一种制备亲水性炭黑的方法、亲水性炭黑及其应用技术

本发明专利技术公开了一种制备亲水性炭黑的方法，包括如下步骤：(1)将炉法炭黑与次氯酸盐水溶液混合，反应得到炭黑分散液；(2)将步骤(1)所得的炭黑分散液经过固液分离、烘干得到亲水性炭黑。使用此方法的优点在于该条件下的次氯酸盐氧化后的炭黑不需要进一步分级、纯化处理，从而简化生产工艺，降低成本，保护环境。亲水性炭黑加入橡胶后，使得橡胶提高了断裂伸长率，降低了滚动阻力和压缩疲劳温升。

A method for preparing hydrophilic carbon black, hydrophilic carbon black and its application

【技术实现步骤摘要】
一种制备亲水性炭黑的方法、亲水性炭黑及其应用
本专利技术涉及一种亲水性炭黑的制备及其在橡胶中的应用，具体地说，涉及一种将炉法炭黑与次氯酸盐水溶液反应制备炭黑分散液，再通过离心分离、烘干得到亲水性炭黑的方法，并将所制备的亲水性炭黑应用于橡胶中。
技术介绍
炭黑是重要的工业原料之一，由于其具有良好的耐候性、化学稳定性、着色性、以及导电性等特点，炭黑在橡胶、涂料、油墨及印染等工业领域中广泛应用。由于炭黑粒径小，比表面积大，而且具有较强的分子间作用力，导致其极易团聚；同时由于炭黑表面的含氧官能团(羧基、羟基等)数量少，而且，炭黑具有疏水性和低润湿性，将炭黑以高浓度稳定地分散在水中是极其困难的，这一点影响了炭黑在油墨及印染等工业领域中的应用。提高炭黑在水中分散稳定性的方法包括：直接分散法、接枝改性法、表面包覆法及氧化改性法。直接分散法是将分散剂和炭黑在水中混合，在适当的外力作用下使炭黑分散。直接分散法虽然操作简单、条件容易控制，但随着时间增加，分散体系会出现“反粗”现象，不利于产品使用。接枝改性法是将聚合物通过化学键嫁接到炭黑表面，由于聚合物的链较长从而提供了一定的空间位阻斥力。但接枝改性法的使用与炭黑的种类有关，而且接枝改性法工艺流程复杂和工艺条件要求较高，较难在工业中被广泛应用。表面包覆法是在炭黑表面包覆一层亲水聚合物，使得炭黑能够在水中稳定分散。表面包覆法与炭黑的种类无关，但其步骤繁琐，也较难在工业上推广。氧化改性法分为液相氧化法、气相氧化法、等离子体氧化法和金属催化氧化法。液相氧化法是将炭黑与强氧化剂在水中发生氧化还原反应，使挥发份较少的炭黑表面生成亲水的羧基、羰基、羟基等含氧官能团，从而得到亲水性炭黑的方法。气相氧化法选用气相氧化剂(主要为氧气、空气、臭氧、氮氧化合物等)对炭黑表面进行氧化改性，是工业上传统的炭黑氧化方法之一。等离子体氧化法主要包括微波等离子体、射频等离子体和电弧等离子体三种。虽然等离子体氧化法在工业生产中有很大的发展前景，但如何使炭黑在反应容器中均匀氧化、如何降低能耗仍是现阶段的研究重点。金属催化氧化法是利用金属氯化物、金属氧化物或氮氧化物等催化剂对普通炭黑进行催化氧化的方法。目前此种方法仍处于实验室阶段，并未达到工业化。综上可见，液相氧化法是改性炭黑的快速有效方法。液相氧化法是炭黑工业最早使用的表面氧化改性方法，其相关的文献报道较多，所用的氧化剂一般是强氧化性溶液，如硝酸溶液(TrawczyńskiJ，SuppanS,SayagC，etal.SurfaceacidityoftheactivatedCBC[J].FuelProcessingTechnology，2002，77-78:317-324.)、硫酸溶液(BorahD,SatokawaS,KatoS,etal.Characterizationofchemicallymodifiedcarbonblackforsorptionapplication[J].AppliedSurfaceScience,2008,254(10):3049–3056)、高氯酸溶液(ChomaJ,Burakiewicz-MortkaW,JaroniecM,MonitoringChangesinSurfaceandStructuralPropertiesofPorousCarbonsModifiedbyDifferentOxidizingAgents[J],JournalofColloidandInterfaceScience，1999，214,438–446)、过氧化氢溶液(梁晓娟，杨昕宇，弓中伟，双氧水氧化制备高分散性炭黑[J]，硅酸盐通报，2008，27(6):1124-1128)、过硫酸铵溶液(韩真、刘莲英、杨万泰，炭黑表面氧化改性及其水分散性研究[J]，北京化工大学学报(自然科学版)，2010,37(1)：78-84)，重氮盐(U.S.Pat.No.5,630,868，U.S.Pat.No.5,672,198)等。当然不同的氧化剂、不同的生产方法获得的炭黑，由于其氧化效果会不一样，其物理性能也会有所变化。氧化后炭黑表面的含氧基团增加，与水的润湿性得到改善，很容易获得稳定的水性炭黑分散体系。US2439442、US668724公开了一种采用次氯酸盐处理炭黑的方法，炭黑经盐酸酸化后，得到亲水的炭黑糊状物。US3347632公开了采用次氯酸钠处理炭黑的方法，该方法要求炭黑平均粒径小于100nm，否则处理后的炭黑不能分散在水中。US5609671、JPH107968公开了采用次氯酸盐对商业化的酸性炭黑(优选pH<4)进行处理作为水性颜料油墨的方法，对炭黑的氧化温度优选95℃-105℃，时间优选10-15小时，该方法需要反渗透膜脱盐，直到分散体的导电性变为0.2mS/cm。US5718746公开了一种用1.6mol/L的次氯酸盐对低吸油值炭黑(吸油值<100ml/100g)进行处理作为水性颜料油墨的方法，温度优选95℃-105℃，时间优选3-20小时，并且需要超滤膜对炭黑进行脱盐、纯化。US7220304公开了一种使用1.6mol/L的次氯酸盐处理炭黑作为水基油墨的方法，氧化的同时进行分散/粉碎的步骤，温度优选40℃-60℃，时间优选3-10小时，分散/粉碎转速至少为500rpm。需要使用超滤膜进行脱盐和纯化，再使用电渗析器进行二次脱盐和纯化，直到滤液的电导率不大于1.5mS/cm。如果在该范围之外停止脱盐，则墨水中将大量含有NaCl等杂质，因此墨水的保存稳定性变差。JP2000345085、JP20003455095公开的方法中需要预先研磨炭黑或研磨的同时加入次氯酸盐制备亲水性炭黑。JP2007002068、JP2007084597公开了一种采用次氯酸盐溶液进行液相氧化制备亲水性炭黑的方法。该方法中需要加入分散剂，并且炭黑要在水中被预粉碎。JP2008195837公开了一种炭黑表面先用次氯酸盐进行氧化处理，然后用亲水性有机表面处理剂进行表面处理后获得具有分散稳定性的炭黑的方法，单独的氧化处理，或仅用有亲水性的表面处理，不能达到上述目的。JP2012102158公开了一种采用次氯酸盐制备亲水性炭黑的方法，该方法需要加入碱液控制反应溶液的pH，从氧化步骤开始到结束的过程中反应溶液的pH始终保持在9.0或更高。目前液相氧化制备的亲水性炭黑已被应用于橡胶中，如过氧化氢溶液氧化的炭黑用于丁基橡胶，延迟了焦烧，降低了气体透过率(NagornayaM.N.,RazdyakonovaG.I.,KhodakovaS.Ya,Theeffectoffunctionalgroupsofcarbonblackonrubberproperties[J].ProcediaEngineering2016,152,563-569)；US3330799中实施例6采用次氯酸钠在室温下对炭黑进行24h氧化，将氧化后的炭黑加入到丁基橡胶，应用于电绝缘胶。US4075本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备亲水性炭黑的方法，包括如下步骤：/n(1)将炉法炭黑与次氯酸盐水溶液混合，反应得到炭黑分散液；/n(2)将步骤(1)所得的炭黑分散液经过固液分离、烘干得到亲水性炭黑；/n所述炉法炭黑的pH值为7～10；/n所述炭黑分散液的炭黑浓度为30～200g/L；/n所述炉法炭黑的DBP吸收量为50～180cm

【技术特征摘要】
1.一种制备亲水性炭黑的方法，包括如下步骤：
(1)将炉法炭黑与次氯酸盐水溶液混合，反应得到炭黑分散液；
(2)将步骤(1)所得的炭黑分散液经过固液分离、烘干得到亲水性炭黑；
所述炉法炭黑的pH值为7～10；
所述炭黑分散液的炭黑浓度为30～200g/L；
所述炉法炭黑的DBP吸收量为50～180cm3/100g；
所述炉法炭黑的氮吸附比表面积为300m2/g以下；
所述炉法炭黑的平均粒径为100～300nm；
所述次氯酸盐的浓度为1mol/L以下；
所述反应温度为30～100℃；
所述反应时间为5min～5h；
所述炉法炭黑与所述次氯酸盐水溶液搅拌接触，方式为机械搅拌或超声波搅拌；
所述固液分离为离心分离或过滤分离。


2.根据权利要求1的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玲，王艳，王海燕，张立群，邵光谱，王宏，
申请(专利权)人：北京化工大学，青岛黑猫新材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11