[发明专利]一种氧化改性炭黑及其制备方法

说明书

本发明提供了一种改性炭黑，所述改性炭黑由炭黑经过杂多酸‑H₂O₂复合氧化体系氧化后得到。本发明将杂多酸引入双氧水氧化体系中，得到杂多酸‑H₂O₂复合氧化体系，不仅能够有效的提高氧化剂的氧化能力和效率，而且能够使杂多酸和有机物能够很好地结合并发生某些特定反应，增加了炭黑表面亲水官能团，提高炭黑粒子在水溶性体系中的分散性和稳定性。不仅具有环境友好、对设备的腐蚀性低、反应条件温和以及反应速度快等优点，而且改性后炭黑的含氧量大幅度提高，增加了炭黑表面亲水官能团，具有优良的水分散性能和分散稳定性能，更加适合大规模工业化生产，在炭黑氧化改性领域中的应用具有深刻的意义。

技术领域

本发明属于炭黑材料技术领域，涉及一种改性炭黑及其制备方法，尤其涉及一种氧化改性炭黑及其制备方法。

背景技术

炭黑(carbon black)，又名碳黑，是一种无定形碳，碳单质微粒，轻、松而极细的黑色粉末，表面积大，范围从10～3000m²/g，比重1.8～2.1，通常是由是含碳物质(煤、天然气、重油、燃料油等)在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解，其中的氢元素和氧元素转化为水，而碳元素燃烧不充分，就会脱离分子，形成炭黑。业内通常由天然气制成的称“气黑”，由油类制成的称“灯黑”，由乙炔制成的称“乙炔黑”。此外还有“槽黑”、“炉黑”。按炭黑性能区分有“补强炭黑”、“导电炭黑”、“耐磨炭黑”等。可作黑色染料，用于制造中国墨、油墨、油漆等，也用于做橡胶的补强剂。

炭黑粒子具有微晶结构，在炭黑中，碳原子的排列方式类似于石墨，组成六角形平面，通常3～5个这样的层面组成一个微晶，由于炭黑微晶的每个石墨层面中，碳原子的排列是有序的，而相邻层面间碳原子的排列又是无序的，所以又叫准石墨晶体。炭黑的结构性是以炭黑粒子间聚成链状或葡萄状的程度来表示的。由凝聚体的尺寸、形态和每一凝聚体中的粒子数量构成的凝聚体组成的炭黑称为高结构炭黑。炭黑结构性越高，容易形成空间网络通道，而且不易破坏。高结构炭黑颗粒细，网状链堆积紧密，比表面积大，单位质量颗粒多，有利于在聚合物中形成链式导电结构，粒径分布宽的炭黑粒子比分布窄的炭黑粒子更能赋予聚合物导电性。

通常炭黑粒子不是孤立存在的，而是多个粒子通过碳晶层互相穿插，形成链枝状。按照生产工艺可分为气黑、灯黑、槽黑和炉黑，而且不同生产工艺可得到粒径范围极广的炭黑粒子，灯黑生产工艺得到的产品相对粗糙，而气黑生产工艺可得到精细的产品，用炉黑生产工艺可得到几乎所有粒径范围的炭黑。正是由于上述结构组成，炭黑具有优良的黑度、着色力和稳定性，广泛用于水性涂料、油墨等方面的填充剂和着色剂。

但是目前炭黑的主要生产方法是炉法生产，即炉黑，这生产方式导致其表面的含氧官能团和极性较小以及pH值一般在碱性的范围内，这些都不利于炭黑在水性体系中的分散，为了提高炉法炭黑在水性体系中的分散稳定性，可对其进行表面氧化处理。通过氧化改性后，炭黑表面的含氧极性官能团增多，减小炭黑颗粒间的吸附力，提高了炭黑粒子在水性体系中的分散。

通常氧化改性的方法主要有：气相氧化法、液相氧化法。一般来说，气相法的改性效果不稳定，效率较低；而液相氧化法能够与炭黑接触充分，氧化效果要好于气相氧化。液相氧化剂有硝酸、双氧水等，硝酸氧化法虽然引入氧含量高，但硝酸轻度氧化在湿法造粒过程中排出大量氮氧化物造成环境污染，而且深度氧化方法的反应条件苛刻、反应设备和后处理复杂。对于双氧水来说，由于其利用率高，且清洁廉价，普遍受到了人们的关注。但是H₂O₂氧化时其氧化能力较弱，造成氧化效果较差，而且还不能通过单一的升高温度和延长时间来提高炭黑的氧化程度，需要采用多次氧化的方法，这就会导致操作复杂、反应时间过长和双氧水消耗量增加等问题。因此，上述两种传统氧化剂所存在的问题使得其在炭黑氧化改性中的应用受到很大限制。

因此，如何找到一种更为适宜的炭黑氧化的方法，克服上述传统液相氧化法存在的缺陷，拓展氧化炭黑的应用范围，已成为领域内具有前瞻性的研究人员广泛关注的焦点之一。

发明内容