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白炭黑為什么要進行表面改性？有哪些方法？效果如何評價？

來源：中國粉體技術網更新時間：2021-03-15 14:28:39 瀏覽次數：

白炭黑即水合二氧化硅，是橡膠工業中非常重要的補強劑，目前市場上主要是采用沉淀法進行生產。白炭黑一次粒子粒徑在30~50nm，呈近似球形，粒子之間有接觸，一次粒子通過范德華力形成聚集體，聚集體之間相互連接形成附聚體，一次粒子表面豐富的氫鍵是其易于團聚的主要原因。

1、白炭黑為什么要進行表面改性？
由于這種特殊的物理化學結構，普通白炭黑粒子在形成聚集體時易產生表面大量吸附水分子、分子間易發生二次聚集、比表面積過大等問題，從而影響其工業應用的效果，具體表現為：
（1）表面呈親水性
由于白炭黑聚集體表面含有大量極性的羥基，會對外界水分子產生極強的吸附作用，使其表面吸附大量水分子。在橡膠制品加工過程中白炭黑粒子表面吸附的大量水分子在混煉膠硫化時會使混煉膠體出現氣泡和空洞從而影響膠體的性能。同時，橡膠制品表面一般不具有極性，而白炭黑表面含有大量的極性羥基，導致兩者的相容性較差，從而影響白炭黑的補強效果。
（2）分散性差
白炭黑的結構是鏈枝狀聚集體，沉淀法生產出的普通白炭黑在形成聚集體時易發生二次聚集且結構不易被破壞。相比于氣相法制備的白炭黑粒子，沉淀法生產的普通白炭黑粒子在聚集時經常交聯成一個整體，從而導致白炭黑粒子的分散性變差。作為工業補強劑使用時，分散性較差不利于白炭黑與補強基體結合，會降低其補強效果。
（3）比表面積過大
白炭黑粒子粒徑較小比表面積大，雖然較大的比表面積在橡膠補強過程中通常起促進作用，但過大的比表面積會增強白炭黑粒子間內聚力，導致其在橡膠基體中不易分散，且在橡膠制品的加工過程中容易產生吸附大量促進劑、延遲硫化時間、產生過高的熱量、燒焦基體等問題。

因此，白炭黑在工業應用前大多需要進行改性處理，以提高其工業應用性能。

2、白炭黑表面改性方法有哪些？
化學改性法具有穩定性高、易于控制、產品性能好等特點，是目前白炭黑改性研究及工業應用的主要方向，主要包括：表面接枝改性、偶聯劑改性、離子液改性、大分子界面改性及并用改性等。

（1）表面接枝改性
表面接枝改性法的原理是通過化學接枝法在白炭黑的表面接枝與基體聚合物（如橡膠）性質相同的大分子聚合物，一方面能夠增強粒子與基體之間的作用力并改變粒子表面的極性，另一方面也能提高白炭黑自身的分散性。
表面接枝法根據接枝的方法不同可分為“Graftingfrom”（主鏈接枝法）和“Graftingto”（接枝到主鏈法），前者可以精準的控制接枝的分子量和接枝密度，但后期位阻大，接枝的分子量較??；后者能夠接枝較高分子量的分子鏈且位阻效應相對較低但條件較為苛刻。

（2）偶聯劑改性
偶聯劑改性的原理是利用偶聯劑上的部分官能基團與白炭黑表面的羥基發生化學反應，以此改變白炭黑表面的基團結構和分布來提高與基體的相容性以及自身的分散性。

偶聯劑改性具有改性效果好、反應可控性高等優點，是目前應用最廣的改性方法之一。目前使用較為廣泛的偶聯劑有硅烷偶聯劑、硅氧烷偶聯劑和硅氮烷偶聯劑等。在實際應用中偶聯劑改性的主要工藝分為混合反應、冷卻分離、重復洗滌和沉淀四個步驟。

（3）離子液改性
離子液體也稱室溫離子液體，是由有機陽離子與有機或無機陰離子構成，在100℃以下呈液態的熔鹽。離子液改性是采用離子液體改性劑代替傳統的有機相改性劑來改性白炭黑，離子液相較于傳統有機相改性劑具有室溫下呈液態、導電性強、穩定性高和溶解性好等優勢，且其不揮發、不易產生污染，更加符合綠色生產的要求。

離子液改性工藝流程較為簡單，在白炭黑和離子液的混合體系中加入一定量的無水乙醇后再放入恒溫水浴箱中反應，待反應充分后干燥即可得到改性白炭黑。
（4）大分子界面改性
大分子界面改性所用的改性劑是一種含有極性基團的大分子聚合物，在與白炭黑粒子的改性反應過程中，大分子界面改性劑的分子主鏈能夠在引入較多極性環氧基團的同時保持基本的主鏈結構，以此提高白炭黑粒子與基體之間的相容性，達到較好的界面改性效果。
（5）并用改性
炭黑和白炭黑都是橡膠工業良好的補強劑，其中炭黑是橡膠工業最常用的補強劑之一，炭黑的特殊結構可以增強橡膠材料的拉伸和撕裂強度并改善其耐磨、耐寒等性能；而白炭黑作為補強劑可以顯著提高橡膠制品的滾動阻力和抗濕滑性等，但其單獨使用效果不如炭黑。
大量研究表明，炭黑和白炭黑并用作為補強劑可以結合二者優勢提高橡膠制品的整體性能。

3、白炭黑表面改性效果如何評價？
白炭黑經過改性處理后，其工業應用性能大幅提升，可采用DBP值、接觸角、粒徑范圍等參數對其改性效果進行衡量。