Meningkatkan hidrofilik karbon hitam zarah serbuk adalah kunci untuk meningkatkan kestabilan penyebaran mereka dalam air dan meningkatkan keserasian dengan media polar. Ini penting dalam bidang seperti salutan, dakwat, dan komposit getah.
Kimia Permukaan Pengubahsuaian
Pengoksidaan Pengubahsuaian
- Pengoksidaan fasa gas: Ozone, oxygen, or plasma treatment is used to introduce oxygen-containing functional groups (such as carboxyl and hydroxyl groups) onto the carbon black surface. For example, oxygen plasma treatment significantly increases the oxygen content on the surface, reduces the contact angle to below 40°, and improves dispersion stability.
- Pengoksidaan fasa cecair: Agen pengoksidaan seperti asid nitrik dan hidrogen peroksida digunakan. Pengoksidaan asid nitrik (kepekatan 10% pada 70°C selama 3 jam) secara berkesan menyingkirkan bahan organik pada permukaan dan meningkatkan hidrofilik.
- Pengoksidaan anodik/Pengoksidaan plasma: Mempercepatkan tindak balas pengoksidaan dalam medan elektrik, meningkatkan kecekapan lebih daripada 30% berbanding kaedah tradisional. Walau bagaimanapun, kawalan suhu adalah perlu untuk mengelakkan pengoksidaan yang berlebihan dan penguraian kumpulan yang mengandungi oksigen.
Pengubahsuaian Cantuman
- Cantuman asid poliakrilik: Pada pH=3, menggunakan inisiator ammonium persulfate 0.5% selama 2 jam, kestabilan serakan karbon hitam dalam air bertambah baik sebanyak 50%.
- Kopolimer dengan kumpulan asid sulfonat (seperti natrium 2-akrilamida-2-metilpropanesulfonat): Memperkenalkan kumpulan hidrofilik yang kuat untuk meningkatkan penyebaran melalui tolakan elektrostatik.
- Cantuman pempolimeran radikal bebas: Di bawah sinaran ultrasonik, polimer hidrofilik (seperti asid poliakrilik dan natrium polistirena sulfonat) dicantumkan pada permukaan karbon hitam.
- Cantuman kopolimer seperti sikat: Menggunakan natrium polietilenasulfonat (PSS) untuk menjerap ke permukaan karbon hitam melalui konjugasi π-π, diikuti dengan pengilangan bebola selama 12 jam. Penyerakan karbon hitam yang terhasil adalah stabil dan sesuai untuk adunan basah getah.
Salutan Fizikal dan Penyebaran Pengubahsuaian
Polymer Coating
- Salutan pempolimeran mikroemulsi: Contohnya, derivatif polietilena glikol atau surfaktan anionik (seperti AKN-2290) digunakan untuk menyalut serbuk karbon hitam. Nisbah jisim karbon hitam kepada surfaktan ialah 1:0.05–1, dan ricih berkelajuan tinggi membentuk cangkerang hidrofilik.
- Salutan pemisahan fasa: Karbon hitam hidrofobik disalut dengan polimer hidrofilik (seperti polivinil alkohol) melalui pemasangan sendiri antara muka, membentuk struktur cangkerang teras dengan kecekapan pengaktifan >95%.
Aplikasi Dispersant
- Surfaktan anionik/bukan ionik: Contohnya termasuk natrium dodesil sulfat dan siri-O (O-10 hingga O-35). Ini mengurangkan ketegangan permukaan karbon hitam, meningkatkan kebolehbasahan.
- Ejen gandingan silane: Examples like Si-69 (TESPT), typically used for white carbon black, modify the carbon black powder by combining hydrophobic groups with the carbon black and exposing hydrophilic groups, though this process is more costly.
Pengoptimuman Proses dan Teknik Bantu
Mechanical-Chemical Treatment
- Pengilangan bola pengaktifan: Pengilangan bebola karbon hitam dengan natrium polistirena sulfonat (PSS) selama 12 jam. Daya mekanikal memecahkan agregat manakala PSS meningkatkan hidrofilik melalui penjerapan π-π. Kaedah ini sesuai untuk komposit getah asli.
- Penyinaran ultrasonik: Mengurangkan masa tindak balas cantuman sebanyak 50%, mengurangkan penggunaan tenaga, dan menghalang penguraian kumpulan akibat haba yang berlebihan.
Rawatan Plasma
- Rawatan plasma oksigen dalam keadaan vakum meningkatkan kumpulan berfungsi oksigen permukaan dalam masa 5 minit, meningkatkan serakan (nilai D) sebanyak 30%, tanpa penjanaan bahan pencemar.
Perhimpunan Teraruh Garam
- Menambah kation surih (seperti Li⁺ atau Na⁺) meningkatkan pertalian antara muka antara karbon hitam dan air melalui interaksi kation-π. Kesan histerisis sudut sentuhan adalah ketara, menjadikannya sesuai untuk sistem berasaskan air.
Pengesahan Aplikasi dan Pengoptimuman Prestasi
- Komposit Getah: Karbon hitam hidrofilik, apabila digunakan dalam pencampuran lateks, meningkatkan kekuatan koyakan sebanyak 40% dan sangat meningkatkan keseragaman penyebaran pengisi.
- Dakwat/Salutan berasaskan air: Carbon black grafted with polyacrylic acid improves particle size stability, reducing clogging during inkjet printing.
- Pertimbangan Alam Sekitar: Sistem granulasi tertutup digabungkan dengan pemulihan gas ekzos mengurangkan pelepasan habuk lebih 90%.
Kesimpulan
Teras untuk meningkatkan hidrofilik serbuk karbon hitam terletak pada memperkenalkan kumpulan berfungsi polar dan meningkatkan halangan sterik. Untuk senario kos rendah, pengubahsuaian pengoksidaan (pengoksidaan asid nitrik fasa cecair) atau salutan surfaktan adalah diutamakan. Untuk keperluan berprestasi tinggi, cantuman berbantu ultrasonik dengan asid poliakrilik atau kopolimer seperti sikat, bersama-sama dengan pengilangan bebola, adalah sesuai. Untuk proses hijau, rawatan plasma oksigen digabungkan dengan ejen gandingan Si-69 memberikan kedua-dua kecekapan dan faedah alam sekitar.