纳米白炭黑的改性方法与流程

本发明涉及一种高分散型合成橡胶填料纳米白炭黑的制备方法。

背景技术：

众所周知，从无机粉体填充改性合橡胶的预期效果来看，无机粉体粒子的粒径尺寸越小改性的效果也越好，但是在超细无机粉体的应用过程中不可避免地会遇到一个技术难题,即超细粉体随着粒径的减少,比表面积增大,表面能提高,自聚能力更强,越难被橡胶材料混入、浸润和分散。因此超细无机粉体在橡胶中的分散问题，已成为制备高性能橡胶材料的瓶颈。

纳米白炭黑是多孔性物质，其组成可用sio2·nh2o表示，其中nh2o是以表面羟基的形式存在，是一种白色、无毒、无定形、多孔的微细粉末，具有内表面积大、可分散、质轻、耐高温、不燃烧、电绝缘性好等特性，化学性质稳定。白炭黑作为一种环保、性能优异的助剂，主要用于橡胶制品等领域。纳米白炭黑粒径小、比表面大、表面能高、表面又具有大量的羟基，导致纳米白炭黑极易团聚，在与橡胶材料的混合过程中不易分散均匀，这样不但会影响填充改性效果，而且还会损害橡胶材料的性能。

现有技术中采用常见的有偶联剂或表面活性剂改性，利用硅烷偶联剂、甲苯异氰酸酯、无机矿物、低聚物对白炭黑改性(如：cn101798473a、cn101817529a、cn101704967a等)；还有接枝聚合物改性和无机材料表面包覆改性，如：车剑飞等人采用多聚甲醛与一缩二乙二醇缩合聚合制备聚缩醛低聚物，利用甲苯-2,4-二异氰酸酯将二氧化硅表面活化后接枝聚缩醛低聚物(华南理工大学学报2005,29,33-333)。黄忠兵等人用甲基丙烯酰(3-三甲氧基硅烷)丙酯对二氧化硅表面改性，再通过无皂液聚合在改性二氧化硅表面包覆聚苯乙烯层(高分子学报2004,6,835-835)。上述方法虽然提高了纳米白炭黑粒子的分散性，增强了与橡胶基体的相容性，但这些方法仍存在一定的局限性，利用接枝聚合物改性和无机材料表面包覆改性纳米白炭黑时，存在反应耗时较长，能耗较高，操作复杂等缺点；而利用偶联剂或表面活性剂改性纳米白炭黑时，也存在用量大和生产成本高，分散稳定性差又易重新发生团聚等缺点。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种超分散型用做橡胶填料的纳米白炭黑的改性方法。该发明采用不饱和丙烯酸酯极性单体和丙烯酰胺极性单体复配，在对芳基乙烯类单体进行预乳化处理，利用原位聚合法制备改性纳米白炭黑。这种方法不仅解决了纳米白炭黑的易团聚问题，赋予了纳米白炭黑的超分散性，而且还杜绝了应长期存放而再次发生团聚的问题，保证了长期存放的稳定性。

本发明所述的“份”均是指质量份。

本发明所述的一种用做橡胶填料的纳米白炭黑的改性方法，具体的制备步骤为：

(1)单体预乳化液制备：按质量份计，将100份芳基乙烯类单体、1～5份乳化剂、100～200份去离子水、1.0～2.0份缓冲剂、0.01～0.2份引发剂一起放入反应器中，升温至40～60℃时，搅拌反应30～60分钟制备成单体预乳化液。

(2)复配极性单体混合液的制备：按质量份计，取100份不饱和丙烯酸酯极性单体和15～40份丙烯酰胺放入反应釜中搅拌混合5～10min；再加50～100份去离子水、1～3份缓冲剂调节溶液的ph为7.0～9.0，优选7.5～8.5，再搅拌混合10～30min组成复配极性单体混合液。

(3)改性纳米白炭黑的制备：按质量份计，取100份纳米白炭黑和5～25份复配极性单体混合液、200～300份去离子水、1～4份缓冲剂加入到聚合釜中搅拌混合10～30min；而后加入1～5份乳化剂、1～5份单体预乳化液，搅拌升温至50～70℃，再搅拌混合10～30min生成以纳米白炭黑粉体为中心被复配极性单体和芳基乙烯类单体包覆的聚合体，并将此作为复合乳液的种子；最后再加入10～30份单体预乳化液和0.1～0.2份引发剂，反应3.0～6.0h后，加入0.1～0.5份终止剂，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。

本发明所述的白炭黑是纳米级的，其粒径为：20～60nm。

本发明所述的极性单体丙烯酰胺，其纯度≥99％。

本发明所述的不饱和羧酸极性单体选自甲基丙烯酸甲酯(mma)、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯或甲基丙烯酸叔丁酯中的一种或几种的混合物，优选mma。

本发明所述的芳基乙烯类化合物可以是苯乙烯、α-甲基苯乙烯、2-苯丙烯、乙基苯乙烯及它们的衍生物中的一种或几种的混合物，优选苯乙烯。

本发明所述的引发剂为水溶性热引发剂，选自过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的一种，优选过硫酸钾。

本发明对所采用的乳化剂、缓冲剂、终止剂等均可以采用本领域通用的常规助剂，其加入量也是本领域技术人员根据胶乳的用量可以计算得到的常规用量，本发明不做特殊限定。如本发明所述的乳化剂为本领域技术人员所公知，可以是阴离子乳化剂和非离子乳化剂中的一种或多种。如：可以选自脂肪酸皂、松香酸皂、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、聚氧乙烯山梨醇酐单油酸脂中的一种或多种，优选十二烷基苯磺酸钠。

本发明所述的缓冲剂可以选自碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、氨水、碳酸氢铵中的一种，优选氢氧化钠。

本发明所述的终止剂可以选自二乙基羟胺、硫酸羟胺、福美钠中的一种或多种。

本发明所述的一种超分散纳米白炭黑的改性方法，以不饱和丙烯酸酯和丙烯酰胺极性单体进行复配，在弱碱性水溶液条件下，极性单体中的酯基和酰胺基与白炭黑表面上的羟基通过“氢键作用”连接在一起，达到多点锚固的形式吸附于白炭黑表面。随后通过芳基乙烯类单体与复配极性单体发生共聚反应，在纳米粒子表面形成了以两种锚固基团酯基和酰胺基为背、而芳基乙烯类聚合物为尾的一种超分散结构(见附图1)。由于氢键的键能较低，单点锚固的氢键难以保证足够的吸附强度，在掺混和存放时易发生脱离，使得白炭黑再次团聚。因此在设计超分散的分子结构时考虑到这点，首先通过多点锚固，增强对白炭黑表面的吸附强度，防止其脱离。其次由于多点锚固增大溶剂化链芳基乙烯类的空间密度，使得分子空间位阻效应变大。另外芳基乙烯类化合物作为溶剂化链的链结构不但具有非极性特点，不发生相互吸引的作用，而且同时又含有苯环结构，分子空间位阻效应大。因此这两点的协同效应可以用较少的改性剂就能够在纳米白炭黑粒子之间建立稳固的空间位阻层，阻碍粒子之间的相互团聚，在长期存放过程中纳米白炭黑粒子都能够实现以单一的颗粒形态非常稳定地存在。本发明有效地解决了纳米白炭黑的易团聚问题，同时又保证了纳米白炭黑的分散稳定性，达到能够长期存放的目的。本发明具有单体用量少，环境污染小，操作方法简单，适合工业化生产等优点。

附图说明

图1为纳米白炭黑粒子表面的高分散结构图。图中1表示以芳基乙烯类聚合物为尾的溶剂化链，2表示以酯基和酰胺基为锚固点的锚固基团，3表示白炭黑粒子。

图2为白炭黑(a)和改性白炭黑(b)的红外光谱谱图。在a上，在波数为1099cm^-1处出现si-o-si的不对称伸缩振动吸收峰，在波数为804cm^-1处出现si-o-si的对称伸缩振动吸收峰，在波数为465cm^-1处出现si-o-si的弯曲振动吸收峰。在b上，波数为1600～1500cm^-1处出现了羧基的弱吸收峰；波数为1715-1730cm^-1处出现了酯基的尖吸收峰；波数为3400～3250cm^-1处出现了酰胺基的尖吸收峰。可以看出芳基乙烯类与不饱丙烯酸酯和丙烯酰胺极性单体生成的聚合物已成功沉积在纳米白炭黑粒子表面。

具体实施方式

列举以下实施例和对比例来说明本发明的发明效果，但是本发明的保护范围并不仅限于这些实施例和对比例中。实施例和对比例所述的“份”均是指质量份。

⑴原料来源：

纳米白炭黑，粒径为40nm潍坊万利助剂有限公司

聚丙烯酰胺，纯度为99.1％河北松阳化工有限公司

苯乙烯，纯度为99.5％，兰州石化公司

α-甲基苯乙烯,纯度为99.0％，兰州鑫兰石油化工有限公司

甲基丙烯酸甲酯(mma)广州齐泰化工有限公司

甲基丙烯酸丁酯广州齐泰化工有限公司

过硫酸钾，湖北风兴银河化工集团公司

其它试剂均为市售工业品

⑵分析测试方法：

样品红外光谱分析：采用德国bruke光谱仪器公司红外光谱仪对纳米白炭黑改性前后样品进行官能团分析。将样品在100℃下在真空烘箱烘干，利用溴化钾压片，采集波数范围400-4000cm^-1。

沉降体积的测定方法：称取10g改性纳米白炭黑置于有刻度的100ml的具塞量筒内，加入一定量的分散剂(液体石蜡)，待改性纳米白炭黑被液体石蜡完全浸润后，再加入液体石蜡至100ml的刻度，以30次/1min的振荡频率充分振荡5min，使改性纳米白炭黑在液体石蜡内分散均匀，然后静置，读取不同时间的固体体积。相同时间的沉降体积能够在一定程度上反映颗粒与有机溶剂之间相容性的好坏，沉降体积大，说明白炭黑分散好，易相容。

吸油量的测定方法：参照《ys/t618-2007填料用氢氧化铝吸油量的测定方法》,取定量改性纳米白炭黑放入表面皿，将邻苯二甲酸二异辛酯按每次0.2ml滴加，每次滴加后，用调刀充分研磨，至粉末能够粘成大团不裂开为止，吸油量以每100g试样所吸油的体积v0(ml)表示，按下式计算:

式中，υ为消耗的邻苯二甲酸二异辛酯的体积(ml)；m为试样的质量(g)。吸油量在某种程度上反映了改性纳米白炭黑的比表面积，比表面积越低，吸油量就越低，湿润性就越好，反之亦然。

实施例1

(1)单体预乳化液的制备：将100份苯乙烯、1份十二烷基苯磺酸钠、100份去离子水、1.0份氢氧化钠、0.01份过硫酸钾一起放入反应器中，升温至40℃时，搅拌反应30分钟制备成苯乙烯预乳化液a。

(2)复配极性单体混合液的制备：取100份甲基丙烯酸甲酯(mma)和15份丙烯酰胺放入反应釜中搅拌混合5min；再加50份去离子水、1份氢氧化钠，再搅拌混合10min组成复配极性单体混合液a(混合液a的ph＝7.2)。

(3)改性纳米白炭黑的制备：取100份纳米白炭黑(40nm)和5份极性单体混合液a、200份去离子水、1.0份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合10min；然后加入1份十二烷基苯磺酸钠、1.0份苯乙烯预乳化液a，搅拌升温至65℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入10份苯乙烯预乳化液a和0.1份过硫酸钾，反应3.0h后，最后加入0.1份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

实施例2

(1)单体预乳化液的制备：同实施例1。

(2)复配极性单体混合液的制备：同实施例1。

(3)改性纳米白炭黑的制备：取100份纳米白炭黑(40nm)和10份极性单体混合液a、260份去离子水、2.0份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合20min；然后加入2份十二烷基苯磺酸钠、2.0份苯乙烯预乳化液a，搅拌升温至65℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入15份苯乙烯预乳化液a和0.13份过硫酸钾，反应4.0h后，最后加入0.2份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

实施例3

(1)单体预乳化液的制备：同实施例1。

(2)复配极性单体混合液的制备：同实施例1。

(3)改性纳米白炭黑的制备：取100份纳米白炭黑(40nm)和12份极性单体混合液a、270份去离子水、2.0份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合20min；然后加入3份十二烷基苯磺酸钠、2.5份苯乙烯预乳化液a，搅拌升温至65℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入18份苯乙烯预乳化液a和0.13份过硫酸钾，反应4.0h后，最后加入0.2份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

实施例4

(1)单体预乳化液的制备：将100份苯乙烯、3.5份十二烷基苯磺酸钠、170份去离子水、1.2份氢氧化钠、0.09份过硫酸铵一起放入反应器中，升温至45℃时，搅拌反应40分钟制备成苯乙烯预乳化液b。

(2)复配极性单体混合液的制备：取100份甲基丙烯酸甲酯(mma)和30份丙烯酰胺放入反应釜中搅拌混合5min；再加80份去离子水、2份氢氧化钠，再搅拌混合20min组成复配极性单体混合液b(混合液b的ph＝7.8)。

(3)改性纳米白炭黑的制备：取100份纳米白炭黑(40nm)和15份极性单体混合液b、260份去离子水、2.2份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合20min；然后加入3.2份十二烷基苯磺酸钠、2.8份苯乙烯预乳化液b，搅拌升温至65℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入20份苯乙烯预乳化液b和0.14份过硫酸钾，反应4.0h后，最后加入0.27份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

实施例5

(1)单体预乳化液的制备：同实施例4。

(2)复配极性单体混合液的制备：同实施例4。

(3)改性纳米白炭黑的制备：取100份纳米白炭黑(40nm)和17份极性单体混合液b、280份去离子水、2.3份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合20min；然后加入3.2份十二烷基苯磺酸钠、3.0份苯乙烯预乳化液b，搅拌升温至65℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入22份苯乙烯预乳化液b和0.15份过硫酸钾，反应4.0h后，最后加入0.25份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

实施例6

(1)单体预乳化液的制备：同实施例4。

(2)复配极性单体混合液的制备：同实施例4。

(3)改性纳米白炭黑的制备：取100份纳米白炭黑(40nm)和20份极性单体混合液b、270份去离子水、2.8份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合20min；然后加入3.5份十二烷基苯磺酸钠、4.0份苯乙烯预乳化液b，搅拌升温至65℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入25份苯乙烯预乳化液b和0.16份过硫酸钾，反应4.0h后，最后加入0.29份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

实施例7

(1)单体预乳化液的制备：将100份α-甲基苯乙烯、5.0份十二烷基苯磺酸钠、200份去离子水、2.0份氢氧化钠、0.2份过硫酸钾一起放入反应器中，升温至60℃时，搅拌反应60分钟制备成α-甲基苯乙烯预乳化液c。

(2)复配极性单体混合液的制备：取100份甲基丙烯酸丁酯和40份丙烯酰胺放入反应釜中搅拌混合10min；再加100份去离子水、3份氢氧化钠，再搅拌混合30min组成复配极性单体混合液c(混合液c的ph＝8.1)。

(3)改性纳米白炭黑的制备：取100份纳米白炭黑(40nm)和25份极性单体混合液c、300份去离子水、4.0份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合30min；然后加入5.0份十二烷基苯磺酸钠、5.0份α-甲基苯乙烯预乳化液c，搅拌升温至70℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入30份α-甲基苯乙烯预乳化液c和0.2份过硫酸钾，反应5.0h后，最后加入0.5份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

对比例1

(1)单体预乳化液的制备：同实施例1。

(2)复配极性单体混合液的制备：同实施例1。

(3)改性纳米白炭黑的制备：其它条件与实施例1相同，不同之处在于制备过程中极性单体混合液a的加入量为4份，即：取100份纳米白炭黑(40nm)和4份极性单体混合液a、200份去离子水、1.0份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合10min；然后加入1份十二烷基苯磺酸钠、1.0份苯乙烯预乳化液a，搅拌升温至65℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入10份苯乙烯预乳化液a和0.1份过硫酸钾，反应3.0h后，最后加入0.1份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

对比例2

(1)单体预乳化液制备：同实施例1。

(2)复配极性单体混合液的制备：同实施例1。

(3)高分散型纳米白炭黑的制备：其它条件与实施例2相同，不同之处在于原位聚合过程中苯乙烯预乳化液a的加入量为8份，即：取100份纳米白炭黑(40nm)和10份极性单体混合液a、260份去离子水、2.0份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合20min；然后加入2份十二烷基苯磺酸钠、2.0份苯乙烯预乳化液a，搅拌升温至65℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入8份苯乙烯预乳化液a和0.13份过硫酸钾，反应4.0h后，最后加入0.2份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

对比例3

(1)单体预乳化液制备：同实施例1。

(2)高分散型纳米白炭黑的制备：其它条件与实施例3相同，不同之处在于制备过程中不加极性单体混合液a，即：取100份纳米白炭黑(40nm)和270份去离子水、2.0份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合20min；然后加入3份十二烷基苯磺酸钠、2.5份苯乙烯预乳化液a，搅拌升温至65℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入18份苯乙烯预乳化液a和0.13份过硫酸钾，反应4.0h后，最后加入0.2份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

对比例4

(1)复配极性单体混合液的制备：同实施例4。

(2)高分散型纳米白炭黑的制备：其它条件与实施例4相同，不同之处在于原位聚合过程中不加苯乙烯预乳化液b，即：取100份纳米白炭黑(40nm)和15份极性单体混合液b、260份去离子水、2.2份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合20min；然后加入3.2份十二烷基苯磺酸钠、2.8份苯乙烯预乳化液b，搅拌升温至65℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入0.14份过硫酸钾，反应4.0h后，最后加入0.27份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

对比例5

(1)单体预乳化液的制备：同实施例4。

(2)复配极性单体混合液的制备：同实施例4。

(3)高分散型纳米白炭黑的制备：其它条件与实施例5相同，不同之处在于原位聚合过程中不加引发剂过过硫酸钾，苯乙烯预乳化液b只是对白炭黑粒子表面进行涂覆，即：取100份纳米白炭黑(40nm)和17份极性单体混合液b、280份去离子水、2.3份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合20min；然后加入3.2份十二烷基苯磺酸钠、3.0份苯乙烯预乳化液b，搅拌升温至65℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入22份苯乙烯预乳化液b反应4.0h后，最后加入0.25份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

对比例6

(1)单体预乳化液的制备：同实施例4。

(2)高分散型纳米白炭黑的制备：其它条件与实施例6相同，不同之处在于制备过程中不加极性单体混合液b，而是直接加入20份甲基丙烯酸甲酯(mma)，即：取100份纳米白炭黑(40nm)和20份mma、270份去离子水、2.8份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合20min；然后加入3.5份十二烷基苯磺酸钠、4.0份苯乙烯预乳化液b，搅拌升温至65℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入25份苯乙烯预乳化液b和0.16份过硫酸钾，反应4.0h后，最后加入0.29份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

对比例7

(1)单体预乳化液制备：同实施例7

(2)高分散型纳米白炭黑的制备：其它条件与实施例7相同，不同之处在于制备过程中不加极性单体混合液c，而是直接加入25份丙烯酰胺，即:取100份纳米白炭黑(40nm)和25份丙烯酰胺、300份去离子水、4.0份氢氧化钠加入到聚合釜中搅拌混合30min；然后加入5.0份十二烷基苯磺酸钠、5.0份α-甲基苯乙烯预乳化液c，搅拌升温至70℃，再搅拌混合25min生成以纳米白炭黑粉体为中心的复合乳液的种子；然后再加入30份α-甲基苯乙烯预乳化液c和0.2份过硫酸钾，反应5.0h后，最后加入0.5份二乙基羟胺，经洗涤、脱水、干燥、研磨制得改性纳米白炭黑。取样分析：制成标准试样，经测试性能见表1。

表1改性纳米白炭黑的沉降体积和吸油率

由表1可知：在相同时间下实施例的沉降体积均比对比例大，且吸油量均低于对比例，说明本发明的改性效果明显。其次从实施例1～7可以看出改性纳米白炭黑放置六个月后测得的沉降体积(120min)和吸油率与未放置的变化不大，说明改性纳米白炭黑的分散稳定性好，能够达到长期存放。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。