카본 블랙 개질 및 고무에서의 응용
카본 블랙은 느슨하고 가벼우며 극도로 미세한 흑색 분말 비정질 탄소입니다. 고무 산업에서 가장 중요한 보강 충전재로 인쇄 및 염색, 고무, 플라스틱 가공 및 운송 산업에 널리 사용됩니다. 연구에 따르면 카본 블랙의 화학적 변형은 카본 블랙의 다양한 특성을 크게 향상시킬 수 있으며 이는 카본 블랙에 대한 현재 연구에서도 뜨거운 주제입니다.
일부 응용 분야에서 카본 블랙의 성능에 대한 특별한 요구 사항을 충족하기 위해 수정 목적은 카본 블랙을 후처리하여 달성할 수 있습니다. 카본 블랙의 원소 조성과 표면 작용기로부터 시작하여 카본 블랙의 친수성 개질을 향상시키는 세 가지 방법이 있습니다: 산화 개질, 그래프트 개질 및 코팅 개질.
이식편 수정
이식편 변형은 가장 널리 연구된 고무 변형 방법 중 하나입니다. 그라프트 개질은 고분자 사슬이나 저분자 화합물을 카본블랙 표면에 접목시켜 카본블랙 표면에 단단하게 결합시켜 입자간의 뭉침을 방지하여 분산 목적을 달성하는 것이다.
- 카본블랙과 저분자의 접목
AO-80(유기 항산화제)은 고온 조건에서 분해되어 소분자 자유 라디칼을 생성합니다. 초임계 CO2 유체에서 작은 유기 분자(AO-80)를 사용하여 표면에 카본 블랙을 그래프트하여 작은 유기 분자를 제조합니다. 그래프트된 나노 카본 블랙 입자. 카본블랙 표면에 AO-80 분자를 접목한 후 입도맵을 분석한 결과, 개질된 카본블랙 응집체의 입도가 점점 작아지고 있음을 알 수 있다.
- 활성탄 블랙과 폴리머의 접목
많은 수의 하이퍼브랜치 폴리머 말단 그룹의 특성을 이용하고 가벼운 말단 하이퍼브랜치 폴리머로 카본 블랙을 개질하면 개질된 카본 블랙 입자의 응집을 약화시킬 수 있습니다. 하이퍼브랜치 폴리머 그라프트 변성 카본 블랙: 카본 블랙을 먼저 메틸화한 다음, 카본 블랙 표면에 AB3 형 하이퍼브랜치 폴리(아미드 에틸)을 그래프트합니다.
- 카본 블랙 표면의 자유 라디칼을 포착하기 위한 접목
폴리스티렌 설포네이트 나트륨(PSS)은 계면 활성이 좋은 수용성 고분자입니다. 초음파 환경에서 단량체 스티렌 술폰산 나트륨은 자유 라디칼 중합을 겪고 생성 된 고분자 장쇄 자유 라디칼은 카본 블랙 표면에 포착되어 고분자 그래프트 카본 블랙을 제조합니다.
산화 변형
카본 블랙 입자는 산화제에 의해 산화되어 개질된다. 카본 블랙의 산화 처리는 카본 블랙의 비표면적, 다공성 및 전도성을 변화시킬 수 있습니다.
표면 산화 처리(기상 산화 및 액상 산화)는 카본 블랙 표면의 산소 함유 작용기의 유형 및 수를 증가시켜 카본 블랙의 휘발성 함량을 증가시키고 pH를 감소시키며 표면 활성 및 극성을 개선할 수 있습니다.
- 기체상법
카본 블랙의 기상 개질은 전통적인 개질 방법입니다. 산소, 오존, 건조한 공기 및 원자 산소 또는 습한 공기가 주요 산화제입니다. 불활성 가스를 밀폐된 상태에서 도입한 후 반응 온도까지 승온시킨 후 산화제를 도입하여 개질 반응을 수행한다. 반응 후 불활성 가스가 도입됩니다. 실험 결과는 테스트 시간이 증가하고 반응 온도가 증가할수록 카본 블랙 표면에 산소 함유 그룹이 많을수록 고무 매트릭스에서 더 나은 분산성을 보여줍니다.
- 액상법
화학적 산화법으로도 알려진 액상법은 산화제가 카본 블랙과 반응하여 카본 블랙 표면에 소수의 라디칼, 카르복실 라디칼 및 경질 라디칼을 생성하는 개질 방법입니다. Wang Mengjiao 등이 연구한 Cabot Elastomer Composite(CEC)는 연속 액상 혼합 공정으로 생산된 최초의 NR 필러 마스터 배치입니다. 이 기술은 환경 보호, 낮은 에너지 소비, 간단한 공정 및 낮은 노동 소비를 가능하게 합니다. 건식 고무 배합에 비해 이 재료는 히스테리시스 손실 감소, 내절단성 및 내굴곡성 향상, 충전제의 양이 증가할 때 가황 고무의 내마모성 증가를 포함하여 가황 고무의 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
코팅 수정
카본블랙에 수분산된 화이트 카본블랙을 혼합하여 슬러리를 만들고 메탄올, 메틸트리에톡시실란, 규산나트륨 및 기타 분산제를 적당량 첨가하여 화이트 카본블랙이 카본블랙의 표면을 코팅하게 하고 생성된 변성탄소 검정색 충전 타이어, 컨베이어 벨트 및 고무 롤러에 가황 고무에 높은 내마모성, 높은 그립 및 낮은 구름 저항과 같은 우수한 물리적 특성을 부여할 수 있습니다.
고무에 변성 카본 블랙 적용
고무산업에서 카본블랙은 보강제로 널리 사용되며 전세계 카본블랙 생산량의 90%가 고무산업에서 사용된다.
- NR(천연고무) 적용
열분해 가스에 의해 변성된 카본 블랙은 강화제로 사용되며 HAF와 함께 고무에 첨가됩니다. 변성 카본 블랙의 양이 증가함에 따라 가황 화합물의 300% 인장 응력이 증가하고 연신율이 감소하며 압축 영구 변형이 감소합니다. 인열 강도가 감소했습니다.
NR 성능에 대한 열분해 가스 변형 I 및 HAF의 영향
| 성능 | HAF/열분해 가스 개질 카본 블랙-II | ||||
| 100/0 | 70/30 | 50/50 | 30/70 | 0/100 | |
| 300% 고정 신장 응력/MPa | 8.3 | 8.2 | 8.8 | 9.0 | 9.5 |
| 인장 강도/MPa | 32.5 | 39.7 | 27.1 | 26.5 | 23.1 |
| 파단신율/% | 586 | 593 | 548 | 535 | 496 |
| 영구 변형/% | 36.4 | 30.8 | 26.8 | 22.6 | 24.0 |
| 자우어 A 경도/도 | 61.5 | 58 | 58 | 60 | 61 |
| 내한계수(-40℃) | 0.8 | 0.83 | 0.84 | 0.8 | 0.8 |
- EPDM(에틸렌프로필렌디엔모노머고무) 적용
EPDM 고무(EPDM)는 내오존성 및 내노화성이 우수합니다. 가공 및 기계적 특성을 개선하기 위해 글리시딜 메타크릴레이트(GMA) 단량체 그래프팅으로 개질된 카본 블랙으로 채워지는 경우가 많습니다.
카본블랙은 EPDM 고무의 가황 및 물리적, 기계적 특성을 향상시키기 위해 불포화 경질 지방산으로 개질되었습니다. 불포화 지방산의 첨가는 비교적 높은 성능을 유지하면서 가황 고무의 인열 성능 및 굽힘 성능을 유의하게 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 우수한 열적 산소 노화 성능은 충격 흡수 고무 제품에 잘 적용될 수 있습니다.
- SBRL(가황 스티렌 부타디엔 고무)에 적용
스티렌 부타디엔 고무는 일반적으로 사용되는 산업용 라텍스로 비용이 저렴하고 소스가 광범위합니다. 나트륨 스티렌 설포네이트를 사용하여 카본 블랙을 개질하여 나노 분산 카본 블랙 현탁액을 제조한 다음 카본 블랙 현탁액을 SBRL과 혼합하여 개질 카본 블랙 강화 SBRL을 제조하여 타이어 수리액에 적용합니다.
- 폴리우레탄 실란트에 적용
개시제 벤조일 퍼옥사이드의 존재하에 일반 카본 블랙의 표면은 스티렌으로 유기적으로 개질된다.
실런트에 첨가한 카본블랙의 개질 전후 성능 비교
| 프로젝트 | 수정 전 실런트 | 수정된 실란트 |
| 인장 강도/MPa | 3.2 | 4.43 |
| 파단신율/% | 423 | 597 |
| 전단 강도/MPa | 1.9 | 2.6 |
| 자우어 A 경도/도 | 40 | 42 |
| 처짐 저항/mm | 3.64 | 6.84 |
변성 카본블랙 컴파운드로 만들어진 실런트는 인장강도, 경도, 신도 및 전단강도가 우수하여 비용을 절감할 수 있어 건축, 자동차 등의 실링 분야에 널리 사용되고 있습니다.
기사 출처: 차이나 파우더 네트워크