽(yáng)離子與有機(jī)或無(wú)機(jī)陰離子構(gòu)成，在100℃以下呈液態(tài)的熔鹽。離子液改性是采用離子液體改性劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)相改性劑來(lái)改性白炭黑，離子液相較于傳統(tǒng)有機(jī)相改性劑具有室溫下呈液態(tài)、導(dǎo)電性強(qiáng)、穩(wěn)定性高和溶解性好等優(yōu)勢(shì)，且其不揮發(fā)、不易產(chǎn)生污染，更加符合綠色生產(chǎn)的要求。

　　離子液改性工藝流程較為簡(jiǎn)單，在白炭黑和離子液的混合體系中加入一定量的無(wú)水乙醇后再放入恒溫水浴箱中反應(yīng)，待反應(yīng)充分后干燥即可得到改性白炭黑。

　　（4）大分子界面改性

　　大分子界面改性所用的改性劑是一種含有極性基團(tuán)的大分子聚合物，在與白炭黑粒子的改性反應(yīng)過(guò)程中，大分子界面改性劑的分子主鏈能夠在引入較多極性環(huán)氧基團(tuán)的同時(shí)保持基本的主鏈結(jié)構(gòu)，以此提高白炭黑粒子與基體之間的相容性，達(dá)到較好的界面改性效果。

　　（5）并用改性

　　炭黑和白炭黑都是橡膠工業(yè)良好的補(bǔ)強(qiáng)劑，其中炭黑是橡膠工業(yè)最常用的補(bǔ)強(qiáng)劑之一，炭黑的特殊結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)橡膠材料的拉伸和撕裂強(qiáng)度并改善其耐磨、耐寒等性能；而白炭黑作為補(bǔ)強(qiáng)劑可以顯著提高橡膠制品的滾動(dòng)阻力和抗?jié)窕缘龋鋯为?dú)使用效果不如炭黑。

　　大量研究表明，炭黑和白炭黑并用作為補(bǔ)強(qiáng)劑可以結(jié)合二者優(yōu)勢(shì)提高橡膠制品的整體性能。

　　3、白炭黑表面改性效果如何評(píng)價(jià)？

　　白炭黑經(jīng)過(guò)改性處理后，其工業(yè)應(yīng)用性能大幅提升，可采用DBP值、接觸角、粒徑范圍等參數(shù)對(duì)其改性效果進(jìn)行衡量。

　　資料來(lái)源：《邱明華,李強(qiáng),念保義,等.白炭黑表面改性研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].礦產(chǎn)綜合利用,2020(03):40-47》

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