液相臭氧法改性纳米炭黑的方法技术

一种液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，属于化工原料制备领域，其特征在于：取炭黑样品加入到含有锆珠的氧化装置中，然后加入去离子水，并用玻璃棒搅拌混合均匀；用电动器搅拌，同时往分散液中通入臭氧；在臭氧氧化后，用饱和的NaOH溶液调节pH值，然后再继续氧化；氧化结束后，倾出氧化炭黑分散液，并加入浓盐酸调节pH；然后离心分离，反复用去离子水洗涤、分离，最后将其烘干。利用臭氧的强氧化作用，在水中对炭黑进行表面氧化改性，以便在炭黑表面引入羧基、羟基等亲水性含氧基团,从而改善炭黑的润湿性能，提高其在水溶液中的分散稳定性,为其在涂料印花等行业领域中的应用提供可行性基础。

Modification of nano carbon black by liquid phase ozone method

The method of modified nano carbon black method for liquid phase ozone, which belongs to the field of chemical raw material preparation, which is characterized in that the carbon black samples into oxidation device containing zirconium beads, then adding deionized water, stirring with a glass rod and mixed evenly; mixing with the electric device, at the same time to pass into the ozone dispersion in the ozonation; after adjusting pH value with saturated NaOH solution, and then continue to oxidation; oxidation after pouring the oxidation of carbon black dispersion, and adding hydrochloric acid to regulate pH; and then centrifuged repeatedly washed with deionized water, separation, and finally drying. Using strong oxidation of ozone in water on carbon black surface oxidation modification, in order to carbon black surface carboxyl, hydroxyl and other hydrophilic oxygen-containing groups, thereby improving the wettability of carbon black, improve its dispersion stability in aqueous solution, provide feasibility basis for its application in the field of printing industry in.

【技术实现步骤摘要】
液相臭氧法改性纳米炭黑的方法
本专利技术属于化工原料制备领域，尤其涉及一种液相臭氧法改性纳米炭黑的方法。
技术介绍
炭黑是由烃类物质的不完全燃烧或裂解而生成的细小黑色粉末状物质，主要由碳元素组成，含碳量约达90%以上，同时也含有少量的氧、氢、硫和氮等元素。其微晶具有准石墨结构，并呈同心取向。其粒子是近乎球形的胶体粒子，而这些粒子都熔结成聚集体，并以聚集体的形式存在于所应用的体系中。因此，炭黑的形态特性直接影响炭黑的应用性能。随着人们对环保问题日益关注，水性炭黑分散体系的研究越来越受到重视，已成为炭黑分散性研究的热点之一。因此，对炭黑进行改性，增强炭黑亲水性、提高炭黑在水中的分散稳定性已成为业界努力的目标。目前，研究者对炭黑亲水性改性的方法主要包括：氧化改性、聚合物吸附改性、聚合物接枝改性和聚合物包覆改性等。通过氧化改性可增加炭黑表面的含氧官能团，从而增加炭黑的亲水性；而聚合物改性则是通过采用物理吸附和化学键连的改性方法将聚合物修饰到炭黑表面，实现炭黑粒子之间的静电排斥或物理隔离，解决炭黑在基体中的团聚问题。虽然炭黑是一种重要的黑色颜料着色剂，但是炭黑的原生粒径仅有数十纳米，相对极强的范德华力使得粉体极易团聚，同时炭黑表面的极性基团很少，不易润湿，从而很难较稳定的分散在水性体系中，因而在一定程度上限制了炭黑作为黑色颜料的应用范围和使用效果。而表面改性则可以改善炭黑的分散性能，其中，氧化改性法是炭黑表面改性的基本方法。氧化改性法主要包括气相氧化法、液相氧化法、等离子体氧化法。其中，气相氧化法是采用氧气、臭氧、氧化氮等对炭黑进行氧化处理，而液相氧化则主要采用硝酸、双氧水、过硫酸铵等对炭黑进行氧化处理。一般来说，液相氧化的效果明显比气相氧化好。但是采用硝酸等酸性溶液对炭黑进行氧化改性会产生较多的废酸及废水，污染严重，而且改性过程比较繁琐，不易操作。
技术实现思路
本法旨在提供一种液相臭氧法改性纳米炭黑的方法。本专利技术所述液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，包如下步骤：（1）取5.32g炭黑样品加入到含有锆珠的氧化装置中，然后加入100g去离子水，并用玻璃棒搅拌混合均匀；（2）用电动器搅拌，同时往分散液中通入臭氧；（3）在臭氧氧化1h后，用饱和的NaOH溶液调节分散液的pH值到13-14，然后再继续氧化7h；（4）氧化结束后，倾出氧化炭黑分散液，并加入浓盐酸调节pH到4以下；（5）然后离心分离，反复用去离子水洗涤、分离，最后将其烘干。本专利技术所述的液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，步骤（2）所述电动器的转速为240r/min。本专利技术所述的液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，步骤（2）所述臭氧的流量为3L/min。本专利技术所述的液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，步骤（5）所述烘干温度为100℃。本专利技术所述的液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，步骤（5）所述离心分离采用的为台式高速离心机H1850。本专利技术所述的液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，步骤（2）所述电动搅拌器为IKA-RW20。本专利技术所述的液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，利用臭氧的强氧化作用，在水中对炭黑进行表面氧化改性，以便在炭黑表面引入羧基、羟基等亲水性含氧基团,从而改善炭黑的润湿性能，提高其在水溶液中的分散稳定性,为其在涂料印花等行业领域中的应用提供可行性基础。具体实施方式本专利技术所述液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，包如下步骤：（1）取5.32g炭黑样品加入到含有锆珠的氧化装置中，然后加入100g去离子水，并用玻璃棒搅拌混合均匀；（2）用电动器搅拌，同时往分散液中通入臭氧；（3）在臭氧氧化1h后，用饱和的NaOH溶液调节分散液的pH值到13-14，然后再继续氧化7h；（4）氧化结束后，倾出氧化炭黑分散液，并加入浓盐酸调节pH到4以下；（5）然后离心分离，反复用去离子水洗涤、分离，最后将其烘干。本专利技术所述的液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，步骤（2）所述电动器的转速为240r/min。步骤（2）所述臭氧的流量为3L/min。步骤（5）所述烘干温度为100℃。步骤（5）所述离心分离采用的为台式高速离心机H1850。步骤（2）所述电动搅拌器为IKA-RW20。在水溶液中，臭氧与炭黑的反应途径主要有2种，一种是臭氧分子通过亲核或亲电作用直接与炭黑反应，或者与炭黑表面的双键发生加成反应。其中，1,3-环加成反应是臭氧与烯烃或芳香化合物反应时的重要机理。首先，C=C双键断开，并与臭氧两端的O相连，产生五元环中间体结构。然后其中一个O-O单键断开，生成一个两性离子中间体。该中间体的C-C单键会进一步断裂，并在H2O的参与下生成醇、醛、酸等产物。另外一种是臭氧分子自分解产生羟基自由基，然后再与炭黑发生反应。首先臭氧溶于水中，并在碱性条件下与OH-发生反应产生超氧自由基及质子化的超氧自由基；然后水中的臭氧再与超氧自由基发生电子转移反应，生成氧气与臭氧自由基；随后臭氧自由基被质子化，紧接着脱去一分子氧气，生成羟基自由基。然后羟基自由基与炭黑发生加成反应，产生酚羟基、醛等产物。炭黑经过臭氧氧化后，其表面含氧官能团的数量明显增加，产生了大量的羧基、羟基，同时还增加了酸酐和内酯基的含量；而炭黑表面的醌基含量则减少，这主要是由于醌基与邻近产生的羧基反应产生了内酯基。首先，在30℃到200℃对应的是炭黑表面自由水和结合水的脱附过程，在200℃到400℃主要是羧基分解产生二氧化碳的过程，在此阶段，CB-一氧化碳OH的失重率为2.03%，CB的失重率为0.81%；而酸酐和内酯基则在400℃到600℃进行分解产生一氧化碳和二氧化碳,其中CB-一氧化碳OH的失重率为4.58%，CB的失重率为1.53%；此外，酚羟基则在600℃开始分解产生一氧化碳，在此过程，CB-一氧化碳OH的失重率为5.22%，CB的失重率为3.93%，而醌类及金属羰基化合物则在700℃以上分解产生一氧化碳，其中CB-一氧化碳OH的失重率为12.43%，而CB的失重率却为15.81%。炭黑经过臭氧氧化后，其含炭量从92.32％减少到87.44％，炭黑含氢量增加了0.18%，而臭氧氧化炭黑的含氧量则由6.63％增加到11.29％，约增加了4.66%，并且H与O元素变化量的摩尔比为0.618。这说明经过臭氧氧化后，炭黑表面不仅增加了羧基的含量，而且还增加了羟基的含量，而这也解释了炭黑在氧化过程中pH值的降低和其分散性提高的原因。配置不同pH值的分散液，并分别加入1.3mg氧化炭黑于40ml的分散液中，然后超声30min,再静置12h后，测试氧化炭黑分散液的粒径，分散液的pH值在4.0-10.0之间时，氧化炭黑的粒径随着pH值的增加而呈减小的趋势，pH值在4.0到6.0，氧化炭黑的粒径从451.5nm迅速减小到159.4nm，但分散液的pH值在7-10时，氧化炭黑的粒径基本保持不变。将炭黑分散在水中时，由于重力或离心力，它会在体系中发生沉降。若炭黑的分散稳定性好，则在水中沉降速度慢，导致上层液体中所含的炭黑量越多，对光的吸收就越多，从而使得上层液体的透光率就越低；反之，则使得上层液体的透光率就越高。所以可以根据分散液的透光率的变化情况，反映炭黑在水中的分散稳定性。随着离心时间的增加，原样炭黑和氧化炭黑的透光率都增加。其中原样炭黑在离心10min时，其透光率就由13本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，其特征在于包如下步骤：（1）取5.32g炭黑样品加入到含有锆珠的氧化装置中，然后加入100g去离子水，并用玻璃棒搅拌混合均匀；（2）用电动器搅拌，同时往分散液中通入臭氧；（3）在臭氧氧化1h后，用饱和的NaOH溶液调节分散液的pH值到13‑14，然后再继续氧化7h；（4）氧化结束后，倾出氧化炭黑分散液，并加入浓盐酸调节pH到4以下；（5）然后离心分离，反复用去离子水洗涤、分离，最后将其烘干。

【技术特征摘要】
1.一种液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，其特征在于包如下步骤：（1）取5.32g炭黑样品加入到含有锆珠的氧化装置中，然后加入100g去离子水，并用玻璃棒搅拌混合均匀；（2）用电动器搅拌，同时往分散液中通入臭氧；（3）在臭氧氧化1h后，用饱和的NaOH溶液调节分散液的pH值到13-14，然后再继续氧化7h；（4）氧化结束后，倾出氧化炭黑分散液，并加入浓盐酸调节pH到4以下；（5）然后离心分离，反复用去离子水洗涤、分离，最后将其烘干。2.根据权利要求1所述的液相臭氧法改性纳米炭黑的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘秋丽，
申请(专利权)人：陕西高华知本化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61