一種填料表面極性的測定方法及應用與流程
2023-08-07 18:46:16
本發明涉及填料測試領域，具體地說，是涉及一種橡膠用填料表面極性的測定方法及應用。
背景技術：
炭黑或白炭黑是橡膠工業製品中必不可少的填料，它們主要用作橡膠補強劑，能夠賦予橡膠複合材料許多優良的性能，例如橡膠的物理機械性能(拉伸強度、撕裂強度、耐磨性等)、動態力學性能得到改善，橡膠的加工性能得到提升，非自補強橡膠得到補強。其次，它們作為橡膠的填充劑，能夠降低橡膠製品的成本，因此，炭黑或白炭黑是橡膠工業必不可少的補強填料。
炭黑或白炭黑填料的粒徑均為納米級，具有較高的比表面積，並且其表面成分較為複雜，炭黑表面含有大量羥基、羧基、自由基、酚基、醌基等化學基團，白炭黑表面含有大量羥基和矽氧烷基等化學基團，具有一定的反應性。填料在混入橡膠基體時，填料表面的化學基團與橡膠大分子發生複雜的物理和化學吸附作用，在填料表面形成一定厚度的橡膠大分子鏈吸附層，該吸附層的厚度分別與橡膠和填料表面的極性有關。利用橡膠的化學結構，通過理論計算可以得到橡膠的極性，然而，填料由於其表面結構的複雜性，難以理論計算其表面極性。專利CN104359907A(2015.02.18)《活性炭表面含氧基團的評價》中描述了採用滴定法測定活性炭表面羧基、內酯基、酚羥基含氧官能團的含量，但對表面極性並沒有說明。專利CN105067758A(2015.11.18)《一種測定炭黑表面羧基含氧官能團含量的方法》中描述了採用化學滴定法測定炭黑表面羧基含量，同樣對炭黑表面的極性沒有說明。
技術實現要素：
為了解決由於填料表面化學結構複雜而導致其表面極性難以測定的問題，本發明提供了一種填料表面極性的測定方法，將填料分散於不同類型的有機溶劑中，觀察記錄填料在每種溶劑中的分散狀態，計算填料的表面極性。
為了實現上述目的，本發明採用下述技術方案予以實現：一種填料表面極性的測定方法，步驟為1)選取多種有機溶劑，並標號，分別置於對應標號的容器中，每個容器中分別加入填料，並密封防止溶劑揮發；2)將上述盛有填料和溶劑的容器進行超聲分散處理，然後迅速靜置在平臺上，觀察記錄填料在每種溶劑中的分散情況，並將填料在不同溶劑中的分散情況分成多個分散等級，最高等級代表填料在某一種溶劑中分散最好，最低等級代表填料在某一種溶劑中分散最差；3)以多種溶劑的相對極性為橫坐標，以分散等級為縱坐標作圖，擬合曲線，曲線最高點即是填料的表面極性。
為了提高測量結果的準確性，所述填料的質量與不同有機溶劑體積的比例相同，比例在0.05-0.15mg/mL範圍內。
進一步的，所述有機溶劑為非極性溶劑、中等極性溶劑和強極性溶劑三種類型。
為了進一步提高測量結果的準確性，，三種類型有機溶劑分別使用相同數量的溶劑，每種類型使用6-10種溶劑。
進一步的，所述非極性溶劑選自正己烷、正辛烷、十二烷、異丁酸異丁酯、碳酸二異酯、四氯化碳、乙基苯的一種或幾種；其中所述中等極性溶劑選自丙酮、環己酮、苯乙酮、苯甲醛、環己醇、二甲基乙醯胺、N-甲基-2-吡咯烷酮的一種或幾種；其中所述極性溶劑選自苯甲醇、乙腈、水楊醛、乙醇、二甲基亞碸、甲醇、乙二醇的一種或幾種。
進一步的，所述填料為炭黑、白炭黑、重鈣或滑石粉。
為了使填料充分分散，防止團聚，所述超聲分散處理時間為2-4h，超聲頻率為30kHz。
進一步的，所述溶劑的相對極性是以溶劑的溶度參數值表徵。
本發明所述的填料表面極性的測定方法在橡膠配方設計及加工過程中應用。優選是通過所述測定方法得到填料的表面極性，與橡膠的極性作比較；基於填料與橡膠的相對極性大小，對填料進行適當的表面處理，以提高或降低填料的表面極性使其與橡膠的極性匹配，從而提高填料在橡膠中的分散狀態，改善橡膠製品的性能。
與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是：由於填料表面含有大量的化學基團，如羥基、羧基、矽氧烷基等，難以理論計算填料的表面極性。鑑於填料表面結構的複雜性，本發明將填料分散於不同類型的有機溶劑中，觀察記錄填料在每種溶劑中的分散狀態，計算填料的表面極性。本發明不僅可以表徵填料表面的相對極性，而且還可以為填料的表面改性及其在橡膠中的應用提供技術支持。
附圖說明
圖1是實施例1中炭黑在有機溶劑中的分散狀態示意圖；
圖2是實施例1中炭黑的分散等級與有機溶劑的相對極性的關係圖；
圖3是實施例2中白炭黑的分散等級與有機溶劑的相對極性的關係圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明的技術方案做進一步詳細的說明。
本實施例提供了一種填料表面極性的測定方法，是將所述填料分散於不同類型的有機溶劑中，觀察並記錄填料在每種溶劑中的分散狀態，計算填料的表面極性，具體步驟為：
1)選取多種有機溶劑，並標號，分別置於對應標號的容器中，每個容器中分別加入填料，並密封防止溶劑揮發；為了保證測量結果的可對比性，所述填料的質量與不同有機溶劑體積的比例相同，比例可以在0.05-0.15mg/mL範圍內，有助於提高測量結果的準確性，比例越大，填料在溶劑中的相對含量就越高，從而導致填料難以分散，容易團聚，對填料分散等級的確定會造成一定的誤差。
所述有機溶劑為非極性溶劑、中等極性溶劑和強極性溶劑三種類型，優選的，三種類型分別使用相同數量的溶劑，每種類型使用6-10種溶劑。
所述有機溶劑為非極性溶劑、中等極性溶劑和強極性溶劑。其中所述非極性溶劑選自正己烷、正辛烷、十二烷、異丁酸異丁酯、碳酸二異酯、四氯化碳、乙基苯的一種或幾種。其中所述中等極性溶劑選自丙酮、環己酮、苯乙酮、苯甲醛、環己醇、二甲基乙醯胺、N-甲基-2-吡咯烷酮的一種或幾種。其中所述極性溶劑選自苯甲醇、乙腈、水楊醛、乙醇、二甲基亞碸、甲醇、乙二醇的一種或幾種。
2)將上述盛有填料和溶劑的容器進行超聲分散處理，超聲時間為2-4h，超聲頻率為30kHz，使得填料充分分散，防止團聚；然後迅速靜置在平臺上，觀察記錄填料在每種溶劑中的分散情況。
本實施例將填料在不同溶劑中的分散情況分成多個分散等級，最高等級代表填料在某一種溶劑中分散最好(例如三個月內無團聚)，最低等級代表填料在某一種溶劑中分散最差(例如一天內出現團聚)。
3)以多種溶劑的相對極性為橫坐標，以分散等級為縱坐標作圖，擬合曲線，最高點即是填料的表面極性。所述溶劑的相對極性是以溶劑的溶度參數值表徵。
本發明的測量填料表面極性的原理是：由於填料表面具有一定的極性，填料在不同極性的溶劑中的分散狀態不同，當填料表面的極性與溶劑的極性相近或相同時，填料-填料之間的相互作用力和填料-溶劑之間的相互作用力也相近或相同，即填料在溶劑中表現為良好的分散狀態；反之，當填料表面的極性與溶劑的極性相差較大時，填料-填料之間的相互作用力大於填料-溶劑之間的相互作用力，即填料在溶劑中表現為自我團聚狀態。利用分散等級來表徵填料在不同溶劑中的分散狀態，隨著溶劑極性的增加，填料的分散等級會出現一個最大值，即曲線的最高點，該最大值對應的橫坐標數值即可認為是填料的表面極性。
適用於本實施例測定方法的填料為炭黑、白炭黑、重鈣、滑石粉等粉狀填料。
通過本發明得到填料的表面極性，在橡膠配方設計及加工過程中具有重要的應用價值。例如：填料在橡膠中的分散狀態對製品的最終性能具有重要的影響，當填料的極性與橡膠的極性相差較大時，填料在橡膠中的分散性就較差，因此，基於填料與橡膠的相對極性大小，對填料進行適當的表面處理，以提高或降低填料的表面極性使其與橡膠的極性匹配，從而進一步提高填料在橡膠中的分散狀態，改善製品性能。
實施例1
一種炭黑填料表面極性的測定方法，是首先選取21個容量為10mL的容量瓶，然後向每個容量瓶中分別加入10mL不同類型的有機溶劑(每個容量瓶加入一種溶劑)；向每個容量瓶中分別加入1mg炭黑(以N330為例)並密封防止溶劑揮發。所述有機溶劑及其相對極性(用溶劑的溶度參數值表徵)如表1所示。
將盛有炭黑(N330)和溶劑的容量瓶進行3h超聲分散，超聲頻率為30kHz，然後迅速靜置在實驗臺上，觀察記錄炭黑在每種溶劑中的分散情況，並將它們分成6個分散等級，「6」代表填料在某一種溶劑中分散最好(三個月內無團聚)，如圖1中A；「1」代表填料在某一種溶劑中分散最差(一天內出現團聚)如圖1中C。炭黑(N330)在有機溶劑中的分散狀態示意圖見圖1所示，炭黑在每種溶劑中的分散等級見表1所示。
表1：實施例1中有機溶劑的極性以及炭黑的分散等級
根據表1得到的結果，將炭黑的分散等級(1-6)對有機溶劑的相對極性作圖，見圖2。從圖2可以估測炭黑填料的表面極性為22.3MPa1/2。
實施例2
一種白炭黑填料表面極性的測定方法，選取21個容量為10mL的容量瓶，然後向每個容量瓶中分別加入10mL所述不同類型的有機溶劑(每個容量瓶加入一種溶劑)；向每個容量瓶中分別加入1mg白炭黑(以Vulkasil N為例)並密封防止溶劑揮發。所述有機溶劑及其相對極性(用溶劑的溶度參數值表徵)如表2所示。
將盛有白炭黑(Vulkasil N)和溶劑的容量瓶進行3小時超聲分散，然後迅速靜置在實驗臺上，觀察記錄白炭黑在每種溶劑中的分散情況，並將它們分成6個分散等級，「6」代表填料在某一種溶劑中分散最好(三個月內無團聚)，「1」代表填料在某一種溶劑中分散最差(一天內出現團聚)。白炭黑在每種溶劑中的分散等級見表2所示。
表2：實施例2中有機溶劑的極性(單位：)以及白炭黑的分散等級
根據表2得到的結果，將白炭黑的分散等級(1-6)對有機溶劑的相對極性作圖，見圖3。從圖3可以估測白炭黑填料的表面極性為26.8MPa1/2。
上述實施例僅是對該測定方法的詳細描述，應該指出，本發明不限於上述實施例，因此在不脫離本發明總體構思下的變化和修改，應屬本發明的保護範圍之內。