¿Cómo mejorar la hidrofilicidad de las partículas de polvo de negro de carbón?

Mejorar la hidrofilicidad de negro carbón Las partículas de polvo son clave para mejorar su estabilidad de dispersión en agua y aumentar su compatibilidad con medios polares. Esto es crucial en campos como recubrimientos, tintas y compuestos de caucho.

Superficie química Modificación

Modificación de oxidación

• Oxidación en fase gaseosa:El tratamiento con ozono, oxígeno o plasma se utiliza para introducir grupos funcionales que contienen oxígeno (como grupos carboxilo e hidroxilo) en el negro carbón Superficie. Por ejemplo, el tratamiento con plasma de oxígeno aumenta significativamente el contenido de oxígeno en la superficie, reduce el ángulo de contacto por debajo de 40° y mejora la estabilidad de la dispersión.
• Oxidación en fase líquidaSe utilizan agentes oxidantes como el ácido nítrico y el peróxido de hidrógeno. La oxidación con ácido nítrico (concentración de 10⁻TP₃T a 70 °C durante 3 horas) elimina eficazmente las sustancias orgánicas de la superficie y mejora la hidrofilicidad.
• Oxidación anódica/Oxidación plasmáticaAcelera las reacciones de oxidación en un campo eléctrico, aumentando la eficiencia en más de 30% en comparación con los métodos tradicionales. Sin embargo, es necesario controlar la temperatura para evitar la oxidación excesiva y la descomposición de los grupos que contienen oxígeno.

Modificación del injerto

• Injerto de ácido poliacrílico:A pH=3, utilizando iniciador de persulfato de amonio 0,5% durante 2 horas, la estabilidad de la dispersión del negro de humo en agua mejora en 50%.
• Copolímeros con grupos de ácido sulfónico (como el 2-acrilamido-2-metilpropanosulfonato de sodio):Introduce grupos hidrófilos fuertes para mejorar la dispersión a través de la repulsión electrostática.
• Injerto de polimerización por radicales libres:Bajo radiación ultrasónica, se injertan polímeros hidrófilos (como ácido poliacrílico y poliestireno sulfonato de sodio) sobre la superficie del negro de carbón.
• Injerto de copolímero en forma de peineUtiliza polietenosulfonato de sodio (PSS) para adsorberse sobre la superficie del negro de humo mediante conjugación π-π, seguida de un proceso de molienda de bolas de 12 horas. La dispersión de negro de humo resultante es estable y apta para la mezcla húmeda de caucho.

Recubrimiento físico y dispersante Modificación

Polímero Revestimiento

• Recubrimiento de polimerización por microemulsiónPor ejemplo, se utilizan derivados de polietilenglicol o surfactantes aniónicos (como AKN-2290) para recubrir el polvo de negro de humo. La relación másica entre el negro de humo y el surfactante es de 1:0,05-1, y el cizallamiento a alta velocidad forma una capa hidrófila.
• Recubrimiento de separación de fasesEl negro de carbón hidrófobo está recubierto con polímeros hidrófilos (como el alcohol polivinílico) a través del autoensamblaje de la interfaz, formando una estructura de núcleo-capa con una eficiencia de activación >95%.

Aplicación de dispersantes

• Tensioactivos aniónicos/no iónicosAlgunos ejemplos son el dodecilsulfato de sodio y los de la serie O (O-10 a O-35). Estos reducen la tensión superficial del negro de humo, mejorando así su humectabilidad.
• Agentes de acoplamiento de silano:Ejemplos como Si-69 (TESPT), normalmente utilizado para negro de carbón blanco, modificar el polvo de negro de carbón combinando grupos hidrófobos con el negro de carbón y exponiendo grupos hidrófilos, aunque este proceso es más costoso.

Optimización de procesos y técnicas auxiliares

Mecánico-Químico Tratamiento

• Molienda de bolas activaciónMolienda de negro de humo con poliestireno sulfonato de sodio (PSS) durante 12 horas. La fuerza mecánica descompone los agregados, mientras que el PSS mejora la hidrofilicidad mediante adsorción π-π. Este método es ideal para compuestos de caucho natural.
• Irradiación ultrasónica:Reduce el tiempo de reacción del injerto en 50%, reduce el consumo de energía y evita la descomposición del grupo debido al calor excesivo.

Tratamiento con plasma

• El tratamiento con plasma de oxígeno en condiciones de vacío aumenta los grupos funcionales de oxígeno de la superficie en 5 minutos, mejorando la dispersión (valor D) en 30%, sin generación de contaminantes.

Ensamblaje inducido por sal

• La adición de trazas de cationes (como Li⁺ o Na⁺) mejora la afinidad de la interfaz entre el negro de humo y el agua mediante interacciones catión-π. El efecto de histéresis del ángulo de contacto es significativo, lo que lo hace adecuado para sistemas a base de agua.

Verificación de aplicaciones y optimización del rendimiento

• Compuestos de cauchoEl negro de carbón hidrófilo, cuando se usa en la mezcla de látex, mejora la resistencia al desgarro en 40% y mejora en gran medida la uniformidad de la dispersión del relleno.
• Tintas/recubrimientos a base de agua:El negro de carbón injertado con ácido poliacrílico mejora tamaño de partícula estabilidad, reduciendo las obstrucciones durante la impresión por inyección de tinta.
• Consideraciones ambientales:Los sistemas de granulación cerrados combinados con recuperación de gases de escape reducen las emisiones de polvo en más de 90%.

Conclusión

La clave para mejorar la hidrofilicidad del polvo de negro de humo reside en la introducción de grupos funcionales polares y el aumento del impedimento estérico. Para escenarios de bajo costo, se prefiere la modificación por oxidación (oxidación con ácido nítrico en fase líquida) o el recubrimiento con surfactante. Para requisitos de alto rendimiento, el injerto asistido por ultrasonidos con ácido poliacrílico o copolímeros tipo peine, junto con la molienda de bolas, es ideal. Para procesos verdes, el tratamiento con plasma de oxígeno combinado con agentes de acoplamiento Si-69 ofrece beneficios tanto en eficiencia como ambientales.