试析炭黑的氧化与超声波下含磺酸基水溶性高分子的接枝研究

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1、天津大学博士学位论文炭黑的氧化与超声波下含磺酸基水溶性高分子的接枝研究姓名：赵建义申请学位级别：博士专业：化学工艺指导教师：王成扬20050601摘要炭黑具有优异的性质如耐热、耐化学作用、耐气候变化、良导电性、和低热胀系数，广泛应用于橡胶、塑料、干电池及色素等诸多行业。随着环境保护的要求，炭黑越来越多地要求在水性体系中使用。但由于炭黑粒度小，比表面积大，表面自由能高，炭黑粒子间存在极强的聚集能力，聚集后的炭黑会影响黑度及分散稳定性，影响炭黑的使用。本论文采用液相氧化剂对炭黑表面进行氧化改性。也首次采用了在超声波作用下，引发剂引发丙烯酸类单体聚

2、合接枝到炭黑表面。首次将强吸水性基团一磺酸基引入到接枝聚合物中。结果表明，在超声波的空化作用下，反应可以在常温下进行并在较短时间内完成，在一定的范围内提高了接枝率；改性后的炭黑在水中的分散稳定性大大提高。对氧化前后炭黑表面性质进行比较后发现；氧化剂氧化能力越强、浓度越高，氧化后炭黑表面的含氧官能团越多、酸性越强。炭黑的氧化与炭黑的物理性质密切相关，低结构性、高比表面的炭黑易被液相氧化剂氧化。氧化后炭黑表面的pH值与挥发分之间有一定的关系。氧化后的炭黑有利于炭黑表面的羟甲基化，也有利于丙烯酸单体自由基聚合接枝。影响炭黑在水分散体系中分散稳定的三

3、个主要因素是亲水性、双电层电位和空间位阻。利用磺酸基团的强吸水性，增加炭黑与水之间的作用力；利用磺酸基强电离性质，增加炭黑粒子与水接触的双电层电位；利用含磺酸基高分子侧基的极性、基团体积大等特点增加高分子链在水中的伸展性，从而增大了粒子聚集的空间位阻。由于磺酸基团的引入，低接枝率的接枝炭黑在水中就有了良好的分散稳定性。研究表明，不同水分散体系对氧化改性炭黑和聚丙烯酸类接枝炭黑在水中的分散稳定性有很大的影响，由于氧化炭黑与接枝炭黑表面大都是羧基基团，所以水环境对两种炭黑的分散稳定性的影响是一致的。碱性水分散体系中，改性炭黑的分散稳定性最好；中性

4、水分散体系中分散稳定性次之；而酸性水分散体系及含盐水分散体系中分散稳定性最差。采用XPS、IR、TEM、SEM、热分析等手段对改性炭黑进行了表征。关键词：炭黑氧化接枝分散稳定性丙烯酸磺酸基水分散体系AbstractCarbonblackhasexcellentproperties，suchasheat-andcorrosion—resistance，surroundingschangeadaptability,goodelectricconductionandlowthermalexpansioncoefficient，andiswidely

5、usedinthefieldsincludingrubbers，plastics，batteries，pigments．etc．Witllstricterenvironmentalprotectionlawsbeingcarriedout,moreandmorecarbonblackrequiresusinginwater．Duetosmallsize，highspecificsurfaceareaandhi曲surfacefreeenergy,carbonblackparticlesseriouslyaggregatetogetherand

6、thusproducepoordispersionstabilityinwaterandsolvents，whichunderminetheapplicationsofcarbonblack．Inthisthesis，liquidoxidantswereadoptedtooxidizecarbonblacksandpolymerizationgraftingofacrylicacidmonomerontocarbonblacksWasfirstlyachievedbyinitiatorunderultrasoniceffect．Sulfoni

7、cgroupwithstrongwater-adsorptionalsoWasfirstlyintroducedintograftedpolymers．IthasbeenfoundthatgraftingreactioncanoccuratroomtemperatureandoDmetoendinashortoftimeundertheeffectOfultrasonicwave．Thegraftingratiohasbeenalsoincreasedtosomedegrees．Thedispersionstabilityofcarbonbl

8、ackaRermodificationWasincreasedsignificantly．Bycomparisonofthesurfacepropertiesofc