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炭黑是一種重要產品,由烴類不完全燃燒或裂解制成,廣泛應于橡膠、塑料、涂料和電池等領域。目前,炭黑主要用作橡膠補強填料,是僅次于生膠的第二大橡膠材料。炭黑能夠提高橡膠的強度、硬度、耐磨性和抗撕裂性能等物理性能,不同炭黑對性能的提升也不同,這與炭黑的結構具有很大的關系。此外,炭黑可以填充橡膠分子間的空隙,降低橡膠的成本,同時可以改善橡膠的加工流動性和脫模性。然而,炭黑比表面積大,分子間作用力強,使其在加工過程中容易在分散介質中結塊成大顆粒,難以在基體中穩定分散,直接影響炭黑填充橡膠產品的質量,不利于橡膠力學性能的提高。因此,普通炭黑在橡膠中的使用存在著局限性,如分散性差、與橡膠的結合力不強等,為解決這些問題,改性炭黑成為重要的研究方向。

炭黑補強橡膠機理

炭黑補強橡膠的機理可以概括為表面吸附層理論和分子鏈滑動理論,表面吸附層理論以為,硫化劑和炭黑的加入使橡膠形成具有不同性能的非均相結構。分子鏈滑動理論認為,吸附在炭黑表面的不同橡膠鏈在應力作用下被拉伸,從而實現應力分布。

炭黑改性方法

炭黑經改性處理后,其原生結構發生改變,進而影響橡膠復合材料的補強性能。目前,常用于改性炭黑的方法包括氧化改性、等離子體改性、表面接枝改性和表面吸附改性等。

等離子體改性

等離子體處理炭黑是一種很受歡迎的方式,它可以提供兩種優勢:一是僅僅發生在炭黑表面,不會改變炭黑的體積;二是利用不同的氣氛的氧化和還原等。等離子體與材料表面的作用過程很復雜,不同類型的等離子反應過程不相同。影響等離子體與材料表面作用的因素包括:參與反應的粒子,如電子、自由基、正負離子、正負離子基團、中性原子、分子和光子等;等離子體狀態參數,如電子能量、電子密度、離子能量和離子密度等;表面材料,如金屬、高分子、有機或無機粒子等;材料表面狀態,如化學組成、清潔度和粗糙度等。目前,常用的改性炭黑等離子分為氬等離子體和氧等離子體,然而隨著等離子體的發展,出現了其他形式等離子體改性炭黑。

氬等離子體改性

初級結構是炭黑的最小單位。團聚體是炭黑團聚體之間由范德華力形成的空間網絡結構,它是炭黑的次級結構,這種結構容易在橡膠混煉過程中發生破壞。比表面積、結構度和表面活性是炭黑的三個基本特征,其中比表面積影響炭黑與橡膠混合時的黑度和分散性。結構度可通過吸油計算,吸油值越高,炭黑的結構越高。表面活性與表面上的基團相對應,在填料-基體和填料-填料相互作用中起重要作用,采用氬離子體處理可改變炭黑的表面活性,同時可提高分散性。

氧等離子體改性

與氬等離子體改性相比,氧等離子體處理炭黑也具有相似的效果。氧氣在電場作用下生成氧自由基或臭氧等強氧化性的活性物質,這些活性物質進一步氧化納米炭黑,使得納米炭黑表面接上大量含氧官能團，經過氧等離子體處理后,炭黑的羰基、羥基等含氧官能團明顯增多，并且在水中的分散穩定性也有很大提高。

用等離子法改性炭黑主要有以下幾個優點:(1)、等離子改性一般只在物質的表面發生反應,并不影響物質內部的結構,這可使物質主體結構保持完整。(2)、等離子改性法內的氣體大部分是以高活性的自由基的形式存在,所以在等離子體內發生的反應并不受熱力學平衡的控制。(3)、冷等離子的溫度可保持在溫室下進行,所以進行氧化后的炭黑的含氧官能團不易分解。(4)、等離子改性方法避免了氣相、液相氧化法中廢氣、廢液的排外,而且等離子改性炭黑不需要產品后續處理。因此,等離子改性作為具有良好應用前景的方法受到了極大的關注。