炭黑是一种重要产品,由烃类不完全燃烧或裂解制成,广泛应于橡胶、塑料、涂料和电池等领域。目前,炭黑主要用作橡胶补强填料,是仅次于生胶的第二大橡胶材料。炭黑能够提高橡胶的强度、硬度、耐磨性和抗撕裂性能等物理性能,不同炭黑对性能的提升也不同,这与炭黑的结构具有很大的关系。此外,炭黑可以填充橡胶分子间的空隙,降低橡胶的成本,同时可以改善橡胶的加工流动性和脱模性。然而,炭黑比表面积大,分子间作用力强,使其在加工过程中容易在分散介质中结块成大颗粒,难以在基体中稳定分散,直接影响炭黑填充橡胶产品的质量,不利于橡胶力学性能的提高。因此,普通炭黑在橡胶中的使用存在着局限性,如分散性差、与橡胶的结合力不强等,为解决这些问题,改性炭黑成为重要的研究方向。

炭黑补强橡胶机理

炭黑补强橡胶的机理可以概括为表面吸附层理论和分子链滑动理论,表面吸附层理论以为,硫化剂和炭黑的加入使橡胶形成具有不同性能的非均相结构。分子链滑动理论认为,吸附在炭黑表面的不同橡胶链在应力作用下被拉伸,从而实现应力分布。

炭黑改性方法

炭黑经改性处理后,其原生结构发生改变,进而影响橡胶复合材料的补强性能。目前,常用于改性炭黑的方法包括氧化改性、等离子体改性、表面接枝改性和表面吸附改性等。

等离子体改性

等离子体处理炭黑是一种很受欢迎的方式,它可以提供两种优势:一是仅仅发生在炭黑表面,不会改变炭黑的体积;二是利用不同的气氛的氧化和还原等。等离子体与材料表面的作用过程很复杂,不同类型的等离子反应过程不相同。影响等离子体与材料表面作用的因素包括:参与反应的粒子,如电子、自由基、正负离子、正负离子基团、中性原子、分子和光子等;等离子体状态参数,如电子能量、电子密度、离子能量和离子密度等;表面材料,如金属、高分子、有机或无机粒子等;材料表面状态,如化学组成、清洁度和粗糙度等。目前,常用的改性炭黑等离子分为氩等离子体和氧等离子体,然而随着等离子体的发展,出现了其他形式等离子体改性炭黑。

氩等离子体改性

初级结构是炭黑的最小单位。团聚体是炭黑团聚体之间由范德华力形成的空间网络结构,它是炭黑的次级结构,这种结构容易在橡胶混炼过程中发生破坏。比表面积、结构度和表面活性是炭黑的三个基本特征,其中比表面积影响炭黑与橡胶混合时的黑度和分散性。结构度可通过吸油计算,吸油值越高,炭黑的结构越高。表面活性与表面上的基团相对应,在填料-基体和填料-填料相互作用中起重要作用,采用氩离子体处理可改变炭黑的表面活性,同时可提高分散性。

氧等离子体改性

与氩等离子体改性相比,氧等离子体处理炭黑也具有相似的效果。氧气在电场作用下生成氧自由基或臭氧等强氧化性的活性物质,这些活性物质进一步氧化纳米炭黑,使得纳米炭黑表面接上大量含氧官能团，经过氧等离子体处理后,炭黑的羰基、羟基等含氧官能团明显增多，并且在水中的分散稳定性也有很大提高。

用等离子法改性炭黑主要有以下几个优点:(1)、等离子改性一般只在物质的表面发生反应,并不影响物质内部的结构,这可使物质主体结构保持完整。(2)、等离子改性法内的气体大部分是以高活性的自由基的形式存在,所以在等离子体内发生的反应并不受热力学平衡的控制。(3)、冷等离子的温度可保持在温室下进行,所以进行氧化后的炭黑的含氧官能团不易分解。(4)、等离子改性方法避免了气相、液相氧化法中废气、废液的排外,而且等离子改性炭黑不需要产品后续处理。因此,等离子改性作为具有良好应用前景的方法受到了极大的关注。