王文君(中煤平朔鑫源有限責(zé)任公司，山西朔州 036000)

[摘要]文章簡(jiǎn)述了在白炭黑工業(yè)中發(fā)展表面改性技術(shù)的必要性，并重點(diǎn)綜述了表面改性技術(shù)的方法、常用改性劑及其改性機(jī)理，分析了改性白炭黑的市場(chǎng)應(yīng)用情況，提出了表面改性技術(shù)在白炭黑工業(yè)的發(fā)展方向。

[關(guān)鍵詞]白炭黑;表面改性;改性劑

[中圖分類號(hào)]TQ127.2        [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A       [文章編號(hào)]1007-1865(2013)16-0109-01

白炭黑以其特殊的表面結(jié)構(gòu)和顆粒形態(tài)而具有良好的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性和觸變性，現(xiàn)已成為橡膠、塑料、涂料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、造紙和日用化工諸多領(lǐng)域的重要的無(wú)機(jī)填料之一。表面改性處理后的白炭黑能改善膠接性和抗撕裂性，其性能明顯優(yōu)于普通炭黑。

1 ·白炭黑的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

白炭黑即沉淀二氧化硅，又名水合二氧化硅，分子式為SiO2·nH2O，是一種白色、無(wú)毒、無(wú)定形微細(xì)粉狀物。其細(xì)小微粒表面有不同的羥基存在，故顯示出親水性。紅外光譜研究證實(shí)，白炭黑粒子表面羥基有3 種類型，隔離羥基、相鄰羥基、硅氧基。白炭黑分子結(jié)構(gòu)中的-Si-O 活性與其所處的位置有關(guān)，處于結(jié)構(gòu)中心的-Si-O 鍵具有極性，結(jié)合能力大;處于微粒表面的-Si-O鍵活性大，能與其他分子發(fā)生力的結(jié)合作用。白炭黑表面的-Si-OH 基團(tuán)具有很強(qiáng)的活性，易于與其周圍離子鍵合而起到補(bǔ)強(qiáng)作用。

就化學(xué)組成而言，白炭黑表面的特點(diǎn)是有一層均勻的硅氧烷和硅烷醇基團(tuán)，這些基團(tuán)具有強(qiáng)烈的吸水性。硅烷醇易于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而使白炭黑表面比較容易被改性。這些特殊的結(jié)構(gòu)及理化特性，使白炭黑具有優(yōu)良的耐酸、耐堿、耐高溫和電絕緣性、吸收性、分散性、增稠性、觸變性及削光性等性能[1]。

2· 表面改性技術(shù)的必要性

由于白炭黑內(nèi)部的聚硅氧和外表面存在的活性硅醇基及其吸附水，使其呈親水性，在有機(jī)相中難以濕潤(rùn)和分散，而且，由于其表面存在羥基，表面能較大，聚集體總傾向于凝聚，因而產(chǎn)品的應(yīng)用性能受到影響。如在橡膠硫化系統(tǒng)里不能與聚合物很好地相容和分散，在涂料產(chǎn)品中容易引起凝聚沉淀，在輪胎中大量使用需要同時(shí)加入硅烷偶聯(lián)劑等等。改性白炭黑是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的新型精細(xì)無(wú)機(jī)材料，幾乎具有普通白炭黑的所有優(yōu)越性能，又由于其疏水性和特殊的表面結(jié)構(gòu)，應(yīng)用領(lǐng)域大大擴(kuò)展[2]。為此，需要對(duì)白炭黑進(jìn)行表面改性，以改善其應(yīng)用效果，提高產(chǎn)品的附加值，拓展產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

3· 表面改性技術(shù)

3.1 改性方法

白炭黑的表面改性是利用一定的化學(xué)物質(zhì)通過一定的工藝方法使白炭黑的表面羥基與化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，消除或減少其表面活性硅醇基的量，使產(chǎn)品由親水性變?yōu)槭杷?，以達(dá)到改變表面性質(zhì)的目的。

白炭黑表面改性有無(wú)機(jī)物改性和有機(jī)物改性。有機(jī)物改性是目前白炭黑表面改性的主要方法。

3.2 常用的改性劑及改性機(jī)理

一般來(lái)說，大部分能夠與表面硅醇基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的易揮發(fā)物質(zhì)均可作為白炭黑的改性劑。常用的改性劑大部分使用的是有機(jī)物質(zhì)，在特殊情況下才使用無(wú)機(jī)劑，如氫氟酸。常用的改性劑大致可分為五大類。

(1)鹵化硅烷類：常用二甲基二氯硅烷、三甲基氯硅烷。

(2)硅烷偶聯(lián)劑類：比如六甲基二硅氮烷。

(3)硅氮烷類：六甲基二硅胺烷。

(4)硅氧烷類有機(jī)硅化合物：2、4-二甲基聚環(huán)硅氧烷等。

(5)有機(jī)聚合物類：聚乙烯醇、聚乙烯蠟等。有機(jī)聚合物改性的沉淀法白炭黑是在二氧化硅表面進(jìn)行單體的聚合。首先表面活性劑吸附在二氧化硅表面加人溶劑化的有機(jī)單體在表面活性劑兩面發(fā)生原位聚合移去部分表面活性劑。改性用有機(jī)單體可選為異戊二烯、丁二烯、苯乙烯，改性聚合反應(yīng)可為均聚或共聚[3]。

4 ·改性白炭黑的應(yīng)用

4.1 在輪胎產(chǎn)品中的應(yīng)用

在輪胎中大量使用白炭黑是與配合使用硅烷偶聯(lián)劑分不開的，因而直接使用經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性的白炭黑，既可以提高白炭黑在膠料中的分散性，又能簡(jiǎn)便操作，有利于產(chǎn)品質(zhì)量控制。

4.2 在涂料產(chǎn)品中的應(yīng)用

白炭黑是涂料中常用的消光劑之一，它能使光線的反射變成散射，從而降低涂層表面的光澤度。應(yīng)用于涂料中的白炭黑必須與涂料有極好的配伍性，才不會(huì)影響涂料所固有的性能(分散性、透明度、色彩等。

4.3 在硅橡膠產(chǎn)品中的應(yīng)用

在硅橡膠中，白炭黑是有效的補(bǔ)強(qiáng)填料，通常使用氣相白炭黑補(bǔ)強(qiáng)的硅橡膠，物理機(jī)械性能遠(yuǎn)優(yōu)于沉淀白炭黑或其它填料，但價(jià)格昂貴，目前硅橡膠行業(yè)開始使用超細(xì)沉淀白炭黑替代氣相白炭黑。此時(shí)，如果直接加入適當(dāng)改性劑(有機(jī)鹵化硅烷、硅烷偶聯(lián)劑、硅氮烷、硅氧烷類有機(jī)硅化合物)表面處理的疏水白炭黑，可以根本消除結(jié)構(gòu)化效應(yīng)，并大大改善與硅橡膠表面的濕潤(rùn)性和分散性，提高膠料中補(bǔ)強(qiáng)填料用量，以達(dá)到提高硫化膠力學(xué)性能的目的[4]。

4.4 在粉末產(chǎn)品工業(yè)中的應(yīng)用

把表面改性后的疏水白炭黑添加到粉末產(chǎn)品(如干粉滅火劑、復(fù)印機(jī)顯影粉等)中，可以改善粉體的流動(dòng)性、分散性和噴霧性能，起到防結(jié)塊、均勻分散的作用[5]。

此外，白炭黑在飼料工業(yè)、肥料工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、微電子工業(yè)、航空航天工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、大規(guī)模集成電路、光纖光纜等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。

5· 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)普通沉淀法白炭黑近幾年發(fā)展較快，從產(chǎn)量到產(chǎn)品質(zhì)量上均有了較大的提高，但表面改性型專用白炭黑的研究與開發(fā)仍處于起步階段。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)其需求呈上升趨勢(shì)，據(jù)報(bào)導(dǎo)目前國(guó)內(nèi)改性型白炭黑的市場(chǎng)基本被德國(guó)Degussa、美國(guó)Cabot、Grace等公司占領(lǐng)。為了提高我國(guó)白炭黑改性技術(shù)的研究與開發(fā)水平，建議重視以下幾方面的工作：

(1)加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究。白炭黑的表面改性技涉及到白炭黑的制備技術(shù)和后處理技術(shù)等方面，應(yīng)重視白炭黑改性技術(shù)中相關(guān)的帶有共性的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，掌握其規(guī)律和變化。

(2)強(qiáng)化應(yīng)用研究與售后服務(wù)。白炭黑產(chǎn)品的開發(fā)特別是專用型產(chǎn)品的開發(fā)，要重視與應(yīng)用研究同時(shí)并重，并注意密切與用戶的關(guān)系，強(qiáng)化售后服務(wù)，以此改進(jìn)和提高白炭黑的研究水平。

(3)開發(fā)市場(chǎng)需求量大的專用型產(chǎn)品。目前，國(guó)內(nèi)高檔涂料中用的白炭黑消光劑幾乎都選用Grace 公司和Degussa 公司的經(jīng)有機(jī)表面改性的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品在質(zhì)量、品種和使用效果方面還有很大差距。

參考文獻(xiàn)

[1]王艷玲，王佼.白炭黑表面改性的研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2006：107-109.

[2]歐陽(yáng)兆輝.納米二氧化硅的改性及其在丁基橡膠中應(yīng)用研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2005.

[3]何凱，陳宏剛.聚乙二醇對(duì)碳酸化法白炭黑的表面改性研究[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2006，22(2)：181-184.

[4]孫云蓉，時(shí)志權(quán)，冒愛琴，等.納米白炭黑的表面改性及其在氯丁橡膠中的應(yīng)用[J].江蘇化工，2004，32(5)：36-41.

[5]陳云輝，李文芳，杜軍，等.納米SiO2 粉體新型表面活性劑復(fù)合改性工藝研究[J].表面技術(shù)，2006，35(5)：34-36.

(本文文獻(xiàn)格式：王文君.表面改性技術(shù)在白炭黑工業(yè)中的應(yīng)用[J].廣東化工，2013，40(16)：109)