论文题目: 炭黑的氧化与超声波下含磺酸基水溶性高分子的接枝研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 化学工艺
作者: 赵建义
导师: 王成扬
关键词: 炭黑,氧化,接枝,分散稳定性,丙烯酸,磺酸基,水分散体系
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 炭黑具有优异的性质如耐热、耐化学作用、耐气候变化、良导电性、和低热胀系数,广泛应用于橡胶、塑料、干电池及色素等诸多行业。随着环境保护的要求,炭黑越来越多地要求在水性体系中使用。但由于炭黑粒度小,比表面积大,表面自由能高,炭黑粒子间存在极强的聚集能力,聚集后的炭黑会影响黑度及分散稳定性,影响炭黑的使用。本论文采用液相氧化剂对炭黑表面进行氧化改性。也首次采用了在超声波作用下,引发剂引发丙烯酸类单体聚合接枝到炭黑表面。首次将强吸水性基团—磺酸基引入到接枝聚合物中。结果表明,在超声波的空化作用下,反应可以在常温下进行并在较短时间内完成,在一定的范围内提高了接枝率;改性后的炭黑在水中的分散稳定性大大提高。对氧化前后炭黑表面性质进行比较后发现:氧化剂氧化能力越强、浓度越高,氧化后炭黑表面的含氧官能团越多、酸性越强。炭黑的氧化与炭黑的物理性质密切相关,低结构性、高比表面的炭黑易被液相氧化剂氧化。氧化后炭黑表面的pH值与挥发分之间有一定的关系。氧化后的炭黑有利于炭黑表面的羟甲基化,也有利于丙烯酸单体自由基聚合接枝。影响炭黑在水分散体系中分散稳定的三个主要因素是亲水性、双电层电位和空间位阻。利用磺酸基团的强吸水性,增加炭黑与水之间的作用力;利用磺酸基强电离性质,增加炭黑粒子与水接触的双电层电位;利用含磺酸基高分子侧基的极性、基团体积大等特点增加高分子链在水中的伸展性,从而增大了粒子聚集的空间位阻。由于磺酸基团的引入,低接枝率的接枝炭黑在水中就有了良好的分散稳定性。研究表明,不同水分散体系对氧化改性炭黑和聚丙烯酸类接枝炭黑在水中的分散稳定性有很大的影响,由于氧化炭黑与接枝炭黑表面大都是羧基基团,所以水环境对两种炭黑的分散稳定性的影响是一致的。碱性水分散体系中,改性炭黑的分散稳定性最好;中性水分散体系中分散稳定性次之;而酸性水分散体系及含盐水分散体系中分散稳定性最差。采用XPS、IR、TEM、SEM、热分析等手段对改性炭黑进行了表征。
论文目录:
摘要
Abstract
前言
第一章 文献综述
1.1 水溶液中胶体分散理论
1.1.1 扩散双电层理论
1.1.2 DLVO理论
1.1.3 扩充的DLVO理论
1.1.4 空间位阻效应
1.2 炭黑的性质
1.2.1 炭黑的微观结构
1.2.2 炭黑的聚集体结构
1.2.3 炭黑的表面化学性质
1.3 炭黑的分散
1.4 炭黑的表面改性
1.4.1 炭黑的表面氧化
1.4.2 炭黑表面接枝高分子聚合物
1.4.2.1 炭黑捕捉自由基接枝
1.4.2.2 从炭黑表面开始引发的聚合接枝
1.4.2.3 炭黑表面官能团与高分子的接枝反应
1.4.2.4 其它接枝方法
1.4.2.5 接枝炭黑的应用
1.5 超声波化学
1.5.1 超声波的作用原理
1.5.2 声化学的应用
1.6 本研究的意义
第二章 炭黑的表面氧化改性
2.1 实验部分
2.1.1 实验原料及试剂
2.1.2 实验仪器
2.1.3 炭黑的氧化
2.1.4 氧化炭黑表征
2.1.4.1 炭黑pH值测定
2.1.4.2 炭黑挥发分测定
2.1.4.3 化学分析法测定炭黑表面总酸量
2.1.4.4 其它测试
2.1.5 炭黑分散稳定性实验
2.2 实验结果与讨论
2.2.1 原料炭黑的物理性质与结构
2.2.2 氧化炭黑的pH值与挥发分
2.2.3 化学分析法测定表面含氧官能团的总酸量
2.2.4 炭黑样品XPS分析结果
2.2.5 炭黑的IR与TEM分析
2.2.6 氧化后炭黑在水中的分散稳定性
2.3 本章小结
第三章 引发剂引发单体聚合接枝到炭黑表面
3.1 实验部分
3.1.1 原料及药品
3.1.2 实验仪器
3.1.3 炭黑接枝实验
3.1.4 测试方法
3.1.5 炭黑分散稳定性实验
3.2 实验结果与讨论
3.2.1 超声波辐射的影响
3.2.2 丙烯酸聚合接枝条件探索
3.2.2.1 pH值对接枝反应的影响
3.2.2.2 反应时间对接枝率的影响
3.2.2.3 引发剂加入量对接枝率的影响
3.2.2.4 丙烯酸量对接枝率的影响
3.2.2.5 不同炭黑对接枝率的影响
3.2.3 丙烯酸聚合接枝炭黑在水中分散稳定性
3.2.4 炭黑表面上的丙烯酸与丙烯磺酸钠（SAS）或2-丙烯酰胺基2-甲基丙磺酸（AMPS）共聚接枝
3.2.4.1 SAS与AMPS加入量对炭黑接枝率的影响
3.2.4.2 FTIR与XPS分析结果
3.2.4.3 炭黑对接枝的影响
3.2.5 接枝炭黑在水中的分散稳定性
3.3 本章小结
第四章 铈离子引发单体聚合接枝到炭黑表面
4.1 实验部分
4.1.1 原料及药品
4.1.2 实验仪器
4.1.3 炭黑表面羟甲基化反应
4.1.4 炭黑表面羟甲基含量测定
4.1.5 铈离子引发单体聚合接枝实验
4.1.6 接枝炭黑表征
4.1.7 炭黑与水接触角测定
4.1.8 Zeta电位测定
4.1.9 接枝炭黑在水中分散稳定性
4.2 实验结果与讨论
4.2.1 羟甲基化工艺条件探索
4.2.1.1 反应时间对炭黑羟甲基化影响
4.2.1.2 甲醛加入量对羟甲基化的影响
4.2.1.3 催化剂氢氧化钠加入量对羟甲基化的影响
4.2.1.4 反应温度对炭黑羟甲基化的影响
4.2.1.5 氧化炭黑对羟甲基化的影响
4.2.2 铈离子引发丙烯酸聚合接枝条件研究
4.2.2.1 铈离子浓度对接枝反应的影响
4.2.2.2 硝酸含量对炭黑接枝率的影响
4.2.2.3 单体浓度对炭黑接枝率的影响
4.2.3 丙烯酸与SAS或AMPS共聚接枝
4.2.3.1 丙烯酸与SAS共聚接枝
4.2.3.2 丙烯酸与AMPS共聚接枝
4.2.4 接枝炭黑表征
4.2.4.1 接枝样品的XPS分析
4.2.4.2 接枝样品的红外分析
4.2.4.3 接枝炭黑的TEM及SEM分析
4.2.5 接枝炭黑的接触角与Zeta电位
4.2.5.1 接枝炭黑与水的接触角
4.2.5.2 接枝炭黑在水中的Zeta电位
4.2.6 接枝炭黑在水中的分散稳定性
4.3 本章小结
第五章 改性炭黑在水分散体系中的分散稳定性分析
5.1 实验部分
5.1.1 原料及药品
5.1.2 热分析
5.1.3 接枝炭黑分散稳定性分析
5.1.4 Zeta电位测定
5.2 实验结果与讨论
5.2.1 改性炭黑热分析
5.2.2 样品在不同环境下的Zeta电位
5.2.3 接枝炭黑在不同水性体系中的分散稳定性
5.3 分散稳定性分析
5.3.1 炭黑与水亲合力的大小
5.3.2 炭黑粒子与水接触的双电层电位
5.3.3 空间位阻
5.4 本章小结
第六章 结论
参考文献
发表论文
附录
致谢
发布时间: 2007-07-10
参考文献
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