王文君(中煤平朔鑫源有限責任公司，山西朔州 036000)
[摘要]文章簡述了在白炭黑工業中發展表面改性技術的必要性，并重點綜述了表面改性技術的方法、常用改性劑及其改性機理，分析了改性白炭黑的市場應用情況，提出了表面改性技術在白炭黑工業的發展方向。
[關鍵詞]白炭黑;表面改性;改性劑
[中圖分類號]TQ127.2 [文獻標識碼]A [文章編號]1007-1865(2013)16-0109-01
白炭黑以其特殊的表面結構和顆粒形態而具有良好的穩定性、補強性、增稠性和觸變性，現已成為橡膠、塑料、涂料、醫藥、農藥、造紙和日用化工諸多領域的重要的無機填料之一。表面改性處理后的白炭黑能改善膠接性和抗撕裂性，其性能明顯優于普通炭黑。
1 ·白炭黑的結構及性質
白炭黑即沉淀二氧化硅，又名水合二氧化硅，分子式為SiO2·nH2O，是一種白色、無毒、無定形微細粉狀物。其細小微粒表面有不同的羥基存在，故顯示出親水性。紅外光譜研究證實，白炭黑粒子表面羥基有3 種類型，隔離羥基、相鄰羥基、硅氧基。白炭黑分子結構中的-Si-O 活性與其所處的位置有關，處于結構中心的-Si-O 鍵具有極性，結合能力大;處于微粒表面的-Si-O鍵活性大，能與其他分子發生力的結合作用。白炭黑表面的-Si-OH 基團具有很強的活性，易于與其周圍離子鍵合而起到補強作用。
就化學組成而言，白炭黑表面的特點是有一層均勻的硅氧烷和硅烷醇基團，這些基團具有強烈的吸水性。硅烷醇易于進行化學反應，從而使白炭黑表面比較容易被改性。這些特殊的結構及理化特性，使白炭黑具有優良的耐酸、耐堿、耐高溫和電絕緣性、吸收性、分散性、增稠性、觸變性及削光性等性能[1]。
2· 表面改性技術的必要性
由于白炭黑內部的聚硅氧和外表面存在的活性硅醇基及其吸附水，使其呈親水性，在有機相中難以濕潤和分散，而且，由于其表面存在羥基，表面能較大，聚集體總傾向于凝聚，因而產品的應用性能受到影響。如在橡膠硫化系統里不能與聚合物很好地相容和分散，在涂料產品中容易引起凝聚沉淀，在輪胎中大量使用需要同時加入硅烷偶聯劑等等。改性白炭黑是一種具有特殊結構的新型精細無機材料，幾乎具有普通白炭黑的所有優越性能，又由于其疏水性和特殊的表面結構，應用領域大大擴展[2]。為此，需要對白炭黑進行表面改性，以改善其應用效果，提高產品的附加值，拓展產品的應用領域。
3· 表面改性技術
3.1 改性方法
白炭黑的表面改性是利用一定的化學物質通過一定的工藝方法使白炭黑的表面羥基與化學物質發生反應，消除或減少其表面活性硅醇基的量，使產品由親水性變為疏水性，以達到改變表面性質的目的。
白炭黑表面改性有無機物改性和有機物改性。有機物改性是目前白炭黑表面改性的主要方法。
3.2 常用的改性劑及改性機理
一般來說，大部分能夠與表面硅醇基發生化學反應的易揮發物質均可作為白炭黑的改性劑。常用的改性劑大部分使用的是有機物質，在特殊情況下才使用無機劑，如氫氟酸。常用的改性劑大致可分為五大類。
(1)鹵化硅烷類：常用二甲基二氯硅烷、三甲基氯硅烷。
(2)硅烷偶聯劑類：比如六甲基二硅氮烷。
(3)硅氮烷類：六甲基二硅胺烷。
(4)硅氧烷類有機硅化合物：2、4-二甲基聚環硅氧烷等。
(5)有機聚合物類：聚乙烯醇、聚乙烯蠟等。有機聚合物改性的沉淀法白炭黑是在二氧化硅表面進行單體的聚合。首先表面活性劑吸附在二氧化硅表面加人溶劑化的有機單體在表面活性劑兩面發生原位聚合移去部分表面活性劑。改性用有機單體可選為異戊二烯、丁二烯、苯乙烯，改性聚合反應可為均聚或共聚[3]。
4 ·改性白炭黑的應用
4.1 在輪胎產品中的應用
在輪胎中大量使用白炭黑是與配合使用硅烷偶聯劑分不開的，因而直接使用經硅烷偶聯劑改性的白炭黑，既可以提高白炭黑在膠料中的分散性，又能簡便操作，有利于產品質量控制。
4.2 在涂料產品中的應用
白炭黑是涂料中常用的消光劑之一，它能使光線的反射變成散射，從而降低涂層表面的光澤度。應用于涂料中的白炭黑必須與涂料有極好的配伍性，才不會影響涂料所固有的性能(分散性、透明度、色彩等。
4.3 在硅橡膠產品中的應用
在硅橡膠中，白炭黑是有效的補強填料，通常使用氣相白炭黑補強的硅橡膠，物理機械性能遠優于沉淀白炭黑或其它填料，但價格昂貴，目前硅橡膠行業開始使用超細沉淀白炭黑替代氣相白炭黑。此時，如果直接加入適當改性劑(有機鹵化硅烷、硅烷偶聯劑、硅氮烷、硅氧烷類有機硅化合物)表面處理的疏水白炭黑，可以根本消除結構化效應，并大大改善與硅橡膠表面的濕潤性和分散性，提高膠料中補強填料用量，以達到提高硫化膠力學性能的目的[4]。
4.4 在粉末產品工業中的應用
把表面改性后的疏水白炭黑添加到粉末產品(如干粉滅火劑、復印機顯影粉等)中，可以改善粉體的流動性、分散性和噴霧性能，起到防結塊、均勻分散的作用[5]。
此外，白炭黑在飼料工業、肥料工業、化學工業、微電子工業、航空航天工業、國防工業、大規模集成電路、光纖光纜等領域也有著廣泛的應用。
5· 結語
我國普通沉淀法白炭黑近幾年發展較快，從產量到產品質量上均有了較大的提高，但表面改性型專用白炭黑的研究與開發仍處于起步階段。目前國內市場對其需求呈上升趨勢，據報導目前國內改性型白炭黑的市場基本被德國Degussa、美國Cabot、Grace等公司占領。為了提高我國白炭黑改性技術的研究與開發水平，建議重視以下幾方面的工作：
(1)加強應用基礎研究。白炭黑的表面改性技涉及到白炭黑的制備技術和后處理技術等方面，應重視白炭黑改性技術中相關的帶有共性的應用基礎研究，掌握其規律和變化。
(2)強化應用研究與售后服務。白炭黑產品的開發特別是專用型產品的開發，要重視與應用研究同時并重，并注意密切與用戶的關系，強化售后服務，以此改進和提高白炭黑的研究水平。
(3)開發市場需求量大的專用型產品。目前，國內高檔涂料中用的白炭黑消光劑幾乎都選用Grace 公司和Degussa 公司的經有機表面改性的產品，國內同類產品在質量、品種和使用效果方面還有很大差距。
參考文獻
[1]王艷玲，王佼.白炭黑表面改性的研究現狀[J].中國非金屬礦工業導刊，2006：107-109.
[2]歐陽兆輝.納米二氧化硅的改性及其在丁基橡膠中應用研究[D].武漢：武漢科技大學，2005.
[3]何凱，陳宏剛.聚乙二醇對碳酸化法白炭黑的表面改性研究[J].化學反應工程與工藝，2006，22(2)：181-184.
[4]孫云蓉，時志權，冒愛琴，等.納米白炭黑的表面改性及其在氯丁橡膠中的應用[J].江蘇化工，2004，32(5)：36-41.
[5]陳云輝，李文芳，杜軍，等.納米SiO2 粉體新型表面活性劑復合改性工藝研究[J].表面技術，2006，35(5)：34-36.
(本文文獻格式：王文君.表面改性技術在白炭黑工業中的應用[J].廣東化工，2013，40(16)：109)
