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(yi)次粒(li)(li)子(zi)粒(li)(li)徑(jing)在(zai)30~50nm，呈近似(si)球形，粒(li)(li)子(zi)之(zhi)間有接(jie)觸，一(yi)次粒(li)(li)子(zi)通(tong)過范(fan)德華力形成聚(ju)(ju)集體(ti)，聚(ju)(ju)集體(ti)之(zhi)間相互(hu)連接(jie)形成附聚(ju)(ju)體(ti)，一(yi)次粒(li)(li)子(zi)表面豐(feng)富的氫鍵是其易于(yu)團聚(ju)(ju)的主(zhu)要原(yuan)因。

　　1、白炭黑為什么要進行表面改性？

　　由于(yu)這種特殊的(de)物理化學結構，普通(tong)白炭黑(hei)粒子(zi)在形成聚集體(ti)時易產生表面大量(liang)吸附水(shui)分子(zi)、分子(zi)間易發生二次聚集、比表面積過大等(deng)問題(ti)，從而影響其工業應用的(de)效果，具(ju)體(ti)表現(xian)為：

　　（1）表面呈親水性

　　由于白炭(tan)(tan)黑(hei)聚集體表(biao)面(mian)含有大(da)量(liang)極性(xing)的(de)(de)(de)羥基，會對外界水分子產生極強(qiang)的(de)(de)(de)吸(xi)附作用，使其表(biao)面(mian)吸(xi)附大(da)量(liang)水分子。在橡膠(jiao)(jiao)制品加工過程中(zhong)白炭(tan)(tan)黑(hei)粒子表(biao)面(mian)吸(xi)附的(de)(de)(de)大(da)量(liang)水分子在混(hun)煉膠(jiao)(jiao)硫化時(shi)會使混(hun)煉膠(jiao)(jiao)體出現氣泡和(he)空洞從(cong)而影響(xiang)膠(jiao)(jiao)體的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)。同時(shi)，橡膠(jiao)(jiao)制品表(biao)面(mian)一般不具有極性(xing)，而白炭(tan)(tan)黑(hei)表(biao)面(mian)含有大(da)量(liang)的(de)(de)(de)極性(xing)羥基，導致(zhi)兩者的(de)(de)(de)相容性(xing)較差，從(cong)而影響(xiang)白炭(tan)(tan)黑(hei)的(de)(de)(de)補強(qiang)效果(guo)。

　　（2）分散性差

　　白(bai)炭黑(hei)的(de)結(jie)(jie)構是鏈枝(zhi)狀聚集(ji)體(ti)，沉淀法生產(chan)出的(de)普通(tong)白(bai)炭黑(hei)在(zai)形成(cheng)聚集(ji)體(ti)時(shi)易發生二次聚集(ji)且(qie)結(jie)(jie)構不易被(bei)破壞。相(xiang)比于(yu)氣(qi)相(xiang)法制備的(de)白(bai)炭黑(hei)粒子，沉淀法生產(chan)的(de)普通(tong)白(bai)炭黑(hei)粒子在(zai)聚集(ji)時(shi)經常交聯成(cheng)一個整體(ti)，從而導(dao)致白(bai)炭黑(hei)粒子的(de)分(fen)散性變差。作為(wei)工業補強(qiang)劑使用時(shi)，分(fen)散性較差不利于(yu)白(bai)炭黑(hei)與補強(qiang)基體(ti)結(jie)(jie)合，會降低其補強(qiang)效(xiao)果。

　　（3）比表面積過大

　　白炭黑(hei)粒子粒徑較小比表(biao)面積大(da)，雖然較大(da)的比表(biao)面積在(zai)橡膠(jiao)補強過(guo)程中(zhong)(zhong)通常起促(cu)進(jin)作用，但過(guo)大(da)的比表(biao)面積會(hui)增強白炭黑(hei)粒子間內聚力，導致其在(zai)橡膠(jiao)基體(ti)(ti)中(zhong)(zhong)不(bu)易分散(san)，且在(zai)橡膠(jiao)制品的加工(gong)過(guo)程中(zhong)(zhong)容(rong)易產(chan)生吸附大(da)量(liang)促(cu)進(jin)劑、延(yan)遲硫(liu)化時間、產(chan)生過(guo)高的熱量(liang)、燒焦基體(ti)(ti)等問(wen)題。

　　因此(ci)，白炭黑(hei)在工(gong)業(ye)應(ying)用前(qian)大(da)多需要(yao)進行改性處理，以提高(gao)其工(gong)業(ye)應(ying)用性能(neng)。

　　2、白炭黑表面改性方法有哪些？

　　化學(xue)改性(xing)(xing)法具有(you)穩定性(xing)(xing)高(gao)、易于控制、產品性(xing)(xing)能好等(deng)特點，是目前白炭黑改性(xing)(xing)研究及(ji)工業應用的主(zhu)要方向，主(zhu)要包(bao)括：表面接枝改性(xing)(xing)、偶(ou)聯劑(ji)改性(xing)(xing)、離子液改性(xing)(xing)、大分子界面改性(xing)(xing)及(ji)并用改性(xing)(xing)等(deng)。

　　（1）表面接枝改性

　　表面(mian)(mian)接枝(zhi)改性(xing)法的(de)(de)原理是通過化學接枝(zhi)法在白炭黑的(de)(de)表面(mian)(mian)接枝(zhi)與基體(ti)聚合(he)物（如橡(xiang)膠）性(xing)質相同的(de)(de)大分(fen)(fen)子聚合(he)物，一(yi)方面(mian)(mian)能夠增強粒子與基體(ti)之間的(de)(de)作(zuo)用力并改變粒子表面(mian)(mian)的(de)(de)極(ji)性(xing)，另一(yi)方面(mian)(mian)也(ye)能提高白炭黑自身的(de)(de)分(fen)(fen)散性(xing)。

　　表面接(jie)(jie)枝(zhi)(zhi)法(fa)(fa)根據(ju)接(jie)(jie)枝(zhi)(zhi)的(de)方法(fa)(fa)不同可分(fen)為(wei)“Graftingfrom”（主鏈(lian)接(jie)(jie)枝(zhi)(zhi)法(fa)(fa)）和(he)“Graftingto”（接(jie)(jie)枝(zhi)(zhi)到主鏈(lian)法(fa)(fa)），前者可以精準(zhun)的(de)控制接(jie)(jie)枝(zhi)(zhi)的(de)分(fen)子(zi)量和(he)接(jie)(jie)枝(zhi)(zhi)密度，但后期位阻大，接(jie)(jie)枝(zhi)(zhi)的(de)分(fen)子(zi)量較(jiao)(jiao)(jiao)小；后者能夠接(jie)(jie)枝(zhi)(zhi)較(jiao)(jiao)(jiao)高分(fen)子(zi)量的(de)分(fen)子(zi)鏈(lian)且位阻效應相對較(jiao)(jiao)(jiao)低(di)但條件較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)苛(ke)刻。

　　（2）偶聯劑改性

　　偶聯(lian)劑改性(xing)的(de)原(yuan)理是利(li)用偶聯(lian)劑上的(de)部分官能基團與白炭黑表(biao)面的(de)羥基發生化學反應(ying)，以此改變白炭黑表(biao)面的(de)基團結(jie)構(gou)和分布來提高與基體的(de)相容(rong)性(xing)以及(ji)自(zi)身的(de)分散性(xing)。

　　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(yong)(yong)較(jiao)為廣泛的偶(ou)(ou)(ou)(ou)聯(lian)(lian)(lian)劑有硅(gui)烷(wan)偶(ou)(ou)(ou)(ou)聯(lian)(lian)(lian)劑、硅(gui)氧烷(wan)偶(ou)(ou)(ou)(ou)聯(lian)(lian)(lian)劑和硅(gui)氮烷(wan)偶(ou)(ou)(ou)(ou)聯(lian)(lian)(lian)劑等(deng)。在實際(ji)應(ying)用(yong)(yong)中偶(ou)(ou)(ou)(ou)聯(lian)(lian)(lian)劑改性(xing)的主要工藝分為混合(he)反(fan)應(ying)、冷卻分離、重復洗(xi)滌和沉淀四(si)個步驟(zou)。

　　（3）離子液改性

　　離(li)子(zi)液(ye)體也稱(cheng)室溫離(li)子(zi)液(ye)體，是(shi)由(you)有(you)(you)機(ji)(ji)(ji)陽離(li)子(zi)與有(you)(you)機(ji)(ji)(ji)或(huo)無機(ji)(ji)(ji)陰離(li)子(zi)構成，在100℃以下呈(cheng)液(ye)態的(de)熔鹽。離(li)子(zi)液(ye)改性(xing)(xing)(xing)是(shi)采用離(li)子(zi)液(ye)體改性(xing)(xing)(xing)劑代替傳統的(de)有(you)(you)機(ji)(ji)(ji)相改性(xing)(xing)(xing)劑來(lai)改性(xing)(xing)(xing)白炭黑，離(li)子(zi)液(ye)相較于傳統有(you)(you)機(ji)(ji)(ji)相改性(xing)(xing)(xing)劑具有(you)(you)室溫下呈(cheng)液(ye)態、導電性(xing)(xing)(xing)強、穩定性(xing)(xing)(xing)高和溶解(jie)性(xing)(xing)(xing)好等(deng)優勢(shi)，且其不揮發、不易產生污染，更加符合綠色生產的(de)要(yao)求。

　　離(li)子液改(gai)性工藝流(liu)程較為簡(jian)單，在白炭黑(hei)和離(li)子液的(de)(de)混合體系中加(jia)入(ru)一定量的(de)(de)無(wu)水乙醇后(hou)再放入(ru)恒溫(wen)水浴箱中反應，待反應充分后(hou)干燥即可得(de)到改(gai)性白炭黑(hei)。

　　（4）大分子界面改性

　　大(da)分子(zi)界(jie)面改(gai)性(xing)(xing)(xing)所用(yong)的改(gai)性(xing)(xing)(xing)劑(ji)是一種含有極性(xing)(xing)(xing)基(ji)團的大(da)分子(zi)聚合物，在與白炭(tan)黑粒(li)子(zi)的改(gai)性(xing)(xing)(xing)反應過程中(zhong)，大(da)分子(zi)界(jie)面改(gai)性(xing)(xing)(xing)劑(ji)的分子(zi)主鏈能(neng)夠在引入(ru)較多(duo)極性(xing)(xing)(xing)環(huan)氧(yang)基(ji)團的同時(shi)保持基(ji)本(ben)的主鏈結(jie)構，以此提高白炭(tan)黑粒(li)子(zi)與基(ji)體之間的相容性(xing)(xing)(xing)，達到較好的界(jie)面改(gai)性(xing)(xing)(xing)效果。

　　（5）并用改性

　　炭黑(hei)和白(bai)炭黑(hei)都是橡(xiang)膠(jiao)工(gong)業良好(hao)的補(bu)強劑(ji)，其中炭黑(hei)是橡(xiang)膠(jiao)工(gong)業最常用的補(bu)強劑(ji)之一，炭黑(hei)的特(te)殊結(jie)構可(ke)以增強橡(xiang)膠(jiao)材料(liao)的拉(la)伸和撕裂(lie)強度并(bing)改善其耐磨、耐寒(han)等性(xing)(xing)能(neng)；而白(bai)炭黑(hei)作(zuo)為(wei)補(bu)強劑(ji)可(ke)以顯著提高橡(xiang)膠(jiao)制品的滾動阻力和抗(kang)濕(shi)滑性(xing)(xing)等，但其單獨使用效果不如炭黑(hei)。

　　大(da)量研究表(biao)明，炭(tan)黑(hei)和白炭(tan)黑(hei)并用(yong)作為(wei)補強劑可以結合二者優勢提高(gao)橡膠制品的整體(ti)性(xing)能。

　　3、白炭黑表面改性效果如何評價？

　　白(bai)炭黑(hei)經過改性(xing)(xing)處理(li)后，其(qi)(qi)工業應用性(xing)(xing)能大幅提(ti)升，可采用DBP值、接觸角(jiao)、粒徑范圍(wei)等(deng)參數對其(qi)(qi)改性(xing)(xing)效果(guo)進行(xing)衡量。

　　資料來源：《邱明華,李強,念保義,等.白炭黑表面改(gai)性研(yan)究現狀及進展(zhan)[J].礦產(chan)綜合利用(yong),2020(03):40-47》

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