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白炭黑以其特殊的表面结构和颗粒形态而具有良好的稳定性、补强性、增稠性和触变性，现已成为橡胶、塑料、涂料、医药、农药、造纸和日用化工诸多领域的重要的无机填料之一。表面改性处理后的白炭黑能改善胶接性和抗撕裂性，其性能明显优于普通炭黑。 1 白炭黑的结构及性质 白炭黑即沉淀二氧化硅，又名水合二氧化硅，分子式为SiO2·nH2O，是一种白色、无毒、无定形微细粉状物。其细小微粒表面有不同的羟基存在，故显示出亲水性。红外光谱研究证实，白炭黑粒子表面羟基有3 种类型，隔离羟基、相邻羟基、硅氧基。白炭黑分子结构中的-Si-O 活性与其所处的位置有关，处于结构中心的-Si-O 键具有极性，结合能力大；处于微粒表面的-Si-O键活性大，能与其他分子发生力的结合作用。白炭黑表面的-Si-OH 基团具有很强的活性，易于与其周围离子键合而起到补强作用。 就化学组成而言，白炭黑表面的特点是有一层均匀的硅氧烷和硅烷醇基团，这些基团具有强烈的吸水性。硅烷醇易于进行化学反应，从而使白炭黑表面比较容易被改性。这些特殊的结构及理化特性，使白炭黑具有优良的耐酸、耐碱、耐高温和电绝缘性、吸收性、分散性、增稠性、触变性及削光性等性能。 2 表面改性技术的必要性 由于白炭黑内部的聚硅氧和外表面存在的活性硅醇基及其吸附水，使其呈亲水性，在有机相中难以湿润和分散，而且，由于其表面存在羟基，表面能较大，聚集体总倾向于凝聚，因而产品的应用性能受到影响。如在橡胶硫化系统里不能与聚合物很好地相容和分散，在涂料产品中容易引起凝聚沉淀，在轮胎中大量使用需要同时加入硅烷偶联剂等等。改性白炭黑是一种具有特殊结构的新型精细无机材料，几乎具有普通白炭黑的所有优越性能，又由于其疏水性和特殊的表面结构，应用领域大大扩展。为此，需要对白炭黑进行表面改性，以改善其应用效果，提高产品的附加值，拓展产品的应用领域。 3 表面改性技术 3.1 改性方法 白炭黑的表面改性是利用一定的化学物质通过一定的工艺方法使白炭黑的表面羟基与化学物质发生反应，消除或减少其表面活性硅醇基的量，使产品由亲水性变为疏水性，以达到改变表面性质的目的。 白炭黑表面改性有无机物改性和有机物改性。有机物改性是目前白炭黑表面改性的主要方法。 3.2 常用的改性剂及改性机理 一般来说，大部分能够与表面硅醇基发生化学反应的易挥发物质均可作为白炭黑的改性剂。常用的改性剂大部分使用的是有机物质，在特殊情况下才使用无机剂，如氢氟酸。常用的改性剂大致可分为五大类。 (1)卤化硅烷类：常用二甲基二氯硅烷、三甲基氯硅烷。 (2)硅烷偶联剂类：比如六甲基二硅氮烷。 (3)硅氮烷类：六甲基二硅胺烷。 (4)硅氧烷类有机硅化合物：2、4-二甲基聚环硅氧烷等。 (5)有机聚合物类：聚乙烯醇、聚乙烯蜡等。有机聚合物改性的沉淀法白炭黑是在二氧化硅表面进行单体的聚合。首先表面活性剂吸附在二氧化硅表面加人溶剂化的有机单体在表面活性剂两面发生原位聚合移去部分表面活性剂。改性用有机单体可选为异戊二烯、丁二烯、苯乙烯，改性聚合反应可为均聚或共聚。 4 改性白炭黑的应用 4.1 在轮胎产品中的应用 在轮胎中大量使用白炭黑是与配合使用硅烷偶联剂分不开的，因而直接使用经硅烷偶联剂改性的白炭黑，既可以提高白炭黑在胶料中的分散性，又能简便操作，有利于产品质量控制。 4.2 在涂料产品中的应用 白炭黑是涂料中常用的消光剂之一，它能使光线的反射变成散射，从而降低涂层表面的光泽度。应用于涂料中的白炭黑必须与涂料有极好的配伍性，才不会影响涂料所固有的性能(分散性、透明度、色彩等。 4.3 在硅橡胶产品中的应用 在硅橡胶中，白炭黑是有效的补强填料，通常使用气相白炭黑补强的硅橡胶，物理机械性能远优于沉淀白炭黑或其它填料，但价格昂贵，目前硅橡胶行业开始使用超细沉淀白炭黑替代气相白炭黑。此时，如果直接加入适当改性剂(有机卤化硅烷、硅烷偶联剂、硅氮烷、硅氧烷类有机硅化合物)表面处理的疏水白炭黑，可以根本消除结构化效应，并大大改善与硅橡胶表面的湿润性和分散性，提高胶料中补强填料用量，以达到提高硫化胶力学性能的目的 。 4.4 在粉末产品工业中的应用 把表面改性后的疏水白炭黑添加到粉末产品(如干粉灭火剂、复印机显影粉等)中，可以改善粉体的流动性、分散性和喷雾性能，起到防结块、均匀分散的作用[5]。 此外，白炭黑在饲料工业、肥料工业、化学工业、微电子工业、航空航天工业、国防工业、大规模集成电路、光纤光缆等领域也有着广泛的应用。 5 结语 我国普通沉淀法白炭黑近几年发展较快，从产量到产品质量上均有了较大的提高，但表面改性型专用白炭黑的研究与开发仍处于起步阶段。目前国内市场对其需求呈上升趋势，据报导目前国内改性型白炭黑的市场基本被德国Degussa、美国Cabot、Grace等公司占领。为了提高我国白炭黑改性技术的研究与开发水平，建议重视以下几方面的工作： (1)加强应用基础研究。白炭黑的表面改性技涉及到白炭黑的制备技术和后处理技术等方面，应重视白炭黑改性技术中相关的带有共性的应用基础研究，掌握其规律和变化。 (2)强化应用研究与售后服务。白炭黑产品的开发特别是专用型产品的开发，要重视与应用研究同时并重，并注意密切与用户的关系，强化售后服务，以此改进和提高白炭黑的研究水平。 (3)开发市场需求量大的专用型产品。目前，国内高档涂料中用的白炭黑消光剂几乎都选用Grace 公司和Degussa 公司的经有机表面改性的产品，国内同类产品在质量、品种和使用效果方面还有很大差距。 |
