การดัดแปลงคาร์บอนแบล็คและการใช้งานในยาง

คาร์บอนแบล็คเป็นคาร์บอนแบล็กอสัณฐานที่เป็นผงสีดำที่หลวม เบา และละเอียดมาก เป็นสารตัวเติมเสริมที่สำคัญที่สุดในอุตสาหกรรมยาง และใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการพิมพ์และการย้อมสี ยาง การแปรรูปพลาสติก และอุตสาหกรรมการขนส่ง จากการศึกษาพบว่าการดัดแปลงทางเคมีของคาร์บอนแบล็คสามารถปรับปรุงคุณสมบัติต่างๆ ของคาร์บอนแบล็คได้อย่างมาก ซึ่งเป็นประเด็นร้อนในการวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับคาร์บอนแบล็ค

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดพิเศษสำหรับประสิทธิภาพของคาร์บอนแบล็คในการใช้งานบางอย่าง วัตถุประสงค์ของการดัดแปลงสามารถทำได้โดยกระบวนการหลังการแปรรูปคาร์บอนแบล็ค เริ่มจากองค์ประกอบองค์ประกอบและกลุ่มฟังก์ชันพื้นผิวของคาร์บอนแบล็ค มีสามวิธีในการปรับปรุงการดัดแปลงที่ชอบน้ำของคาร์บอนแบล็ค: การดัดแปลงออกซิเดชัน การปรับเปลี่ยนกราฟต์ และการปรับเปลี่ยนการเคลือบ

การปรับเปลี่ยนกราฟต์

การปรับเปลี่ยนกราฟต์เป็นหนึ่งในวิธีการดัดแปลงยางที่มีการศึกษากันอย่างแพร่หลายมากที่สุด การปรับเปลี่ยนกราฟต์คือการต่อกิ่งสายโซ่พอลิเมอร์หรือสารประกอบโมเลกุลต่ำบนพื้นผิวของคาร์บอนแบล็คและยึดติดไว้อย่างแน่นหนากับพื้นผิวของคาร์บอนแบล็กเพื่อป้องกันการรวมตัวระหว่างอนุภาคเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ของการกระจายตัว

1. การปลูกถ่ายคาร์บอนแบล็คและน้ำหนักโมเลกุลต่ำ

AO-80 (สารต้านอนุมูลอิสระอินทรีย์) สลายตัวภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูงเพื่อสร้างอนุมูลอิสระระดับโมเลกุลขนาดเล็ก ในของเหลว CO₂ วิกฤตยิ่งยวด โมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็ก (AO-80) ถูกใช้เพื่อต่อกิ่งคาร์บอนแบล็คบนพื้นผิวเพื่อเตรียมโมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็ก กราฟต์นาโนคาร์บอนแบล็ค การวิเคราะห์แผนที่ขนาดอนุภาคหลังจากการต่อกิ่งโมเลกุล AO-80 ลงบนพื้นผิวของคาร์บอนแบล็คได้ข้อสรุปว่าขนาดอนุภาคของมวลรวมคาร์บอนแบล็กดัดแปลงนั้นเล็กกว่าและแคบกว่า

2. การปลูกถ่ายถ่านกัมมันต์แบล็กและพอลิเมอร์

การใช้ลักษณะของโพลีเมอร์ไฮเปอร์แบรนช์กลุ่มปลายจำนวนมาก และการปรับเปลี่ยนคาร์บอนแบล็กด้วยโพลีเมอร์ไฮเปอร์แบรนช์ปลายแสงอาจทำให้การรวมตัวของอนุภาคคาร์บอนแบล็คดัดแปลงลดลง ไฮเปอร์แบรนช์พอลิเมอร์แกรฟต์ดัดแปลงคาร์บอนแบล็ก: คาร์บอนแบล็กถูกเมทิลเลตก่อน จากนั้นค่อยต่อกิ่งไฮเปอร์แบรนช์พอลิ (เอไมด์เอทิล) ชนิด AB₃ ลงบนพื้นผิวของคาร์บอนแบล็ค

3. การปลูกถ่ายเพื่อดักจับอนุมูลอิสระบนผิวคาร์บอนแบล็ค

โซเดียมพอลิสไตรีนซัลโฟเนต (PSS) เป็นพอลิเมอร์ที่ละลายน้ำได้และมีปฏิกิริยาต่อผิวหน้าที่ดี ในสภาพแวดล้อมอัลตราโซนิก โมโนเมอร์โซเดียมสไตรีนซัลโฟเนตผ่านการเกิดพอลิเมอไรเซชันอนุมูลอิสระ และอนุมูลอิสระสายโซ่ยาวของพอลิเมอร์ที่สร้างขึ้นจะถูกจับที่พื้นผิวของคาร์บอนแบล็คเพื่อเตรียมพอลิเมอร์กราฟต์คาร์บอนแบล็ก

การปรับเปลี่ยนออกซิเดชัน

อนุภาคคาร์บอนแบล็กถูกออกซิไดซ์โดยสารออกซิแดนท์เพื่อผ่านการดัดแปลง การบำบัดด้วยออกซิเดชันของคาร์บอนแบล็คสามารถเปลี่ยนพื้นที่ผิวจำเพาะ ความพรุน และค่าการนำไฟฟ้าของคาร์บอนแบล็คได้

การบำบัดด้วยออกซิเดชันที่พื้นผิว (การเกิดออกซิเดชันในเฟสของแก๊สและการออกซิเดชันในเฟสของเหลว) จะเพิ่มประเภทและจำนวนของกลุ่มฟังก์ชันที่ประกอบด้วยออกซิเจนบนพื้นผิวของคาร์บอนแบล็ค ซึ่งสามารถเพิ่มเนื้อหาระเหยของคาร์บอนแบล็ค ลด pH และปรับปรุงกิจกรรมพื้นผิวและขั้ว

1. วิธีเฟสแก๊ส

การดัดแปลงเฟสแก๊สของคาร์บอนแบล็คเป็นวิธีการดัดแปลงแบบดั้งเดิม ออกซิเจน โอโซน อากาศแห้ง และออกซิเจนอะตอมมิกหรืออากาศชื้นเป็นสารออกซิไดซ์หลัก ก๊าซเฉื่อยถูกนำมาใช้ภายใต้สภาวะปิด จากนั้นอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นจนถึงอุณหภูมิของปฏิกิริยา จากนั้นจึงนำออกซิไดซ์เพื่อทำปฏิกิริยาดัดแปลง หลังจากเกิดปฏิกิริยาจะมีการแนะนำก๊าซเฉื่อย ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อเวลาทดสอบเพิ่มขึ้นและอุณหภูมิของปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น ยิ่งกลุ่มที่มีออกซิเจนอยู่บนพื้นผิวคาร์บอนแบล็คมากเท่าใด การกระจายตัวในเมทริกซ์ยางก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น

2. วิธีเฟสของเหลว

วิธีเฟสของเหลวหรือที่เรียกว่าวิธีการออกซิเดชันทางเคมีเป็นวิธีการดัดแปลงโดยที่สารออกซิไดซ์ทำปฏิกิริยากับคาร์บอนแบล็คเพื่อสร้างอนุมูลอิสระ คาร์บอกซิล เรดิคัล และอนุมูลแสงบนพื้นผิวของคาร์บอนแบล็ค Cabot Elastomer Composite (CEC) ที่วิจัยโดย Wang Mengjiao และบริษัทอื่น ๆ เป็นมาสเตอร์แบทช์ NR ฟิลเลอร์ตัวแรกที่ผลิตโดยกระบวนการผสมเฟสของเหลวอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีนี้ช่วยให้สามารถรักษาสิ่งแวดล้อม ใช้พลังงานต่ำ กระบวนการง่ายๆ และสิ้นเปลืองแรงงานต่ำ เมื่อเปรียบเทียบกับการผสมยางแบบแห้ง วัสดุนี้สามารถปรับปรุงคุณสมบัติของยางวัลคาไนซ์ได้อย่างมาก รวมถึงลดการสูญเสียฮิสเทรีซิส ปรับปรุงความต้านทานการตัดและความต้านทานการงอ และเพิ่มความต้านทานการสึกหรอของยางวัลคาไนซ์เมื่อปริมาณของสารตัวเติมเพิ่มขึ้น

การปรับเปลี่ยนการเคลือบ

ผสมคาร์บอนแบล็กกับคาร์บอนแบล็คสีขาวที่กระจายตัวในน้ำเพื่อทำเป็นสารละลาย ใส่เมทานอล เมทิลไตรเอทอกซีไซเลน โซเดียมซิลิเกต และสารช่วยกระจายตัวอื่นๆ ในปริมาณที่เหมาะสม เพื่อทำให้คาร์บอนแบล็คสีขาวเคลือบพื้นผิวของคาร์บอนแบล็ค และทำให้เกิดคาร์บอนดัดแปลง สีดำถูกเติมลงในยาง สายพานลำเลียง และลูกกลิ้งยาง ทำให้ยางวัลคาไนซ์มีคุณสมบัติทางกายภาพที่ดีเยี่ยม เช่น ทนต่อการสึกหรอสูง การยึดเกาะสูง และความต้านทานการหมุนต่ำ

การใช้คาร์บอนแบล็คดัดแปลงในยาง

ในอุตสาหกรรมยาง คาร์บอนแบล็กถูกใช้อย่างแพร่หลายในฐานะสารเสริมแรง และ 90% ของการผลิตคาร์บอนแบล็คทั่วโลกถูกใช้ในอุตสาหกรรมยาง

• การประยุกต์ใช้ยางธรรมชาติ (ยางธรรมชาติ)

คาร์บอนแบล็กที่ถูกดัดแปลงโดยก๊าซไพโรไลซิสถูกใช้เป็นสารเสริมแรงและเติมลงในยางด้วย HAF เมื่อปริมาณคาร์บอนแบล็กดัดแปลงเพิ่มขึ้น ความเค้นดึง 300% ของสารประกอบวัลคาไนซ์จะเพิ่มขึ้น การยืดตัวลดลง และชุดการอัดจะลดลง แรงฉีกขาดลดลง

ผลของการปรับเปลี่ยนก๊าซไพโรไลซิส-I และ HAF ต่อประสิทธิภาพของ NR

• การใช้งานใน EPDM (ยางเอทิลีนโพรพิลีนไดอีนโมโนเมอร์)

ยาง EPDM (EPDM) มีความทนทานต่อโอโซนและต้านทานการเสื่อมสภาพได้ดีเยี่ยม มักเติมด้วยคาร์บอนแบล็กดัดแปลงโดยการปลูกถ่ายโมโนเมอร์ไกลซิดิลเมทาคริเลต (GMA) เพื่อปรับปรุงกระบวนการผลิตและคุณสมบัติทางกล

คาร์บอนแบล็กถูกดัดแปลงด้วยกรดไขมันแสงไม่อิ่มตัวเพื่อเพิ่มการวัลคาไนซ์และคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของยาง EPDM พบว่าการเติมกรดไขมันไม่อิ่มตัวช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการฉีกขาดและประสิทธิภาพการดัดงอของยางวัลคาไนซ์อย่างมีนัยสำคัญ ขณะที่ยังคงสมรรถนะค่อนข้างสูง ประสิทธิภาพการเสื่อมสภาพของออกซิเจนด้วยความร้อนที่ดีสามารถนำไปใช้กับผลิตภัณฑ์ยางที่ดูดซับแรงกระแทกได้เป็นอย่างดี

• การใช้งานใน SBRL (ยางสไตรีนบิวทาไดอีนวัลคาไนซ์)

ยางสไตรีนบิวทาไดอีนเป็นน้ำยางที่ใช้ในอุตสาหกรรมทั่วไป ซึ่งมีข้อดีคือมีต้นทุนต่ำและมีแหล่งน้ำกว้าง โซเดียมสไตรีนซัลโฟเนตใช้ในการดัดแปลงคาร์บอนแบล็คเพื่อเตรียมระบบกันสะเทือนคาร์บอนแบล็คที่กระจายตัวในระดับนาโน จากนั้นระบบกันสะเทือนของคาร์บอนแบล็คจะผสมกับ SBRL เพื่อเตรียม SBRL เสริมคาร์บอนแบล็คที่ได้รับการดัดแปลง ซึ่งใช้กับน้ำมันซ่อมแซมยางรถยนต์

• การประยุกต์ใช้กับยูรีเทนเคลือบหลุมร่องฟัน

ต่อหน้าผู้ริเริ่มเบนโซอิลเปอร์ออกไซด์ พื้นผิวของคาร์บอนแบล็กธรรมดาจะถูกดัดแปลงแบบอินทรีย์ด้วยสไตรีน

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของคาร์บอนแบล็คที่เติมลงในสารเคลือบหลุมร่องฟันก่อนและหลังการดัดแปลง

สารเคลือบหลุมร่องฟันที่ทำจากสารประกอบคาร์บอนแบล็คดัดแปลงมีความต้านทานแรงดึง ความแข็ง การยืดตัวและแรงเฉือนที่ดี และช่วยลดต้นทุน และใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านซีล เช่น การก่อสร้างและรถยนต์

ที่มาของบทความ: China Powder Network