Migliorare l'idrofilia di nero di carbonio Le particelle di polvere sono fondamentali per migliorare la loro stabilità di dispersione in acqua e aumentare la compatibilità con i mezzi polari. Questo è fondamentale in settori come rivestimenti, inchiostri e compositi in gomma.
Chimica di superficie Modifica
Modificazione dell'ossidazione
- Ossidazione in fase gassosa: Il trattamento con ozono, ossigeno o plasma viene utilizzato per introdurre gruppi funzionali contenenti ossigeno (come gruppi carbossilici e idrossilici) sul nero di carbonio superficie. Ad esempio, il trattamento al plasma di ossigeno aumenta significativamente il contenuto di ossigeno sulla superficie, riduce l'angolo di contatto al di sotto di 40° e migliora la stabilità della dispersione.
- Ossidazione in fase liquida: Vengono utilizzati agenti ossidanti come l'acido nitrico e il perossido di idrogeno. L'ossidazione con acido nitrico (concentrazione di 10% a 70°C per 3 ore) rimuove efficacemente le sostanze organiche dalla superficie e migliora l'idrofilia.
- Ossidazione anodica/Ossidazione al plasma: Accelera le reazioni di ossidazione in un campo elettrico, aumentando l'efficienza di oltre 30% rispetto ai metodi tradizionali. Tuttavia, il controllo della temperatura è necessario per prevenire un'eccessiva ossidazione e decomposizione dei gruppi contenenti ossigeno.
Modifica dell'innesto
- Innesto con acido poliacrilico: A pH=3, utilizzando come iniziatore persolfato di ammonio 0,5% per 2 ore, la stabilità della dispersione del nero di carbonio in acqua migliora di 50%.
- Copolimeri con gruppi di acido solfonico (come il sodio 2-acrilamido-2-metilpropansolfonato): Introduce forti gruppi idrofili per migliorare la dispersione tramite repulsione elettrostatica.
- Innesto per polimerizzazione radicalica: Sotto l'azione di radiazioni ultrasoniche, i polimeri idrofili (come l'acido poliacrilico e il polistirene solfonato di sodio) vengono innestati sulla superficie del nero di carbonio.
- Innesto di copolimero a pettine: Utilizza polietenesolfonato di sodio (PSS) per adsorbire sulla superficie del nero di carbonio tramite coniugazione π-π, seguita da macinazione a sfere per 12 ore. La dispersione di nero di carbonio risultante è stabile e adatta alla miscelazione a umido della gomma.
Rivestimento fisico e disperdente Modifica
Polimero Rivestimento
- Rivestimento polimerizzato in microemulsione: Ad esempio, per rivestire la polvere di nerofumo vengono utilizzati derivati del polietilenglicole o tensioattivi anionici (come l'AKN-2290). Il rapporto in massa tra nerofumo e tensioattivo è di 1:0,05–1 e il taglio ad alta velocità forma un guscio idrofilo.
- Rivestimento di separazione di fase: Il nero di carbonio idrofobico viene rivestito con polimeri idrofili (come l'alcol polivinilico) tramite autoassemblaggio dell'interfaccia, formando una struttura nucleo-guscio con efficienza di attivazione >95%.
Applicazione disperdente
- Tensioattivi anionici/non ionici: Alcuni esempi includono il sodio dodecil solfato e la serie O (da O-10 a O-35). Questi riducono la tensione superficiale del nero di carbonio, migliorandone la bagnabilità.
- Agenti accoppianti silanici: Esempi come Si-69 (TESPT), tipicamente utilizzato per bianco carbone nero, modificare la polvere di nerofumo combinando gruppi idrofobici con il nerofumo ed esponendo gruppi idrofili, sebbene questo processo sia più costoso.
Ottimizzazione dei processi e tecniche ausiliarie
Meccanico-Chimico Trattamento
- Molatura a sfere attivazione: Mulino a sfere con polistirene sulfonato di sodio (PSS) per 12 ore. La forza meccanica scompone gli aggregati, mentre il PSS ne migliora l'idrofilia attraverso l'adsorbimento π-π. Questo metodo è ideale per i compositi di gomma naturale.
- irradiazione ultrasonica: Riduce il tempo di reazione dell'innesto di 50%, diminuisce il consumo di energia e previene la decomposizione del gruppo dovuta al calore eccessivo.
Trattamento al plasma
- Il trattamento al plasma di ossigeno in condizioni di vuoto aumenta i gruppi funzionali dell'ossigeno superficiale entro 5 minuti, migliorando la dispersione (valore D) di 30%, senza generare inquinanti.
Assemblaggio indotto dal sale
- L'aggiunta di cationi in tracce (come Li⁺ o Na⁺) aumenta l'affinità di interfaccia tra il nerofumo e l'acqua attraverso interazioni catione-π. L'effetto di isteresi dell'angolo di contatto è significativo, rendendolo adatto ai sistemi a base d'acqua.
Verifica delle applicazioni e ottimizzazione delle prestazioni
- Compositi di gomma: Il nero di carbonio idrofilo, se utilizzato nella miscelazione del lattice, migliora la resistenza allo strappo del 40% e aumenta notevolmente l'uniformità della dispersione del riempitivo.
- Inchiostri/rivestimenti a base d'acqua: Il nero di carbonio innestato con acido poliacrilico migliora dimensione delle particelle stabilità, riducendo l'intasamento durante la stampa a getto d'inchiostro.
- Considerazioni ambientali: I sistemi di granulazione chiusi abbinati al recupero dei gas di scarico riducono le emissioni di polvere di oltre 90%.
Conclusione
Il fulcro del miglioramento dell'idrofilia della polvere di nerofumo risiede nell'introduzione di gruppi funzionali polari e nell'aumento dell'ingombro sterico. Per scenari a basso costo, si preferisce la modificazione per ossidazione (ossidazione con acido nitrico in fase liquida) o il rivestimento con tensioattivi. Per requisiti ad alte prestazioni, l'ideale è l'innesto assistito da ultrasuoni con acido poliacrilico o copolimeri a pettine, insieme alla macinazione a sfere. Per i processi green, il trattamento al plasma di ossigeno combinato con agenti accoppianti Si-69 offre sia efficienza che vantaggi ambientali.