Modificação do negro de fumo e sua aplicação em borracha

O negro de fumo é um carbono amorfo, pulverulento, negro, solto, leve, extremamente fino. É o enchimento de reforço mais importante na indústria da borracha e é amplamente utilizado nas indústrias de impressão e tingimento, borracha, processamento de plástico e transporte. Estudos demonstraram que a modificação química do negro de fumo pode melhorar muito várias propriedades do negro de fumo, que também é um tópico importante nas pesquisas atuais sobre o negro de fumo.

A fim de atender aos requisitos especiais de desempenho do negro de fumo em algumas aplicações, o propósito de modificação pode ser alcançado por meio do pós-processamento do negro de fumo. Partindo da composição do elemento e dos grupos funcionais de superfície do negro de fumo, existem três maneiras de aumentar a modificação hidrofílica do negro de fumo: modificação por oxidação, modificação do enxerto e modificação do revestimento.

Modificação de enxerto

A modificação do enxerto é um dos métodos mais amplamente estudados de modificação da borracha. A modificação do enxerto consiste em enxertar cadeias de polímero ou compostos de baixo peso molecular na superfície do negro de fumo e ligá-los firmemente à superfície do negro de fumo para evitar a agregação entre as partículas para atingir o propósito de dispersão.

1. Enxerto de negro de fumo e baixo peso molecular

AO-80 (um antioxidante orgânico) se decompõe em condições de alta temperatura para gerar pequenos radicais livres moleculares. No fluido supercrítico de CO₂ , pequenas moléculas orgânicas (AO-80) são usadas para enxertar o negro de fumo na superfície para preparar pequenas moléculas orgânicas enxertadas com nanopartículas de negro de fumo. A análise do mapa de tamanho de partícula após o enxerto de moléculas AO-80 na superfície do negro de fumo chega à conclusão de que o tamanho de partícula dos agregados de negro de fumo modificado é menor e mais estreito.

2. Enxerto de negro de fumo ativado e polímero

Utilizar as características de um grande número de grupos terminais de polímeros hiper-ramificados e modificar o negro de fumo com polímeros hiper-ramificados de extremidade clara pode enfraquecer a agregação de partículas de negro de fumo modificadas. Negro de fumo modificado com enxerto de polímero hiper-ramificado: o negro de fumo é primeiro metilado e, em seguida, poli (amida etil) hiper-ramificada do tipo AB₃ é enxertado na superfície do negro de fumo.

3. Enxerto para capturar radicais livres na superfície do negro de fumo

O poliestireno sulfonato de sódio (PSS) é um polímero solúvel em água com boa atividade interfacial. Em um ambiente ultrassônico, o monômero de estireno sulfonato de sódio sofre polimerização de radical livre e os radicais livres de cadeia longa do polímero gerados são capturados pela superfície do negro de fumo para preparar negro de fumo enxertado com polímero.

Modificação de oxidação

Partículas de negro de fumo são oxidadas por um oxidante para sofrer modificação. O tratamento de oxidação do negro de fumo pode alterar a área de superfície específica, a porosidade e a condutividade do negro de fumo.

O tratamento de oxidação de superfície (oxidação em fase gasosa e oxidação em fase líquida) aumenta o tipo e o número de grupos funcionais contendo oxigênio na superfície do negro de fumo, o que pode aumentar o conteúdo volátil do negro de fumo, reduzir o pH e melhorar a atividade superficial e a polaridade.

1. Método da fase gasosa

A modificação do negro de fumo em fase gasosa é um método de modificação tradicional. Oxigênio, ozônio, ar seco e oxigênio atômico ou ar úmido são os principais oxidantes. O gás inerte é introduzido em condições fechadas e, em seguida, a temperatura é elevada até a temperatura de reação e, em seguida, o oxidante é introduzido para realizar a reação de modificação. Após a reação, o gás inerte é introduzido. Os resultados experimentais mostram que à medida que o tempo de teste aumenta e a temperatura da reação aumenta, quanto mais grupos contendo oxigênio na superfície do negro de fumo, melhor será a dispersibilidade na matriz de borracha.

2. Método da fase líquida

O método da fase líquida, também conhecido como método de oxidação química, é um método de modificação no qual um oxidante reage com o negro de fumo para gerar alguns radicais, radicais carboxila e radicais de luz na superfície do negro de fumo. O Cabot Elastomer Composite (CEC) pesquisado por Wang Mengjiao e outros é o primeiro masterbatch de enchimento NR produzido por um processo de mistura de fase líquida contínua. Essa tecnologia torna possível a proteção ambiental, baixo consumo de energia, processo simples e baixo consumo de mão de obra. Comparado com a composição de borracha seca, este material pode melhorar significativamente as propriedades da borracha vulcanizada, incluindo a redução da perda de histerese, melhorando a resistência ao corte e à flexão e aumentando a resistência ao desgaste da borracha vulcanizada quando a quantidade de enchimento é aumentada.

Modificação de revestimento

Misture negro de fumo com negro de fumo branco disperso em água para fazer uma pasta, adicione uma quantidade adequada de metanol, metil trietoxi silano, silicato de sódio e outros dispersantes para fazer o negro de fumo branco revestir a superfície do negro de fumo e o carbono modificado resultante preto é preenchido Em pneus, correias transportadoras e rolos de borracha, pode dar à borracha vulcanizada excelentes propriedades físicas, como alta resistência ao desgaste, alta aderência e baixa resistência ao rolamento.

Aplicação de negro de fumo modificado em borracha

Na indústria da borracha, o negro de fumo é amplamente utilizado como agente de reforço e 90% da produção global de negro de fumo é usado na indústria da borracha.

• Aplicação em NR (Borracha Natural)

O negro de fumo modificado pelo gás de pirólise é usado como agente de reforço e adicionado à borracha com HAF. Conforme a quantidade de negro de fumo modificado aumenta, a tensão de tração de 300% do composto vulcanizado aumenta, o alongamento diminui e a deformação por compressão diminui. A resistência ao rasgo foi reduzida.

O efeito da modificação do gás de pirólise-I e HAF no desempenho do NR

• Aplicação em EPDM (borracha de monômero de etileno propileno dieno)

A borracha EPDM (EPDM) tem excelente resistência ao ozônio e ao envelhecimento. É frequentemente preenchido com negro de fumo modificado por enxerto de monômero de glicidil metacrilato (GMA) para melhorar seu processamento e propriedades mecânicas.

O negro de fumo foi modificado com ácido graxo leve insaturado para melhorar a vulcanização e as propriedades físicas e mecânicas da borracha EPDM. Verificou-se que a adição de ácido graxo insaturado melhorou significativamente o desempenho de rasgo e de flexão da borracha vulcanizada, mantendo um desempenho relativamente alto. Bom desempenho de envelhecimento térmico de oxigênio pode ser bem aplicado a produtos de borracha com absorção de choque.

• Aplicação em SBRL (borracha de estireno butadieno vulcanizada)

A borracha de estireno butadieno é um látex industrial comumente usado, que tem as vantagens de baixo custo e fontes amplas. O sulfonato de estireno de sódio é usado para modificar o negro de fumo para preparar uma suspensão de negro de fumo nano-dispersa e, em seguida, a suspensão de negro de fumo é misturada com SBRL para preparar SBRL reforçado com negro de fumo modificado, que é aplicado ao fluido de reparo de pneus.

• Aplicação em selante de poliuretano

Na presença do peróxido de benzoíla iniciador, a superfície do negro de fumo comum é modificada organicamente com estireno.

Comparação de desempenho do negro de fumo adicionado ao selante antes e depois da modificação

O selante feito de composto de negro de fumo modificado tem boa resistência à tração, dureza, alongamento e resistência ao cisalhamento e reduz o custo, e é amplamente utilizado em áreas de vedação, como construção e automóveis.

Fonte do artigo: China Powder Network