本發(fā)明涉及填料測(cè)試領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種橡膠用填料表面極性的測(cè)定方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

炭黑或白炭黑是橡膠工業(yè)制品中必不可少的填料，它們主要用作橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑，能夠賦予橡膠復(fù)合材料許多優(yōu)良的性能，例如橡膠的物理機(jī)械性能(拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐磨性等)、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能得到改善，橡膠的加工性能得到提升，非自補(bǔ)強(qiáng)橡膠得到補(bǔ)強(qiáng)。其次，它們作為橡膠的填充劑，能夠降低橡膠制品的成本，因此，炭黑或白炭黑是橡膠工業(yè)必不可少的補(bǔ)強(qiáng)填料。

炭黑或白炭黑填料的粒徑均為納米級(jí)，具有較高的比表面積，并且其表面成分較為復(fù)雜，炭黑表面含有大量羥基、羧基、自由基、酚基、醌基等化學(xué)基團(tuán)，白炭黑表面含有大量羥基和硅氧烷基等化學(xué)基團(tuán)，具有一定的反應(yīng)性。填料在混入橡膠基體時(shí)，填料表面的化學(xué)基團(tuán)與橡膠大分子發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)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(guān)。利用橡膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)，通過理論計(jì)算可以得到橡膠的極性，然而，填料由于其表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，難以理論計(jì)算其表面極性。專利CN104359907A(2015.02.18)《活性炭表面含氧基團(tuán)的評(píng)價(jià)》中描述了采用滴定法測(cè)定活性炭表面羧基、內(nèi)酯基、酚羥基含氧官能團(tuán)的含量，但對(duì)表面極性并沒有說明。專利CN105067758A(2015.11.18)《一種測(cè)定炭黑表面羧基含氧官能團(tuán)含量的方法》中描述了采用化學(xué)滴定法測(cè)定炭黑表面羧基含量，同樣對(duì)炭黑表面的極性沒有說明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決由于填料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致其表面極性難以測(cè)定的問題，本發(fā)明提供了一種填料表面極性的測(cè)定方法，將填料分散于不同類型的有機(jī)溶劑中，觀察記錄填料在每種溶劑中的分散狀態(tài)，計(jì)算填料的表面極性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種填料表面極性的測(cè)定方法，步驟為1)選取多種有機(jī)溶劑，并標(biāo)號(hào)，分別置于對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)的容器中，每個(gè)容器中分別加入填料，并密封防止溶劑揮發(fā)；2)將上述盛有填料和溶劑的容器進(jìn)行超聲分散處理，然后迅速靜置在平臺(tái)上，觀察記錄填料在每種溶劑中的分散情況，并將填料在不同溶劑中的分散情況分成多個(gè)分散等級(jí)，最高等級(jí)代表填料在某一種溶劑中分散最好，最低等級(jí)代表填料在某一種溶劑中分散最差；3)以多種溶劑的相對(duì)極性為橫坐標(biāo)，以分散等級(jí)為縱坐標(biāo)作圖，擬合曲線，曲線最高點(diǎn)即是填料的表面極性。

為了提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，所述填料的質(zhì)量與不同有機(jī)溶劑體積的比例相同，比例在0.05-0.15mg/mL范圍內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述有機(jī)溶劑為非極性溶劑、中等極性溶劑和強(qiáng)極性溶劑三種類型。

為了進(jìn)一步提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，，三種類型有機(jī)溶劑分別使用相同數(shù)量的溶劑，每種類型使用6-10種溶劑。

進(jìn)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(huán)己酮、苯乙酮、苯甲醛、環(huán)己醇、二甲基乙酰胺、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、二甲基亞砜、甲醇、乙二醇的一種或幾種。

進(jìn)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(tuán)聚，所述超聲分散處理時(shí)間為2-4h，超聲頻率為30kHz。

進(jìn)一步的，所述溶劑的相對(duì)極性是以溶劑的溶度參數(shù)值表征。

本發(fā)明所述的填料表面極性的測(cè)定方法在橡膠配方設(shè)計(jì)及加工過程中應(yīng)用。優(yōu)選是通過所述測(cè)定方法得到填料的表面極性，與橡膠的極性作比較；基于填料與橡膠的相對(duì)極性大小，對(duì)填料進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，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(tài)，改善橡膠制品的性能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：由于填料表面含有大量的化學(xué)基團(tuán)，如羥基、羧基、硅氧烷基等，難以理論計(jì)算填料的表面極性。鑒于填料表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本發(fā)明將填料分散于不同類型的有機(jī)溶劑中，觀察記錄填料在每種溶劑中的分散狀態(tài)，計(jì)算填料的表面極性。本發(fā)明不僅可以表征填料表面的相對(duì)極性，而且還可以為填料的表面改性及其在橡膠中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1中炭黑在有機(jī)溶劑中的分散狀態(tài)示意圖；

圖2是實(shí)施例1中炭黑的分散等級(jí)與有機(jī)溶劑的相對(duì)極性的關(guān)系圖；

圖3是實(shí)施例2中白炭黑的分散等級(jí)與有機(jī)溶劑的相對(duì)極性的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

本實(shí)施例提供了一種填料表面極性的測(cè)定方法，是將所述填料分散于不同類型的有機(jī)溶劑中，觀察并記錄填料在每種溶劑中的分散狀態(tài)，計(jì)算填料的表面極性，具體步驟為：

1)選取多種有機(jī)溶劑，并標(biāo)號(hào)，分別置于對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)的容器中，每個(gè)容器中分別加入填料，并密封防止溶劑揮發(fā)；為了保證測(cè)量結(jié)果的可對(duì)比性，所述填料的質(zhì)量與不同有機(jī)溶劑體積的比例相同，比例可以在0.05-0.15mg/mL范圍內(nèi)，有助于提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，比例越大，填料在溶劑中的相對(duì)含量就越高，從而導(dǎo)致填料難以分散，容易團(tuán)聚，對(duì)填料分散等級(jí)的確定會(huì)造成一定的誤差。

所述有機(jī)溶劑為非極性溶劑、中等極性溶劑和強(qiáng)極性溶劑三種類型，優(yōu)選的，三種類型分別使用相同數(shù)量的溶劑，每種類型使用6-10種溶劑。

所述有機(jī)溶劑為非極性溶劑、中等極性溶劑和強(qiáng)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(huán)己酮、苯乙酮、苯甲醛、環(huán)己醇、二甲基乙酰胺、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、二甲基亞砜、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(jìn)行超聲分散處理，超聲時(shí)間為2-4h，超聲頻率為30kHz，使得填料充分分散，防止團(tuán)聚；然后迅速靜置在平臺(tái)上，觀察記錄填料在每種溶劑中的分散情況。

本實(shí)施例將填料在不同溶劑中的分散情況分成多個(gè)分散等級(jí)，最高等級(jí)代表填料在某一種溶劑中分散最好(例如三個(gè)月內(nèi)無團(tuán)聚)，最低等級(jí)代表填料在某一種溶劑中分散最差(例如一天內(nèi)出現(xiàn)團(tuán)聚)。

3)以多種溶劑的相對(duì)極性為橫坐標(biāo)，以分散等級(jí)為縱坐標(biāo)作圖，擬合曲線，最高點(diǎn)即是填料的表面極性。所述溶劑的相對(duì)極性是以溶劑的溶度參數(shù)值表征。

本發(fā)明的測(cè)量填料表面極性的原理是：由于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(tài)不同，當(dāng)填料表面的極性與溶劑的極性相近或相同時(shí)，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(xiàn)為良好的分散狀態(tài)；反之，當(dāng)填料表面的極性與溶劑的極性相差較大時(shí)，填料-填料之間的相互作用力大于填料-溶劑之間的相互作用力，即填料在溶劑中表現(xiàn)為自我團(tuán)聚狀態(tài)。利用分散等級(jí)來表征填料在不同溶劑中的分散狀態(tài)，隨著溶劑極性的增加，填料的分散等級(jí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值，即曲線的最高點(diǎn)，該最大值對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)數(shù)值即可認(rèn)為是填料的表面極性。

適用于本實(shí)施例測(cè)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(fā)明得到填料的表面極性，在橡膠配方設(shè)計(jì)及加工過程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如：填料在橡膠中的分散狀態(tài)對(duì)制品的最終性能具有重要的影響，當(dāng)填料的極性與橡膠的極性相差較大時(shí)，填料在橡膠中的分散性就較差，因此，基于填料與橡膠的相對(duì)極性大小，對(duì)填料進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，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(jìn)一步提高填料在橡膠中的分散狀態(tài)，改善制品性能。

實(shí)施例1

一種炭黑填料表面極性的測(cè)定方法，是首先選取21個(gè)容量為10mL的容量瓶，然后向每個(gè)容量瓶中分別加入10mL不同類型的有機(jī)溶劑(每個(gè)容量瓶加入一種溶劑)；向每個(gè)容量瓶中分別加入1mg炭黑(以N330為例)并密封防止溶劑揮發(fā)。所述有機(jī)溶劑及其相對(duì)極性(用溶劑的溶度參數(shù)值表征)如表1所示。

將盛有炭黑(N330)和溶劑的容量瓶進(jìn)行3h超聲分散，超聲頻率為30kHz，然后迅速靜置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，觀察記錄炭黑在每種溶劑中的分散情況，并將它們分成6個(gè)分散等級(jí)，“6”代表填料在某一種溶劑中分散最好(三個(gè)月內(nèi)無團(tuán)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(nèi)出現(xiàn)團(tuán)聚)如圖1中C。炭黑(N330)在有機(jī)溶劑中的分散狀態(tài)示意圖見圖1所示，炭黑在每種溶劑中的分散等級(jí)見表1所示。

表1：實(shí)施例1中有機(jī)溶劑的極性以及炭黑的分散等級(jí)

根據(jù)表1得到的結(jié)果，將炭黑的分散等級(jí)(1-6)對(duì)有機(jī)溶劑的相對(duì)極性作圖，見圖2。從圖2可以估測(cè)炭黑填料的表面極性為22.3MPa^1/2。

實(shí)施例2

一種白炭黑填料表面極性的測(cè)定方法，選取21個(gè)容量為10mL的容量瓶，然后向每個(gè)容量瓶中分別加入10mL所述不同類型的有機(jī)溶劑(每個(gè)容量瓶加入一種溶劑)；向每個(gè)容量瓶中分別加入1mg白炭黑(以Vulkasil N為例)并密封防止溶劑揮發(fā)。所述有機(jī)溶劑及其相對(duì)極性(用溶劑的溶度參數(shù)值表征)如表2所示。

將盛有白炭黑(Vulkasil N)和溶劑的容量瓶進(jìn)行3小時(shí)超聲分散，然后迅速靜置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，觀察記錄白炭黑在每種溶劑中的分散情況，并將它們分成6個(gè)分散等級(jí)，“6”代表填料在某一種溶劑中分散最好(三個(gè)月內(nèi)無團(tuán)聚)，“1”代表填料在某一種溶劑中分散最差(一天內(nèi)出現(xiàn)團(tuán)聚)。白炭黑在每種溶劑中的分散等級(jí)見表2所示。

表2：實(shí)施例2中有機(jī)溶劑的極性(單位：)以及白炭黑的分散等級(jí)

根據(jù)表2得到的結(jié)果，將白炭黑的分散等級(jí)(1-6)對(duì)有機(jī)溶劑的相對(duì)極性作圖，見圖3。從圖3可以估測(cè)白炭黑填料的表面極性為26.8MPa^1/2。

上述實(shí)施例僅是對(duì)該測(cè)定方法的詳細(xì)描述，應(yīng)該指出，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，因此在不脫離本發(fā)明總體構(gòu)思下的變化和修改，應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。