Meningkatkan hidrofilisitas karbon hitam Partikel bubuk merupakan kunci untuk meningkatkan stabilitas dispersinya dalam air dan meningkatkan kompatibilitas dengan media polar. Hal ini krusial dalam bidang-bidang seperti pelapis, tinta, dan komposit karet.
Permukaan Kimia Modifikasi
Modifikasi Oksidasi
- Oksidasi fase gas:Perawatan ozon, oksigen, atau plasma digunakan untuk memasukkan gugus fungsi yang mengandung oksigen (seperti gugus karboksil dan hidroksil) ke dalam karbon hitam permukaan. Misalnya, perlakuan plasma oksigen secara signifikan meningkatkan kandungan oksigen di permukaan, mengurangi sudut kontak hingga di bawah 40°, dan meningkatkan stabilitas dispersi.
- Oksidasi fase cairZat pengoksidasi seperti asam nitrat dan hidrogen peroksida digunakan. Oksidasi asam nitrat (konsentrasi 10% pada suhu 70°C selama 3 jam) efektif menghilangkan zat organik pada permukaan dan meningkatkan sifat hidrofilisitas.
- Oksidasi anodik/Oksidasi plasmaMempercepat reaksi oksidasi dalam medan listrik, meningkatkan efisiensi lebih dari 30% dibandingkan metode tradisional. Namun, kontrol suhu diperlukan untuk mencegah oksidasi berlebih dan dekomposisi gugus yang mengandung oksigen.
Modifikasi Cangkok
- Pencangkokan asam poliakrilat: Pada pH=3, penggunaan inisiator amonium persulfat 0,5% selama 2 jam, stabilitas dispersi karbon hitam dalam air meningkat sebesar 50%.
- Kopolimer dengan gugus asam sulfonat (seperti natrium 2-akrilamido-2-metilpropanesulfonat): Memperkenalkan gugus hidrofilik yang kuat untuk meningkatkan dispersi melalui tolakan elektrostatik.
- Pencangkokan polimerisasi radikal bebas:Di bawah radiasi ultrasonik, polimer hidrofilik (seperti asam poliakrilat dan natrium polistirena sulfonat) dicangkokkan ke permukaan karbon hitam.
- Pencangkokan kopolimer seperti sisir: Menggunakan natrium polietenasulfonat (PSS) untuk diadsorpsi ke permukaan karbon hitam melalui konjugasi π-π, diikuti dengan penggilingan bola selama 12 jam. Dispersi karbon hitam yang dihasilkan stabil dan cocok untuk pencampuran karet basah.
Pelapis Fisik dan Dispersan Modifikasi
Polimer Lapisan
- Pelapisan polimerisasi mikroemulsiMisalnya, turunan polietilen glikol atau surfaktan anionik (seperti AKN-2290) digunakan untuk melapisi bubuk karbon hitam. Rasio massa karbon hitam terhadap surfaktan adalah 1:0,05–1, dan penggeseran berkecepatan tinggi membentuk lapisan hidrofilik.
- Pelapisan pemisah fase: Karbon hitam hidrofobik dilapisi dengan polimer hidrofilik (seperti polivinil alkohol) melalui perakitan antarmuka sendiri, membentuk struktur inti-kulit dengan efisiensi aktivasi >95%.
Aplikasi Dispersan
- Surfaktan anionik/non-ionikContohnya termasuk natrium dodesil sulfat dan seri-O (O-10 hingga O-35). Senyawa ini mengurangi tegangan permukaan karbon hitam, sehingga meningkatkan kemampuan basah.
- Agen penggandeng silana:Contoh seperti Si-69 (TESPT), biasanya digunakan untuk karbon hitam putih, memodifikasi bubuk karbon hitam dengan menggabungkan gugus hidrofobik dengan karbon hitam dan memaparkan gugus hidrofilik, meskipun proses ini lebih mahal.
Optimasi Proses dan Teknik Bantu
Mekanis-Bahan kimia Perlakuan
- Penggilingan bola pengaktifanPenggilingan bola karbon hitam dengan natrium polistirena sulfonat (PSS) selama 12 jam. Gaya mekanis memecah agregat sementara PSS meningkatkan hidrofilisitas melalui adsorpsi π-π. Metode ini ideal untuk komposit karet alam.
- Iradiasi ultrasonik: Mengurangi waktu reaksi pencangkokan sebesar 50%, menurunkan konsumsi energi, dan mencegah dekomposisi kelompok akibat panas berlebih.
Perawatan Plasma
- Perlakuan plasma oksigen dalam kondisi vakum meningkatkan gugus fungsi oksigen permukaan dalam waktu 5 menit, meningkatkan dispersi (nilai D) sebesar 30%, tanpa menghasilkan polutan.
Perakitan yang Diinduksi Garam
- Penambahan kation jejak (seperti Li⁺ atau Na⁺) meningkatkan afinitas antarmuka antara karbon hitam dan air melalui interaksi kation-π. Efek histeresis sudut kontaknya signifikan, sehingga cocok untuk sistem berbasis air.
Verifikasi Aplikasi dan Optimasi Performa
- Komposit Karet: Karbon hitam hidrofilik, bila digunakan dalam pencampuran lateks, meningkatkan kekuatan sobek sebesar 40% dan sangat meningkatkan keseragaman dispersi pengisi.
- Tinta/Pelapis Berbasis Air: Karbon hitam yang dicangkokkan dengan asam poliakrilat meningkatkan ukuran partikel stabilitas, mengurangi penyumbatan selama pencetakan inkjet.
- Pertimbangan Lingkungan: Sistem granulasi tertutup yang dikombinasikan dengan pemulihan gas buang mengurangi emisi debu lebih dari 90%.
Kesimpulan
Inti dari peningkatan hidrofilisitas bubuk karbon hitam terletak pada penambahan gugus fungsi polar dan peningkatan hambatan sterik. Untuk skenario berbiaya rendah, modifikasi oksidasi (oksidasi asam nitrat fase cair) atau pelapisan surfaktan lebih disukai. Untuk persyaratan kinerja tinggi, pencangkokan berbantuan ultrasonik dengan asam poliakrilat atau kopolimer tipe sisir, beserta penggilingan bola, sangat ideal. Untuk proses ramah lingkungan, perlakuan plasma oksigen yang dikombinasikan dengan agen penggandeng Si-69 memberikan efisiensi dan manfaat lingkungan.