炭黑作為一種重要的工業(yè)原料，在橡膠、塑料、涂料、油墨和化妝品等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，炭黑的分散性能直接影響其在這些領(lǐng)域的應(yīng)用效果。本文將圍繞炭黑的分散性能，從粒徑、結(jié)構(gòu)程度、表面活性及工藝分散性能四個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)探討。
一、粒徑對炭黑分散性能的影響
炭黑的粒徑是影響其在橡膠等基體中分散性能的關(guān)鍵因素之一。理論上，炭黑粒子以孤立個(gè)體被分散到橡膠中達(dá)到最勻化時(shí)，所形成的炭黑-橡膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最為密集堅(jiān)固，但實(shí)際操作中很難達(dá)到這種理想狀態(tài)。
小粒徑炭黑(30nm以下)，如高耐磨、中超耐磨炭黑，由于內(nèi)聚力的影響，很難以單個(gè)粒子形態(tài)存在。即便使用超聲波處理，在放大10萬倍的電子顯微鏡下，觀察到的仍然是粒子間互相粘連、擁擠到一起，邊界模糊。這種特性賦予了小粒徑炭黑較強(qiáng)的內(nèi)吸附能和對橡膠的較差濕潤能力，導(dǎo)致在橡膠中的分散速度較慢。然而，這些納米級炭黑粒子一旦被機(jī)械力強(qiáng)行分散后，會(huì)立即對橡膠大分子進(jìn)行捕捉吸附、滾動(dòng)纏繞，形成均勻、致密的橡膠-炭黑空間網(wǎng)絡(luò)，賦予硫化橡膠較高的強(qiáng)撕性和耐磨耗性。
相比之下，大粒徑(50nm以上)炭黑經(jīng)超聲波分散后，在放大7萬倍的電子顯微鏡下，炭黑基本以單個(gè)粒子形式出現(xiàn)，粒子間的邊界比較清晰，形態(tài)為圓形或不規(guī)則的橢圓形。因此，大粒徑炭黑比較容易被分散到橡膠中去，但單位重量炭黑所形成的炭黑-橡膠網(wǎng)絡(luò)較為稀疏，加之因粒徑分布較寬導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)不勻，致使硫化膠的強(qiáng)撕性能較為低下。
二、結(jié)構(gòu)程度對炭黑分散性能的影響
除了粒徑，炭黑的結(jié)構(gòu)程度也是影響其分散性能的重要因素。高結(jié)構(gòu)炭黑具有枝鏈化的空間效應(yīng)，降低了粒子間的內(nèi)聚能，因此在粒徑相同時(shí)，高結(jié)構(gòu)炭黑比低結(jié)構(gòu)炭黑更容易被分散到橡膠中去。例如，新工藝炭黑N234、N229的粒徑分別小于相同級別的中超耐磨炭黑，但其吃粉速度卻快于后者;N339與高耐磨炭黑也是相同規(guī)律。
高結(jié)構(gòu)炭黑的分散性能優(yōu)越，主要得益于其特殊的微觀結(jié)構(gòu)。高結(jié)構(gòu)炭黑的粒子表面存在許多微小的枝鏈，這些枝鏈在橡膠中起到類似“錨點(diǎn)”的作用，增強(qiáng)了炭黑粒子與橡膠分子鏈的結(jié)合力，同時(shí)降低了粒子間的內(nèi)聚能，使得炭黑更容易在橡膠中分散。
三、表面活性與反應(yīng)特征對炭黑分散性能的影響
炭黑的生成過程中，烴類物質(zhì)在1300-1600℃高溫條件下經(jīng)過裂解和聚集，形成炭黑顆粒。由于原料和生產(chǎn)工藝的不同，裂解與聚集的過程也不同，導(dǎo)致生產(chǎn)出的炭黑在粒徑、結(jié)構(gòu)程度以及表面結(jié)構(gòu)和表面基團(tuán)上存在差異。
新工藝、小粒徑的炭黑，如N234，在高溫下反應(yīng)比較完全，表面氫含量較少，同時(shí)因火焰中含氧豐富而形成較多的表面含氧基團(tuán)。這些氫原子與活性基團(tuán)能全部分散在其巨大的比表面上，混煉時(shí)容易被激活而與橡膠大分子形成化學(xué)交鏈鍵，這些化學(xué)交鏈點(diǎn)會(huì)影響炭黑的分散速度與擴(kuò)散方向。
相比之下，通用炭黑的反應(yīng)溫度低、反應(yīng)時(shí)間長，不完全燃燒導(dǎo)致剩余的氫不僅存在于粒子表面上，還夾雜于粒子內(nèi)部，但含氧基團(tuán)卻較少。通用炭黑與橡膠只能形成物理纏結(jié)，很少有化學(xué)結(jié)合。因此，雖然通用炭黑補(bǔ)強(qiáng)的硫化膠伸長率較大，但定伸與拉伸強(qiáng)度卻較低。
四、工藝分散性能的優(yōu)化
在實(shí)際應(yīng)用中，炭黑的分散性能不僅取決于其本身的物理和化學(xué)性質(zhì)，還受到分散工藝的影響。以下是幾種改善炭黑分散性能的方法：
表面改性：通過化學(xué)方法對炭黑表面進(jìn)行處理，如使用硝酸氧化除去炭黑表面的多環(huán)芳烴，提高炭黑的分散性和著色強(qiáng)度。這種方法不僅能改善炭黑的分散性能，還能減少多環(huán)芳烴對人體健康的影響。
分散劑的添加：在炭黑分散過程中添加分散劑，如表面活性劑，可以顯著降低炭黑粒子間的表面張力，提高炭黑在基體中的分散均勻性。
機(jī)械分散：利用超聲波、攪拌器等機(jī)械設(shè)備對炭黑進(jìn)行分散處理，可以破壞炭黑粒子間的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，提高炭黑的分散效率。
混煉工藝的優(yōu)化：在橡膠混煉過程中，采用多段混煉方法，通過調(diào)整混煉溫度、時(shí)間和剪切力等參數(shù)，可以優(yōu)化炭黑在橡膠中的分散狀態(tài)，提高硫化膠的物理機(jī)械性能。
結(jié)論
炭黑的分散性能是影響其在橡膠、塑料、涂料等領(lǐng)域應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素之一。通過優(yōu)化炭黑的粒徑、結(jié)構(gòu)程度、表面活性以及分散工藝，可以顯著提高炭黑的分散性能，從而改善相關(guān)產(chǎn)品的物理機(jī)械性能和加工性能。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品的物性要求選擇合適的炭黑品種和分散工藝，以達(dá)到最佳的使用效果。
