白炭黑表面改性及应用研究进展

《白炭黑表面改性及应用研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、白炭黑表面改性及应用研究进展陆铭1*陆铭（1975－），女，工程师，2005年毕业于北京理工大学高分子材料专业，获博士学位。目前就职于北京橡胶工业研究设计院，主要从事白炭黑改性、橡胶助剂的开发。E-mail：luminggrh@126.com。,徐晴岩2，宫瑞婷3，王泱泱4（1，4北京橡胶工业研究设计院北京100039；2.中国假肢矫形技术学校北京065201；3.北京建筑工程学院北京100044）摘要：介绍了国内外白炭黑的表面改性研究趋势。综述了除橡胶工业外，国外白炭黑一些新的应用领域，指出白炭黑是一种有发展前景的产品。关

2、键词：白炭黑；表面改性1.前言白炭黑是水合SiO2，外观呈白色，一次粒径为20～40nm，属于纳米材料[1]。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，

3、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.

4、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2

5、0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。ZurawakaJolanta等[4]研究了铵盐和表面活性剂对硅酸钠溶液沉淀SiO2理化性质的影响。Jesionowski[5]以硅酸钠溶液和硫酸为原料，并用非离子表面活性剂RokafenolN-S，N-6、和N-9作乳化剂，制备出了高分散性能的二氧化硅。Wang等人以水玻璃和盐酸为原料，使用非离子表面活性剂TX100，用化学沉淀法制备出了高比表面积多孔二氧化硅粉体。限于分散剂分子的结构特征，又不能有效

6、增强纳米二氧化硅与橡胶之间的化学结合，活性剂法改性并未被大力推广。2.2硅烷偶联剂改性1971年双官能团硅烷偶联剂TESPT出现后,人们开始研究硅烷偶联剂对白炭黑的改性效果。NorioTsubokawa等[6]选用硅烷偶联剂改性，增加SiO2表面引发基团，再加入可反应有机单体，经过多次处理以在其表面进行接枝。刘艳山等[7]总结了多种无机表面接枝的化学引发方法。Ou[8]等研究了烷基化白炭黑对橡胶增强效果的影响。发现白炭黑烷基化后，胶料中键合橡胶的数量减少，但提高了白炭黑和橡胶基体的相容性。Krysztafkiewicz[9]

7、等人进行了用氨基硅烷偶联剂改性沉淀SiO2的研究。白炭黑在硅烷偶联剂改性后降低了填料网络间的相互作用使胶料的粘度降低，加工性能在一定程度上得到改善。然而，由于偶联剂分子量较小，不能包裹太严，在加工过程中容易暴露出极性表面，作用有限[10]。还有几个明显的缺点：（1）通用的Si-69和KH-590等硅烷偶联剂价格昂贵；（2）硅烷只能经受一定的高温，超过此温度就将释放硫。会在混炼中释放硫导致交联。（3）在轮胎中大量使用白炭黑硅烷偶联剂，同时使用工序繁琐。由于硅烷偶联剂存在的缺点影响了其在白炭黑表面改性方面的推广，科学家开始探索新

8、的表面改性方法。2.3表面包覆改性研究表明，可以通过采用聚合物等材料将白炭黑表面羟基包覆起来，减少其表面羟基之间的作用力，达到提高白炭黑分散度的作用。聚合物包覆改性无机粒子是一种前沿的复合材料制备方法。包覆改性后的粒子具有颗粒表面包覆均匀、包覆效果好、改性后颗粒与聚合物相容性好等优点，可以