การดัดแปลงคาร์บอนแบล็คและการใช้งานในยาง
คาร์บอนแบล็คเป็นคาร์บอนแบล็กอสัณฐานที่เป็นผงสีดำที่หลวม เบา และละเอียดมาก เป็นสารตัวเติมเสริมที่สำคัญที่สุดในอุตสาหกรรมยาง และใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการพิมพ์และการย้อมสี ยาง การแปรรูปพลาสติก และอุตสาหกรรมการขนส่ง จากการศึกษาพบว่าการดัดแปลงทางเคมีของคาร์บอนแบล็คสามารถปรับปรุงคุณสมบัติต่างๆ ของคาร์บอนแบล็คได้อย่างมาก ซึ่งเป็นประเด็นร้อนในการวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับคาร์บอนแบล็ค
เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดพิเศษสำหรับประสิทธิภาพของคาร์บอนแบล็คในการใช้งานบางอย่าง วัตถุประสงค์ของการดัดแปลงสามารถทำได้โดยกระบวนการหลังการแปรรูปคาร์บอนแบล็ค เริ่มจากองค์ประกอบองค์ประกอบและกลุ่มฟังก์ชันพื้นผิวของคาร์บอนแบล็ค มีสามวิธีในการปรับปรุงการดัดแปลงที่ชอบน้ำของคาร์บอนแบล็ค: การดัดแปลงออกซิเดชัน การปรับเปลี่ยนกราฟต์ และการปรับเปลี่ยนการเคลือบ
การปรับเปลี่ยนกราฟต์
การปรับเปลี่ยนกราฟต์เป็นหนึ่งในวิธีการดัดแปลงยางที่มีการศึกษากันอย่างแพร่หลายมากที่สุด การปรับเปลี่ยนกราฟต์คือการต่อกิ่งสายโซ่พอลิเมอร์หรือสารประกอบโมเลกุลต่ำบนพื้นผิวของคาร์บอนแบล็คและยึดติดไว้อย่างแน่นหนากับพื้นผิวของคาร์บอนแบล็กเพื่อป้องกันการรวมตัวระหว่างอนุภาคเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ของการกระจายตัว
- การปลูกถ่ายคาร์บอนแบล็คและน้ำหนักโมเลกุลต่ำ
AO-80 (สารต้านอนุมูลอิสระอินทรีย์) สลายตัวภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูงเพื่อสร้างอนุมูลอิสระระดับโมเลกุลขนาดเล็ก ในของเหลว CO2 วิกฤตยิ่งยวด โมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็ก (AO-80) ถูกใช้เพื่อต่อกิ่งคาร์บอนแบล็คบนพื้นผิวเพื่อเตรียมโมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็ก กราฟต์นาโนคาร์บอนแบล็ค การวิเคราะห์แผนที่ขนาดอนุภาคหลังจากการต่อกิ่งโมเลกุล AO-80 ลงบนพื้นผิวของคาร์บอนแบล็คได้ข้อสรุปว่าขนาดอนุภาคของมวลรวมคาร์บอนแบล็กดัดแปลงนั้นเล็กกว่าและแคบกว่า
- การปลูกถ่ายถ่านกัมมันต์แบล็กและพอลิเมอร์
การใช้ลักษณะของโพลีเมอร์ไฮเปอร์แบรนช์กลุ่มปลายจำนวนมาก และการปรับเปลี่ยนคาร์บอนแบล็กด้วยโพลีเมอร์ไฮเปอร์แบรนช์ปลายแสงอาจทำให้การรวมตัวของอนุภาคคาร์บอนแบล็คดัดแปลงลดลง ไฮเปอร์แบรนช์พอลิเมอร์แกรฟต์ดัดแปลงคาร์บอนแบล็ก: คาร์บอนแบล็กถูกเมทิลเลตก่อน จากนั้นค่อยต่อกิ่งไฮเปอร์แบรนช์พอลิ (เอไมด์เอทิล) ชนิด AB3 ลงบนพื้นผิวของคาร์บอนแบล็ค
- การปลูกถ่ายเพื่อดักจับอนุมูลอิสระบนผิวคาร์บอนแบล็ค
โซเดียมพอลิสไตรีนซัลโฟเนต (PSS) เป็นพอลิเมอร์ที่ละลายน้ำได้และมีปฏิกิริยาต่อผิวหน้าที่ดี ในสภาพแวดล้อมอัลตราโซนิก โมโนเมอร์โซเดียมสไตรีนซัลโฟเนตผ่านการเกิดพอลิเมอไรเซชันอนุมูลอิสระ และอนุมูลอิสระสายโซ่ยาวของพอลิเมอร์ที่สร้างขึ้นจะถูกจับที่พื้นผิวของคาร์บอนแบล็คเพื่อเตรียมพอลิเมอร์กราฟต์คาร์บอนแบล็ก
การปรับเปลี่ยนออกซิเดชัน
อนุภาคคาร์บอนแบล็กถูกออกซิไดซ์โดยสารออกซิแดนท์เพื่อผ่านการดัดแปลง การบำบัดด้วยออกซิเดชันของคาร์บอนแบล็คสามารถเปลี่ยนพื้นที่ผิวจำเพาะ ความพรุน และค่าการนำไฟฟ้าของคาร์บอนแบล็คได้
การบำบัดด้วยออกซิเดชันที่พื้นผิว (การเกิดออกซิเดชันในเฟสของแก๊สและการออกซิเดชันในเฟสของเหลว) จะเพิ่มประเภทและจำนวนของกลุ่มฟังก์ชันที่ประกอบด้วยออกซิเจนบนพื้นผิวของคาร์บอนแบล็ค ซึ่งสามารถเพิ่มเนื้อหาระเหยของคาร์บอนแบล็ค ลด pH และปรับปรุงกิจกรรมพื้นผิวและขั้ว
- วิธีเฟสแก๊ส
การดัดแปลงเฟสแก๊สของคาร์บอนแบล็คเป็นวิธีการดัดแปลงแบบดั้งเดิม ออกซิเจน โอโซน อากาศแห้ง และออกซิเจนอะตอมมิกหรืออากาศชื้นเป็นสารออกซิไดซ์หลัก ก๊าซเฉื่อยถูกนำมาใช้ภายใต้สภาวะปิด จากนั้นอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นจนถึงอุณหภูมิของปฏิกิริยา จากนั้นจึงนำออกซิไดซ์เพื่อทำปฏิกิริยาดัดแปลง หลังจากเกิดปฏิกิริยาจะมีการแนะนำก๊าซเฉื่อย ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อเวลาทดสอบเพิ่มขึ้นและอุณหภูมิของปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น ยิ่งกลุ่มที่มีออกซิเจนอยู่บนพื้นผิวคาร์บอนแบล็คมากเท่าใด การกระจายตัวในเมทริกซ์ยางก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น
- 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
ประสิทธิภาพ | HAF/ก๊าซไพโรไลซิสดัดแปลงคาร์บอนแบล็ก-II | ||||
100/0 | 70/30 | 50/50 | 30/70 | 0/100 | |
ความเค้นการยืดตัวคงที่ 300%/MPa | 8.3 | 8.2 | 8.8 | 9.0 | 9.5 |
แรงดึง/MPa | 32.5 | 39.7 | 27.1 | 26.5 | 23.1 |
การยืดตัวที่จุดขาด/% | 586 | 593 | 548 | 535 | 496 |
การเสียรูปถาวร/% | 36.4 | 30.8 | 26.8 | 22.6 | 24.0 |
Sauer A ความแข็ง / องศา | 61.5 | 58 | 58 | 60 | 61 |
ค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานความเย็น (-40 ℃) | 0.8 | 0.83 | 0.84 | 0.8 | 0.8 |
- 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
โครงการ | เคลือบหลุมร่องฟันก่อนดัดแปลง | น้ำยาเคลือบหลุมร่องฟันดัดแปลง |
แรงดึง/MPa | 3.2 | 4.43 |
การยืดตัวที่จุดขาด/% | 423 | 597 |
แรงเฉือน/MPa | 1.9 | 2.6 |
Sauer A ความแข็ง / องศา | 40 | 42 |
ความต้านทานการหย่อนคล้อย/mm | 3.64 | 6.84 |
สารเคลือบหลุมร่องฟันที่ทำจากสารประกอบคาร์บอนแบล็คดัดแปลงมีความต้านทานแรงดึง ความแข็ง การยืดตัวและแรงเฉือนที่ดี และช่วยลดต้นทุน และใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านซีล เช่น การก่อสร้างและรถยนต์
ที่มาของบทความ: China Powder Network