Aumentando a hidrofilicidade de negro de fumo A dispersão de partículas de pó é fundamental para melhorar sua estabilidade de dispersão em água e aumentar a compatibilidade com meios polares. Isso é crucial em áreas como revestimentos, tintas e compósitos de borracha.
Química de superfície Modificação
Modificação por Oxidação
- Oxidação em fase gasosa:O tratamento com ozônio, oxigênio ou plasma é usado para introduzir grupos funcionais contendo oxigênio (como grupos carboxila e hidroxila) no negro de fumo superfície. Por exemplo, o tratamento com plasma de oxigênio aumenta significativamente o teor de oxigênio na superfície, reduz o ângulo de contato para menos de 40° e melhora a estabilidade da dispersão.
- Oxidação em fase líquida: São utilizados agentes oxidantes como ácido nítrico e peróxido de hidrogênio. A oxidação com ácido nítrico (concentração de 10% a 70 °C por 3 horas) remove eficazmente as substâncias orgânicas da superfície e aumenta a hidrofilicidade.
- Oxidação anódica/Oxidação plasmática: Acelera reações de oxidação em um campo elétrico, aumentando a eficiência em mais de 30% em comparação aos métodos tradicionais. No entanto, o controle da temperatura é necessário para evitar oxidação e decomposição excessivas de grupos contendo oxigênio.
Modificação de Enxerto
- Enxerto de ácido poliacrílico: Em pH=3, usando iniciador de persulfato de amônio 0,5% por 2 horas, a estabilidade de dispersão do negro de fumo em água melhora em 50%.
- Copolímeros com grupos de ácido sulfônico (como 2-acrilamido-2-metilpropanossulfonato de sódio): Introduz grupos hidrofílicos fortes para melhorar a dispersão por meio de repulsão eletrostática.
- Enxerto de polimerização de radicais livres:Sob radiação ultrassônica, polímeros hidrofílicos (como ácido poliacrílico e poliestireno sulfonato de sódio) são enxertados na superfície do negro de fumo.
- Enxerto de copolímero tipo pente: Utiliza polietilenosulfonato de sódio (PSS) para adsorver na superfície do negro de fumo por meio de conjugação π-π, seguida de moagem por bolas de 12 horas. A dispersão de negro de fumo resultante é estável e adequada para mistura úmida de borracha.
Revestimento Físico e Dispersante Modificação
Polímero Revestimento
- Revestimento de polimerização por microemulsãoPor exemplo, derivados de polietilenoglicol ou surfactantes aniônicos (como AKN-2290) são usados para revestir o pó de negro de fumo. A proporção em massa de negro de fumo para surfactante é de 1:0,05-1, e o cisalhamento em alta velocidade forma uma camada hidrofílica.
- Revestimento de separação de fases: O negro de fumo hidrofóbico é revestido com polímeros hidrofílicos (como álcool polivinílico) por meio de automontagem de interface, formando uma estrutura núcleo-casca com eficiência de ativação >95%.
Aplicação de dispersante
- Surfactantes aniônicos/não iônicosExemplos incluem o dodecil sulfato de sódio e a série O (O-10 a O-35). Estes reduzem a tensão superficial do negro de fumo, melhorando a molhabilidade.
- Agentes de acoplamento de silano: Exemplos como Si-69 (TESPT), normalmente usado para negro de fumo branco, modificar o pó de negro de fumo combinando grupos hidrofóbicos com o negro de fumo e expondo grupos hidrofílicos, embora esse processo seja mais custoso.
Otimização de Processos e Técnicas Auxiliares
Mecânico-Químico Tratamento
- Moagem de bolas ativação: Moagem de negro de fumo com poliestireno sulfonato de sódio (PSS) por 12 horas. A força mecânica quebra os agregados, enquanto o PSS aumenta a hidrofilicidade por meio da adsorção π-π. Este método é ideal para compósitos de borracha natural.
- Irradiação ultrassônica: Reduz o tempo de reação de enxerto em 50%, diminui o consumo de energia e previne a decomposição do grupo devido ao calor excessivo.
Tratamento de Plasma
- O tratamento com plasma de oxigênio sob condições de vácuo aumenta os grupos funcionais de oxigênio da superfície em 5 minutos, aumentando a dispersão (valor D) em 30%, sem geração de poluentes.
Montagem induzida por sal
- A adição de cátions traços (como Li⁺ ou Na⁺) aumenta a afinidade da interface entre o negro de fumo e a água por meio de interações cátion-π. O efeito de histerese do ângulo de contato é significativo, tornando-o adequado para sistemas à base de água.
Verificação de aplicativos e otimização de desempenho
- Compósitos de borracha: O negro de fumo hidrofílico, quando usado na mistura de látex, melhora a resistência ao rasgo em 40% e aumenta muito a uniformidade da dispersão do enchimento.
- Tintas/Revestimentos à base de água: O negro de fumo enxertado com ácido poliacrílico melhora tamanho da partícula estabilidade, reduzindo entupimentos durante a impressão a jato de tinta.
- Considerações ambientais: Sistemas de granulação fechada combinados com recuperação de gases de escape reduzem as emissões de poeira em mais de 90%.
Conclusão
O cerne da melhoria da hidrofilicidade do pó de negro de fumo reside na introdução de grupos funcionais polares e no aumento do impedimento estérico. Para cenários de baixo custo, a modificação por oxidação (oxidação com ácido nítrico em fase líquida) ou o revestimento com surfactante são preferíveis. Para requisitos de alto desempenho, a enxertia assistida por ultrassom com ácido poliacrílico ou copolímeros tipo pente, juntamente com a moagem de esferas, é ideal. Para processos verdes, o tratamento com plasma de oxigênio combinado com agentes de acoplamento de Si-69 proporciona eficiência e benefícios ambientais.