一种水溶性炭黑的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水溶性炭黑的制备方法，该方法包括以下步骤：S1、将炭黑浸泡于1～5wt％的硝酸溶液中，于80～90℃下搅拌反应，得到氧化炭黑；S2、将氧化炭黑添加到0.5～5wt％的强碱溶液中，于45～55℃下搅拌反应，得到中和炭黑；S3、将单宁酸和N

【技术实现步骤摘要】
一种水溶性炭黑的制备方法


[0001]本专利技术属于炭黑材料制备领域，特别涉及一种水溶性炭黑的制备方法。

技术介绍

[0002]炭黑因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，已被广泛应用于橡胶、颜料、涂料、油墨及印染等领域。由于炭黑主要成分是碳，且表面含氧官能团(
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OH、
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COOH等)数量少，导致其难以高浓度稳定地分散在水中，只溶于有机溶剂，如苯、二甲苯等，而这些溶剂的使用不仅污染环境，还危害人体健康。近年来，随着绿色环保的理念深入人心，用水代替有机溶剂作为分散介质越来越受到关注。因此，开发以水为溶剂的环保型水溶性炭黑产品，是当前炭黑产品研发的重点。
[0003]目前，提高炭黑水溶性的方法主要有：添加分散剂、氧化改性，高分子接枝改性和包覆改性，添加分散剂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，该方法虽然操作简单、条件容易控制，但随着时间增加，分散体系会出现“反粗”现象；氧化改性法是采用合适的氧化性物质(气相氧化剂：空气、氧气、臭氧和氮氧化合物，液相氧化剂：HNO3和H2O2)与炭黑进行化学反应，增加炭黑表面的含氧官能团(
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OH、
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COOH等)，来提高炭黑的水溶性，但该方法所得炭黑氧化程度较低，达不到在水中稳定分散；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，但该方法涉及复杂的聚合反应，要求苛刻，而接枝率提高不大。包覆改性法是指通过相分离法或表面聚合等方法，将带有亲水基团的聚合物包覆在炭黑表面，从而增加炭黑与水分子的亲和性，提高炭黑粒子在水中的分散稳定性，但该方法步骤繁琐，也较难在工业上推广。
[0004]近年来，利用天然多酚对各种基材具有显著的粘附效率来实现对疏水材料的溶水(亲水)改性的表面修饰方法得到广泛的关注，但尚未见通过该方法对炭黑进行溶水改性的报道。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种以液相氧化法和表面修饰协同改性的水溶性炭黑的制备方法，以解决现有方法制备的水溶性炭黑在使用过程中易于团聚、分散性差、易沉淀等问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0007]一种水溶性炭黑的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、将炭黑浸泡于1～5wt％的硝酸溶液中，于80～90℃下搅拌反应，得到氧化炭黑；
[0009]S2、将得到的氧化炭黑添加到0.5～5wt％的强碱溶液中，于45～55℃下搅拌反应，得到中和炭黑；
[0010]S3、将单宁酸和N
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氨乙基)
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氨丙基三乙氧基硅烷添加到Tris
‑
HCl缓冲液中混合均匀，得到混合液；
[0011]S4、将中和炭黑浸泡于步骤S3得到的混合液中，室温下搅拌使得炭黑表面形成亲水层，得到水溶性炭黑。
[0012]优选的，步骤S1中，所述搅拌速率为30～40rpm，搅拌反应时间为1～10h，反应结束后固液分离，去离子水洗涤至无氧化剂存在，再置于150～180℃下干燥9～12h。
[0013]优选的，步骤S2中，所述搅拌速率为30～40rpm，搅拌反应时间为0.5～2h，反应结束后固液分离，去离子水洗涤，再置于150～180℃下干燥9～12h。
[0014]优选的，步骤S3中，所述混合液中的单宁酸的浓度为0.5～2g/L；所述单宁酸和N
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氨乙基)
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氨丙基三乙氧基硅烷的质量比为1～3：1，所述中和炭黑的浓度为0.8～2.0g/L。
[0015]优选的，所述步骤S4中，所述搅拌转速为100～160rpm，搅拌时间为3～15h。
[0016]优选的，所述炭黑为炉法炭黑，平均粒径为55～80nm，pH为7～9，DBP吸收量为85～100cm3/100g，氮吸附比表面积为90～150m2/g。
[0017]本专利技术的目的还在于提供一种由上述制备方法制得的水溶性炭黑。
[0018]优选的，所述水溶性炭黑的粒径的范围为5～50μm。
[0019]优选的，步骤S1中，所述硝酸和炭黑的质量比为(1～3)：1，所述固液分离为离心分离或过滤分离，进一步优选为过滤分离；
[0020]优选的，所述炭黑分散液的浓度为30～200g/L；优选为50～100g/L。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具备如下有益效果：
[0022](1)本专利技术将液相氧化法和表面修饰法相结合对炭黑进行改性，制备的改性炭黑可以稳定地分散在水中，且至少可以存放180天不沉降。具体地，首先通过氧化性强酸(1～5wt％稀硝酸)作用使炭黑表层石墨微晶的边缘及聚结体之间的缺陷处发生反应，生成含氧官能团(
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COOH，
‑
OH等)，氧化后的炭黑表层的含氧官能团増加，润湿性改善，能够较好地分散在水中；再结合单宁酸与N
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(2
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氨乙基)
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氨丙基三乙氧基硅烷(为双氨基硅烷偶联剂)共沉淀于炭黑表面形成含有丰富羟基和氨基的亲水涂层，进一步增强了炭黑在水中的溶解性能。通过Zeta电位测试得到本专利技术制备的水溶性炭黑溶液的Zeta电位值高达
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52.8mV，表明经硝酸氧化和单宁酸与N
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氨乙基)
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氨丙基三乙氧基硅烷共沉淀表面修饰协同改性后的炭黑可以非常稳定的分散在水中。
[0023](2)本专利技术制备方法具有简单、髙效、环境友好等特点，适合推广，同时为炭黑表面功能化修饰提供一种新思路。
具体实施方式
[0024]以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本专利技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本专利技术。
[0025]实施例1
[0026]一种水溶性炭黑的制备方法，包括以下步骤：
[0027]S1、将50g市售的炉法炭黑(平均粒径为55～65nm，pH为8，DBP吸收量为100cm3/100g，氮吸附比表面积为120m2/g)浸泡于3L的5wt％的硝酸溶液中，以30rpm的搅拌速率搅拌使得炭黑在硝酸溶液中充分分散，然后于85℃下搅拌反应4h，反应结束后，过滤，去离子
水洗涤，抽滤至滤液中无氧化剂存在，经150℃烘干处理10h，得到氧化炭黑；
[0028]S2、将得到的氧化炭黑添加到25mL的2wt％的氢氧化钠溶液，以40rpm的搅拌速率搅拌使得氧化炭黑充分分散，然后于50℃下搅拌反应1h，反应结束后，过滤，去离子水洗涤至滤液的pH值保持不变，经160℃烘干处理10h，得到中和炭黑；
[0029]S3、将60mg单宁酸和50mg N
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氨乙基)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水溶性炭黑的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将炭黑浸泡于1～5wt％的硝酸溶液中，于80～90℃下搅拌反应，得到氧化炭黑；S2、将得到的氧化炭黑添加到0.5～5wt％的强碱溶液中，于45～55℃下搅拌反应，得到中和炭黑；S3、将单宁酸和N
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氨乙基)
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氨丙基三乙氧基硅烷添加到pH为8.2～8.8的Tris
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HCl缓冲液中，得到混合液；S4、将中和炭黑浸泡在步骤S3得到的混合液中，室温下搅拌使得炭黑表面形成亲水层，得到水溶性炭黑。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述搅拌速率为30～40rpm，搅拌反应时间为1～10h，反应结束后固液分离，去离子水洗涤至无氧化剂存在，再置于150～180℃下干燥9～12h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述搅拌速率为30～40rpm，搅拌反应时间为0.5～...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞立平，
申请(专利权)人：安徽德瑞新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：