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1、第18卷第1期山东轻工业学院学报Vol.18No.12004年3月JOURNALOFSHANDONGINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRYMar.2004丙烯酰胺在炭黑表面接枝改性的研究周建华,李鹏,马毅,王华勋(山东轻工业学院化学工程系,山东济南250100)4+摘要:利用Ce和羟甲基组成的氧化还原体系,探讨了水溶液中丙烯酰胺在炭黑表面的接枝反应,研究了剂用量、单体用量、反应时间、硝酸用量对接枝率的影响。利用IR分析、比表面积分析验证炭黑表面的接枝反应,经接枝反应改性的炭黑在水分散体系中具有较好的分散稳定性。关键词:炭黑;丙烯酰胺;接枝反应;分散稳定性中图分类号:
2、069文献标识码:A文章编号:1004-4280(2004)01-0061-05炭黑由粒径为毫微米(10～400nm)的炭粒积聚而成。它不但有优良的耐热、耐候和耐腐蚀性能,还有能导电、密度低、低热膨胀等优点,因此作为补强和着色材料,广泛应用于橡胶、油墨和涂料等行业。但是炭黑粒子间的自聚作用较大,难以分散,影响其应用范围。对此研究者做了大量的炭素材料表面物理和化学改性的工作,如表面活性剂吸附处理法、偶联剂处理法、等离子体处理法、表面化学反应改性和表面接枝改性等。表面接枝改性方面的工作分三类:一是炭黑存在下,使用引发剂进行乙烯基单体的反应使系统内生成的增长反应物链被炭黑表面捕获。
3、该法中,由于接枝反应物的生成占优势,一般接枝率低;二是炭黑表面的活性基团和具有反应性基团的反应物进行反应。这种方法中,反应物可以单独制备,并可在使用时才与炭黑进行混合;三是向炭黑表面导入能引发反应的活性点,使反应物从活性点向外增长。该法中由于反应物从炭黑表面增长,所以接枝率可以超过100%。本文主要探讨了丙烯酰胺在炭黑表面的接枝反应过程,分析了单体浓度、引发剂用量、反应时间、硝酸用量对接枝率的影响,并检测了接枝炭黑的表面性质及在水中的分散稳定性。1实验部分1.1主要实验仪器和试剂日产270-50红外分光光度计;国产ST-08A型比表面积测定仪;国产PHS-3C型复合PH计;国
4、产721型分光光度计;国产SK1200H超声波粉碎仪。炭黑(T-750,青州中远化工有限公司),硝酸铈铵(A1R),丙烯酰胺(A1R),甲苯(A1R),甲醛(A1R)。炭黑使用前以甲苯为溶剂置于索氏抽提器中抽提39h。甲苯用4A分子筛(Φ3-5)干燥24～48h。收稿日期:2003-10-10作者简介:周建华(1969-),男,山东省青州市人,山东轻工业学院副教授,博士,从事物理化学教学与研究工作。62山东轻工业学院学报第18卷1.2炭黑表面的羟甲基化1.2.1羟甲基化在三口烧瓶中,加入炭黑(已抽提),甲醛和一定量的氢氧化钠(催化剂)。开启电搅拌水浴加热升温至50℃后于该温度
5、下反应1h。之后,炭黑经过滤、水洗至中性、50℃条件下干燥20h、棕色瓶储存备用。1.2.2羟(甲)基含量的测定1.2.2.1总酸度的测定(T)Boehm,Graten和Wiss的实验表明酸性氧化物基团赋予炭黑粒子的表面以酸性,在过量的碱液中所有的酸性氧化物就会定量的中和,返滴过量的碱,即可求得酸度。取一定量的原料炭黑和羟甲基炭黑加入一定量的NaOH水溶液和水,放在超声波粉碎仪上粉碎30min,借助PHS-3C复合pH计用标准盐酸溶液滴定,并做空白实验。按式(1)计算酸度T。3T=(V0-V)M/m(1)式中T———总酸度,mmol/g;V0———空白实验消耗盐酸体积,ml;
6、V———试样消耗盐酸体积,mlM———盐酸标准溶液的摩尔浓度,mol/L;m———试样质量,g。测得原料总酸度T原料=0.23438mmol/g,羟甲基炭黑T羟甲基=0.34536mmol/g。1.2.2.2羧基和内酯基(P)的测定Boehm的实验表明,中等强度的碱除了可以中和羧基外还可以把内酯基环状结构打开。本文采用碳酸钠中和羧基和内酯基,过量的碳酸钠用过量的盐酸中和,再用标准氢氧化钠溶液返滴过量部分的盐酸,取一定量的原料炭黑和羟甲基炭黑加入一定量的Na2CO3水溶液、盐酸和水,放在超声波粉碎仪上粉碎30min,借助PHS-3C复合pH计用标准氢氧化钠溶液滴定,并做空白实验
7、。按式(2)计算羧基和内酯基P:3P=(V0-V)M/m(2)式中P———羧基和内酯基值,mmol/g;V0———空白实验消耗NaOH的体积,ml;V———试样消耗NaOH的体积,ml;M———NaOH标准溶液的摩尔浓度,mol/L;m———试样质量,g测得原料P原料=0.21569mmol/g,羟甲基炭黑P羟甲基=0.14401mmol/g1.2.2.3羟甲基的计算原料炭黑羟甲基=T-P=0.01869mmol/g,羟甲基炭黑羟甲基=0.20135mmol/g。1.3炭黑表面接枝反应精确称量羟甲基化炭
