表面活性剂使白炭黑改性的研究

2021-08-14 来源：爱问旅游网

2002年3月第23卷第3期东北大学学报(自然科学版)JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience)Mar.2002

Vol123,No.3

文章编号:100523026(2002)0320303204

表面活性剂使白炭黑改性的研究

佟树勋,张丽君,施丹昭

(东北大学理学院,辽宁沈阳　110004)

摘　　　要:基于大量实验,研究了在SiO2含量相同或不同的条件下,不同种的表面活性剂在其

含量改变时,对提高白炭黑DBP和比表面积的影响・在传统的酸性硅溶胶两步法生产白炭黑的工艺基础上,增加一次添加表面活性剂的过程,从而获得吸油值高、比表面积大、具有气凝胶特性的优质白炭黑・同时探讨了表面活性剂使白炭黑改进性能的机理・关　键　词:白炭黑;硅溶胶;吸油值(DBP);比表面;表面活性剂;二氧化硅气凝胶中图分类号:O64712　　　文献标识码:A

白炭黑是一种优良的浅颜色补强剂,广泛应用于橡胶、塑料、造纸、油墨等工业中・针对目前国内白炭黑生产工艺控制过程复杂,产品质量不稳定的特点・本文对传统的酸性硅溶胶两步法工艺进行改进,通过向成核的二氧化硅母液中加入表面活性剂的工艺,从而获得高吸油值和高比表面积的白炭黑・并对白炭黑改性的机理进行研究・

吸油值随表面活性剂的含量增加而增大・当表面

活性剂的浓度达一定值时,吸油值达一最大值,随后吸油值随表面活性剂的浓度增加反而减少・

1　实　　验

在原有的酸性硅溶胶二步法的生产工艺流程的基础上,增加一次加入表面活性剂乳液的过程・整个过程如下・

(1)在室温、电动搅拌的条件下,将计算量稀释后的水玻璃加入盐酸溶液中,待混合液中二氧化硅含量达到一定范围后,可制得pH=1～2间的酸性硅溶胶・

(2)用已制好的酸性硅溶胶、表面活性剂、调节剂,滴入稀释后的水玻璃溶液,并调节pH=11～12左右,即可制得改性的白炭黑・

(3)用邻苯二甲酸二丁脂测定所得样品的吸油值;用BET法测定样品的比表面积・

图1　表面活性剂的量对白炭黑吸油值的影响

Fig.1　Effectofamountofsurfactanton

whitecarbon’sDBP

由于SiO2含量相同,沉淀白炭黑在阵化后

pH值随表面活性剂的增加而降低,即酸度增加・这时,酸性溶胶的含量是过剩的・在阵化过程中,硅酸单体的慢缩聚反应将形成聚合物状的硅氧键,最终得到多分支的聚合物・这时,反应生成的聚合物中的硅氧键与表面活性剂分子结合,表面活性剂的量越多与硅氧键结合的量就越多,而体系中H+的含量就越多・故体系表现为酸度逐渐增加・随着反应的进行,聚合物上的OH-就越少,存在于固体颗粒表面上直接与硅原子键合的结合水的数量也增加;当体系中与硅氧键结合的表面活性剂分子的数量大于结合水的数量时,白炭黑表现为亲油性的,故吸油值增大;当体系中与硅氧键结合的表面活性剂分子的数量与结合水的数量相等时,反应体系处于平衡,吸油值达到最大;当

2　结果与讨论

2.1　在SiO2含量相同的条件下,不同的表面活

性剂及其量的改变对白炭黑吸油值的影响

图1是在SiO2含量相同的条件下,分别加入A1、A2、A3等表面活性剂・其量的改变与白炭黑吸油值之间的关系图・由图1可见,开始时,白炭黑

收稿日期:2001205216

基金项目:国家自然科学基金资助项目(49874008)・

作者简介:佟树勋(1945-),男,吉林公主岭人,东北大学副教授・

403

东北大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　第23卷

表2　表面活性剂的量与堆比重(g/cm3)的关系

Table2　Relationbetweensurfactantanddensity(g/cm3)

表面活性剂

表面活性剂的质量分数/%

A1A2A3

0.1

0.20.30.40.5

0.3910.3020.2710.2620.231

0.3560.2900.2800.2580.224

0.2710.1590.1390.1240.109

反应体系中与硅氧键结合的表面活性剂的数量小于结晶水的数量时,白炭黑表现为亲水性,故其吸油值降低・2.2　表面活性剂的加入量相等的条件下,改变

SiO2含量对白炭黑吸油值的影响在图2中,B1、B2、B3分别为添加表面活性剂A1、A2、A3的样品,B0为不添加表面活性剂的样品,可以看出,随着SiO2含量增加,吸油值也随之增大・四条曲线的上升趋势相同,但B0线较为平缓,而B1、B2、B3线上升趋势较快・这些事实说明,在相同的百分含量下,加入表面活性剂的样品比不加表面活性剂的样品的吸油值高・可以证明加入表面活性剂,使其吸油值明显增强[1～4]・改性后的白炭黑补强性能得以提高,此结果与文献[1]的结果相一致,但文献[1]中只提到一个样品,而对工艺条件和加入量等均无报道・

表3　表面活性剂与堆比重(g/cm3)的关系Table3　Relationbetweensurfactantanddensity(g/cm3)

表面活性剂

表面活性剂的质量分数/%

A1A2A3

4560.4050.2180.1680.1410.4270.2020.2580.1860.3970.2090.1500.121

影响比重大小的因素主要是由白炭黑结构[8,9]决定的・

加入A2的白炭黑以小分子状态存在,见图3・它的分子间隙相对较大,故堆比重也相对较小・而加入A3的白炭黑分子成空间网状形态,见图4・加入A1的白炭黑分子成大分子的聚合物,见图5・它的分子间的空隙比较小,堆比重比较大・

图2　SiO2含量对白炭黑吸油值的影响Fig.2　EffectofamountsilicaonwhiteCarbon’sDBP

2.3　加入表面活性剂对白炭黑比表面的影响本文选择两个w(SiO2)含量相差较大的样

品做比较,发现加入表面活性剂和不加表面活性剂的样品,比表面相差较大,如表1所示・

表1　表面活性剂与比表面(m3/g)的关系Table1　Relationbetweensurfactantandsurfacearea

w(SiO2)/%

不加表面活性剂

143.9

203.9

加表面活性剂

218.6339.2

图3　加入A2的白炭黑Fig.3　WhitecarbonofA2added

2.4　改性白炭黑的堆比重与结构

堆比重是研究白炭黑性能的一个重要参数・

从表2可以看出,在生产白炭黑的工艺中添加表面活性剂,可以使产品的堆比重减小,而且,添加量越高,堆比重越小・

从表3可以看出,在添加表面活性剂的量不变的条件下,随着SiO2含量增加,堆比重减少・但在实际生产中,SiO2含量一般不宜过大,以6%左右较为适宜[5～7]・

图4　加入A3的白炭黑Fig.4　WhitecarbonofA3added

第3期　　　　　　　　佟树勋等:表面活性剂使白炭黑改性的研究503

图5　加入A1的白炭黑

Fig.5　WhitecarbonofA1added

网络之间的空隙很大,因此它就比较轻,堆比

重很小,比表面也比较大・说明用此法所制得的白炭黑具有轻质多孔材料[10]的特点・

[4]

其特性研究[J]・无机材料学报,1995,10(1):69-74・

(ShenJ,WangY,GanLH,etal.Theresearchonproperties

andpreparationofSiO2aerogelbysol2gelmethod[J].JournalofInorganicMaterials,1995,10(1):69-74.)肖长城,姚培洪・超微细沉淀法白炭黑制备研究[J]・无机

3　结　　论

(1)在传统的酸性二步法的工艺中,增加用

盐工业,1991,11(3):11-13・

(XiaoCC,YaoPH.Theresearchonpreparationofwhite

carbonbyultrafine2precipitatesmethod[J].InorganicChemicalsIndustry,1991,11(3):11-13.)

杨修造・氯化钠与沉淀二氧化硅的结构[J]・化学世界,1990,5(4):156-159・

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表面活性剂对白炭黑改性的工艺,可以制得吸油值高、比表面积大的网状结构的优质白炭黑,且白炭黑具有气凝胶的特点・

(2)虽然气凝胶材料在许多领域具有广泛的特殊应用,但生产气凝胶的设备和工艺条件要求高,成本昂贵・本法用于生产气凝胶是一种有效尝试,具有工业生产的前景・参考文献:

[1]

[5]

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刘正宗・影响沉淀白炭黑吸油值和比表面积的工艺因素

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沈军,王珏,甘礼华,等・溶胶2凝胶法制备SiO2气凝胶及

[9]

[2]

[10]

[3]

603

东北大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　第23卷

ImprovingtheWhiteCarbon

TONGShu2xun,ZHANGLi2jun,SHIDan2zhao

’sPerformancebySurfactant

pondent:TONGShu2xun)

(SchoolofScience,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China.Corres

Abstract:Whentheaddedamountofthesurfactantsofthedifferentkindchanges,theinfluenceofthesurfactantsonthewhite

carbon’sDBPandsurfaceareawasstudiedontheconditionsofthesameorvariouscontentofSiO2.Differentfromthetraditionaltwo2stepmethodofacidsilicasol,onemoreprocedureofaddingsurfactantwasadoptedintheprocessofwhitecarbonproduction.TheproducedwhitecarbonhashigherDBP,largersurfaceareaandthepropertyofaerogels.Themechanismofimprovingthewhitecarbon’sperformancewasdiscussed.Keywords:whitecarbon;silicasol;difutyl2phthalateabsorptionnumber(DBP);surfacearea;surfactant;silicaaerogel

(ReceivedMay16,2001)

待发表文章摘要预报

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