วิธีเพิ่มคุณสมบัติชอบน้ำของอนุภาคผงคาร์บอนแบล็ก

การเพิ่มคุณสมบัติชอบน้ำของ คาร์บอนสีดำ อนุภาคผงเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงเสถียรภาพการกระจายตัวในน้ำและเพิ่มความเข้ากันได้กับสื่อที่มีขั้ว ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในสาขาต่างๆ เช่น สารเคลือบ หมึกพิมพ์ และวัสดุผสมยาง

สารเคมีพื้นผิว การปรับเปลี่ยน

การดัดแปลงออกซิเดชัน

• ออกซิเดชันในเฟสก๊าซ:การบำบัดด้วยโอโซน ออกซิเจน หรือพลาสมา ใช้เพื่อนำกลุ่มฟังก์ชันที่มีออกซิเจน (เช่น กลุ่มคาร์บอกซิลและไฮดรอกซิล) เข้าสู่ คาร์บอนสีดำ พื้นผิว ตัวอย่างเช่น การบำบัดด้วยพลาสมาออกซิเจนจะช่วยเพิ่มปริมาณออกซิเจนบนพื้นผิวอย่างมีนัยสำคัญ ลดมุมสัมผัสให้ต่ำกว่า 40° และปรับปรุงเสถียรภาพการกระจายตัว
• ออกซิเดชันในเฟสของเหลว:ใช้สารออกซิไดซ์ เช่น กรดไนตริกและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ การเกิดออกซิเดชันของกรดไนตริก (ความเข้มข้น 10% ที่อุณหภูมิ 70°C เป็นเวลา 3 ชั่วโมง) ช่วยขจัดสารอินทรีย์บนพื้นผิวได้อย่างมีประสิทธิภาพและเพิ่มคุณสมบัติการอุ้มน้ำ
• ออกซิเดชันแบบแอโนดิก/ออกซิเดชันแบบพลาสมา:เร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันในสนามไฟฟ้า เพิ่มประสิทธิภาพได้มากกว่า 30% เมื่อเทียบกับวิธีการดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม การควบคุมอุณหภูมิเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและการสลายตัวของหมู่ที่มีออกซิเจนมากเกินไป

การปรับเปลี่ยนการต่อกิ่ง

• การต่อกิ่งด้วยกรดโพลีอะคริลิก:ที่ pH = 3 เมื่อใช้ตัวเริ่มต้นแอมโมเนียมเพอร์ซัลเฟต 0.5% เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ความเสถียรของการกระจายตัวของคาร์บอนแบล็กในน้ำจะดีขึ้น 50%
• โคพอลิเมอร์ที่มีกลุ่มกรดซัลโฟนิก (เช่น โซเดียม 2-อะคริลามิโด-2-เมทิลโพรเพนซัลโฟเนต):แนะนำกลุ่มที่ชอบน้ำที่แข็งแกร่งเพื่อปรับปรุงการกระจายตัวผ่านการขับไล่ด้วยไฟฟ้าสถิต
• การปลูกถ่ายพอลิเมอไรเซชันอนุมูลอิสระ:ภายใต้รังสีอัลตราโซนิก โพลิเมอร์ที่ชอบน้ำ (เช่น กรดโพลีอะคริลิกและโซเดียมโพลีสไตรีนซัลโฟเนต) จะถูกต่อเข้ากับพื้นผิวคาร์บอนแบล็ก
• การต่อกิ่งโคพอลิเมอร์แบบหวี:ใช้โซเดียมโพลีเอทิลีนซัลโฟเนต (PSS) เพื่อดูดซับบนพื้นผิวคาร์บอนแบล็กผ่านกระบวนการคอนจูเกชัน π-π ตามด้วยการบดด้วยลูกบอลเป็นเวลา 12 ชั่วโมง การกระจายตัวของคาร์บอนแบล็กที่ได้มีความเสถียรและเหมาะสำหรับการผสมยางแบบเปียก

การเคลือบทางกายภาพและสารกระจายตัว การปรับเปลี่ยน

โพลิเมอร์ การเคลือบ

• การเคลือบพอลิเมอไรเซชันไมโครอิมัลชันตัวอย่างเช่น อนุพันธ์โพลีเอทิลีนไกลคอลหรือสารลดแรงตึงผิวประจุลบ (เช่น AKN-2290) ถูกนำมาใช้เพื่อเคลือบผงคาร์บอนแบล็ก อัตราส่วนมวลของคาร์บอนแบล็กต่อสารลดแรงตึงผิวคือ 1:0.05–1 และการเฉือนด้วยความเร็วสูงจะก่อให้เกิดเปลือกที่มีคุณสมบัติชอบน้ำ
• การเคลือบแยกเฟส:คาร์บอนแบล็กไฮโดรโฟบิกเคลือบด้วยโพลิเมอร์ที่ชอบน้ำ (เช่น โพลีไวนิลแอลกอฮอล์) โดยผ่านการประกอบตัวเองของอินเทอร์เฟซ ทำให้เกิดโครงสร้างแกน-เปลือกที่มีประสิทธิภาพในการกระตุ้นมากกว่า 95%

การใช้สารกระจายตัว

• สารลดแรงตึงผิวแบบแอนไอออนิก/ไม่ใช่ไอออนิกตัวอย่าง ได้แก่ โซเดียมโดเดซิลซัลเฟต และ O-series (O-10 ถึง O-35) สารเหล่านี้จะช่วยลดแรงตึงผิวของคาร์บอนแบล็ก และปรับปรุงความสามารถในการเปียก
• สารจับคู่ไซเลน:ตัวอย่างเช่น Si-69 (TESPT) ซึ่งโดยทั่วไปใช้สำหรับ สีขาวคาร์บอนสีดำปรับเปลี่ยนผงคาร์บอนแบล็กโดยการรวมกลุ่มไฮโดรโฟบิกกับคาร์บอนแบล็กและเปิดเผยกลุ่มไฮโดรฟิลิก แม้ว่ากระบวนการนี้จะมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าก็ตาม

การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและเทคนิคเสริม

เครื่องจักรกล-เคมี การรักษา

• การบดลูกบอล การเปิดใช้งาน:การบดคาร์บอนแบล็กด้วยลูกบอลด้วยโซเดียมโพลีสไตรีนซัลโฟเนต (PSS) เป็นเวลา 12 ชั่วโมง แรงทางกลจะสลายมวลรวม ขณะที่ PSS ช่วยเพิ่มคุณสมบัติชอบน้ำผ่านการดูดซับแบบ π-π วิธีนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุผสมยางธรรมชาติ
• การฉายรังสีอัลตราโซนิก:ลดเวลาตอบสนองการต่อกิ่งโดย 50% ลดการใช้พลังงาน และป้องกันการสลายตัวของกลุ่มเนื่องจากความร้อนที่มากเกินไป

การรักษาด้วยพลาสมา

• การบำบัดด้วยพลาสมาออกซิเจนภายใต้สภาวะสุญญากาศจะเพิ่มกลุ่มฟังก์ชันออกซิเจนบนพื้นผิวภายใน 5 นาที เพิ่มการกระจาย (ค่า D) เป็น 30% โดยไม่ก่อให้เกิดมลพิษ

การประกอบที่เกิดจากเกลือ

• การเติมแคตไอออนปริมาณน้อย (เช่น Li⁺ หรือ Na⁺) ช่วยเพิ่มความสัมพันธ์ระหว่างผิวสัมผัสระหว่างคาร์บอนแบล็กและน้ำผ่านปฏิกิริยาระหว่างแคตไอออนกับπ ปรากฏการณ์ฮิสเทอรีซิสของมุมสัมผัสมีนัยสำคัญ จึงเหมาะสำหรับระบบที่ใช้น้ำเป็นส่วนประกอบ

การตรวจสอบแอปพลิเคชันและการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน

• ยางคอมโพสิต:คาร์บอนแบล็กที่ชอบน้ำ เมื่อใช้ในการผสมลาเท็กซ์ จะช่วยปรับปรุงความแข็งแรงในการฉีกขาดได้ 40% และช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของการกระจายตัวของสารตัวเติมได้อย่างมาก
• หมึก/สารเคลือบบนน้ำ:คาร์บอนแบล็คที่ต่อกิ่งด้วยกรดโพลีอะคริลิกช่วยปรับปรุง ขนาดอนุภาค ความคงตัว ลดการอุดตันระหว่างการพิมพ์อิงค์เจ็ท
• การพิจารณาด้านสิ่งแวดล้อม:ระบบการทำเม็ดแบบปิดร่วมกับการกู้คืนก๊าซไอเสียช่วยลดการปล่อยฝุ่นละอองได้มากกว่า 90%

บทสรุป

หัวใจสำคัญของการปรับปรุงคุณสมบัติชอบน้ำของผงคาร์บอนแบล็กอยู่ที่การนำหมู่ฟังก์ชันที่มีขั้วมาใช้และเสริมการขัดขวางสเตอริก สำหรับกรณีที่มีต้นทุนต่ำ แนะนำให้ใช้การดัดแปลงออกซิเดชัน (ออกซิเดชันด้วยกรดไนตริกในเฟสของเหลว) หรือการเคลือบด้วยสารลดแรงตึงผิว สำหรับความต้องการประสิทธิภาพสูง การกราฟต์ด้วยคลื่นอัลตราโซนิกร่วมกับกรดโพลีอะคริลิกหรือโคพอลิเมอร์แบบหวี ร่วมกับการบดแบบลูกบอล ถือเป็นทางเลือกที่เหมาะสมที่สุด สำหรับกระบวนการสีเขียว การบำบัดด้วยพลาสมาออกซิเจนร่วมกับสารจับคู่ Si-69 จะให้ประโยชน์ทั้งด้านประสิทธิภาพและสิ่งแวดล้อม