Tăng cường tính ưa nước của muội than Các hạt bột đóng vai trò then chốt trong việc cải thiện độ ổn định phân tán của chúng trong nước và tăng khả năng tương thích với môi trường phân cực. Điều này rất quan trọng trong các lĩnh vực như sơn phủ, mực in và vật liệu composite cao su.
Hóa chất bề mặt Sửa đổi
Biến đổi oxy hóa
- Quá trình oxy hóa pha khí: Xử lý bằng ozone, oxy hoặc plasma được sử dụng để đưa các nhóm chức năng chứa oxy (như nhóm carboxyl và hydroxyl) vào muội than bề mặt. Ví dụ, xử lý plasma oxy làm tăng đáng kể hàm lượng oxy trên bề mặt, giảm góc tiếp xúc xuống dưới 40° và cải thiện độ ổn định phân tán.
- Quá trình oxy hóa pha lỏng: Sử dụng các chất oxy hóa như axit nitric và hydro peroxide. Quá trình oxy hóa axit nitric (nồng độ 10% ở 70°C trong 3 giờ) loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ trên bề mặt và tăng cường tính ưa nước.
- Oxy hóa anốt/Oxy hóa plasma: Tăng tốc phản ứng oxy hóa trong điện trường, tăng hiệu suất hơn 30% so với các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, cần kiểm soát nhiệt độ để ngăn ngừa quá trình oxy hóa và phân hủy quá mức các nhóm chứa oxy.
Sửa đổi ghép
- Ghép axit polyacrylic: Ở pH = 3, sử dụng chất khởi tạo amoni persunfat 0,5% trong 2 giờ, độ ổn định phân tán của muội than trong nước được cải thiện 50%.
- Đồng trùng hợp với nhóm axit sulfonic (như natri 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonate): Giới thiệu các nhóm ưa nước mạnh để tăng cường sự phân tán thông qua lực đẩy tĩnh điện.
- Ghép trùng hợp gốc tự do:Dưới bức xạ siêu âm, các polyme ưa nước (như axit polyacrylic và natri polystyren sulfonat) được ghép vào bề mặt cacbon đen.
- Ghép copolymer dạng lược: Sử dụng natri polyethenesulfonat (PSS) để hấp phụ lên bề mặt than đen thông qua liên hợp π-π, sau đó nghiền bi trong 12 giờ. Phân tán than đen thu được ổn định và phù hợp để trộn ướt cao su.
Lớp phủ vật lý và chất phân tán Sửa đổi
Polyme Lớp phủ
- Lớp phủ trùng hợp nhũ tương vi môVí dụ, các dẫn xuất polyethylene glycol hoặc chất hoạt động bề mặt anion (như AKN-2290) được sử dụng để phủ bột than đen. Tỷ lệ khối lượng than đen so với chất hoạt động bề mặt là 1:0,05–1, và quá trình cắt tốc độ cao tạo thành lớp vỏ ưa nước.
- Lớp phủ tách pha: Carbon đen kỵ nước được phủ bằng polyme ưa nước (như polyvinyl alcohol) thông qua quá trình tự lắp ráp giao diện, tạo thành cấu trúc lõi-vỏ với hiệu suất hoạt hóa >95%.
Ứng dụng phân tán
- Chất hoạt động bề mặt anion/không ion: Ví dụ bao gồm natri dodecyl sulfat và nhóm O (O-10 đến O-35). Chúng làm giảm sức căng bề mặt của muội than, cải thiện khả năng thấm ướt.
- Chất kết hợp silane: Ví dụ như Si-69 (TESPT), thường được sử dụng cho cacbon đen trắng, biến đổi bột cacbon đen bằng cách kết hợp các nhóm kỵ nước với cacbon đen và để lộ các nhóm ưa nước, mặc dù quá trình này tốn kém hơn.
Tối ưu hóa quy trình và các kỹ thuật phụ trợ
Cơ khí-Hóa chất Sự đối đãi
- Nghiền bi kích hoạt: Nghiền bi than đen với natri polystyren sulfonat (PSS) trong 12 giờ. Lực cơ học phá vỡ các cốt liệu trong khi PSS tăng cường tính ưa nước thông qua hấp phụ π-π. Phương pháp này lý tưởng cho vật liệu composite cao su thiên nhiên.
- Chiếu xạ siêu âm: Giảm thời gian phản ứng ghép 50%, giảm mức tiêu thụ năng lượng và ngăn ngừa sự phân hủy nhóm do nhiệt độ quá cao.
Điều trị bằng huyết tương
- Xử lý plasma oxy trong điều kiện chân không làm tăng các nhóm chức oxy bề mặt trong vòng 5 phút, tăng cường độ phân tán (giá trị D) lên 30% mà không tạo ra chất gây ô nhiễm.
Lắp ráp do muối gây ra
- Việc bổ sung các cation vết (như Li⁺ hoặc Na⁺) giúp tăng cường ái lực giao diện giữa than đen và nước thông qua tương tác cation-π. Hiệu ứng trễ góc tiếp xúc rất đáng kể, khiến nó phù hợp với các hệ thống gốc nước.
Xác minh ứng dụng và tối ưu hóa hiệu suất
- Vật liệu tổng hợp cao su: Carbon đen ưa nước, khi được sử dụng trong quá trình trộn mủ cao su, sẽ cải thiện độ bền xé lên 40% và tăng cường đáng kể tính đồng nhất của chất độn phân tán.
- Mực/Lớp phủ gốc nước: Carbon đen ghép với axit polyacrylic cải thiện kích thước hạt ổn định, giảm tắc nghẽn trong quá trình in phun.
- Những cân nhắc về môi trường: Hệ thống tạo hạt kín kết hợp với thu hồi khí thải giúp giảm lượng bụi thải ra hơn 90%.
Phần kết luận
Cốt lõi của việc cải thiện tính ưa nước của bột than đen nằm ở việc đưa vào các nhóm chức phân cực và tăng cường khả năng cản trở không gian. Đối với các trường hợp chi phí thấp, phương pháp biến tính oxy hóa (oxy hóa axit nitric pha lỏng) hoặc phủ chất hoạt động bề mặt được ưu tiên. Đối với các yêu cầu hiệu suất cao, ghép hỗ trợ siêu âm với axit polyacrylic hoặc copolymer dạng lược, cùng với phương pháp nghiền bi, là lý tưởng. Đối với các quy trình xanh, xử lý plasma oxy kết hợp với chất liên kết Si-69 mang lại cả hiệu quả và lợi ích về môi trường.