一种填料表面极性的测定方法及应用与流程

本发明涉及填料测试领域，具体地说，是涉及一种橡胶用填料表面极性的测定方法及应用。

背景技术：

炭黑或白炭黑是橡胶工业制品中必不可少的填料，它们主要用作橡胶补强剂，能够赋予橡胶复合材料许多优良的性能，例如橡胶的物理机械性能(拉伸强度、撕裂强度、耐磨性等)、动态力学性能得到改善，橡胶的加工性能得到提升，非自补强橡胶得到补强。其次，它们作为橡胶的填充剂，能够降低橡胶制品的成本，因此，炭黑或白炭黑是橡胶工业必不可少的补强填料。

炭黑或白炭黑填料的粒径均为纳米级，具有较高的比表面积，并且其表面成分较为复杂，炭黑表面含有大量羟基、羧基、自由基、酚基、醌基等化学基团，白炭黑表面含有大量羟基和硅氧烷基等化学基团，具有一定的反应性。填料在混入橡胶基体时，填料表面的化学基团与橡胶大分子发生复杂的物理和化学吸附作用，在填料表面形成一定厚度的橡胶大分子链吸附层，该吸附层的厚度分别与橡胶和填料表面的极性有关。利用橡胶的化学结构，通过理论计算可以得到橡胶的极性，然而，填料由于其表面结构的复杂性，难以理论计算其表面极性。专利CN104359907A(2015.02.18)《活性炭表面含氧基团的评价》中描述了采用滴定法测定活性炭表面羧基、內酯基、酚羟基含氧官能团的含量，但对表面极性并没有说明。专利CN105067758A(2015.11.18)《一种测定炭黑表面羧基含氧官能团含量的方法》中描述了采用化学滴定法测定炭黑表面羧基含量，同样对炭黑表面的极性没有说明。

技术实现要素：

为了解决由于填料表面化学结构复杂而导致其表面极性难以测定的问题，本发明提供了一种填料表面极性的测定方法，将填料分散于不同类型的有机溶剂中，观察记录填料在每种溶剂中的分散状态，计算填料的表面极性。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案予以实现：一种填料表面极性的测定方法，步骤为1)选取多种有机溶剂，并标号，分别置于对应标号的容器中，每个容器中分别加入填料，并密封防止溶剂挥发；2)将上述盛有填料和溶剂的容器进行超声分散处理，然后迅速静置在平台上，观察记录填料在每种溶剂中的分散情况，并将填料在不同溶剂中的分散情况分成多个分散等级，最高等级代表填料在某一种溶剂中分散最好，最低等级代表填料在某一种溶剂中分散最差；3)以多种溶剂的相对极性为横坐标，以分散等级为纵坐标作图，拟合曲线，曲线最高点即是填料的表面极性。

为了提高测量结果的准确性，所述填料的质量与不同有机溶剂体积的比例相同，比例在0.05-0.15mg/mL范围内。

进一步的，所述有机溶剂为非极性溶剂、中等极性溶剂和强极性溶剂三种类型。

为了进一步提高测量结果的准确性，，三种类型有机溶剂分别使用相同数量的溶剂，每种类型使用6-10种溶剂。

进一步的，所述非极性溶剂选自正己烷、正辛烷、十二烷、异丁酸异丁酯、碳酸二异酯、四氯化碳、乙基苯的一种或几种；其中所述中等极性溶剂选自丙酮、环己酮、苯乙酮、苯甲醛、环己醇、二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮的一种或几种；其中所述极性溶剂选自苯甲醇、乙腈、水杨醛、乙醇、二甲基亚砜、甲醇、乙二醇的一种或几种。

进一步的，所述填料为炭黑、白炭黑、重钙或滑石粉。

为了使填料充分分散，防止团聚，所述超声分散处理时间为2-4h，超声频率为30kHz。

进一步的，所述溶剂的相对极性是以溶剂的溶度参数值表征。

本发明所述的填料表面极性的测定方法在橡胶配方设计及加工过程中应用。优选是通过所述测定方法得到填料的表面极性，与橡胶的极性作比较；基于填料与橡胶的相对极性大小，对填料进行适当的表面处理，以提高或降低填料的表面极性使其与橡胶的极性匹配，从而提高填料在橡胶中的分散状态，改善橡胶制品的性能。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：由于填料表面含有大量的化学基团，如羟基、羧基、硅氧烷基等，难以理论计算填料的表面极性。鉴于填料表面结构的复杂性，本发明将填料分散于不同类型的有机溶剂中，观察记录填料在每种溶剂中的分散状态，计算填料的表面极性。本发明不仅可以表征填料表面的相对极性，而且还可以为填料的表面改性及其在橡胶中的应用提供技术支持。

附图说明

图1是实施例1中炭黑在有机溶剂中的分散状态示意图；

图2是实施例1中炭黑的分散等级与有机溶剂的相对极性的关系图；

图3是实施例2中白炭黑的分散等级与有机溶剂的相对极性的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

本实施例提供了一种填料表面极性的测定方法，是将所述填料分散于不同类型的有机溶剂中，观察并记录填料在每种溶剂中的分散状态，计算填料的表面极性，具体步骤为：

1)选取多种有机溶剂，并标号，分别置于对应标号的容器中，每个容器中分别加入填料，并密封防止溶剂挥发；为了保证测量结果的可对比性，所述填料的质量与不同有机溶剂体积的比例相同，比例可以在0.05-0.15mg/mL范围内，有助于提高测量结果的准确性，比例越大，填料在溶剂中的相对含量就越高，从而导致填料难以分散，容易团聚，对填料分散等级的确定会造成一定的误差。

所述有机溶剂为非极性溶剂、中等极性溶剂和强极性溶剂三种类型，优选的，三种类型分别使用相同数量的溶剂，每种类型使用6-10种溶剂。

所述有机溶剂为非极性溶剂、中等极性溶剂和强极性溶剂。其中所述非极性溶剂选自正己烷、正辛烷、十二烷、异丁酸异丁酯、碳酸二异酯、四氯化碳、乙基苯的一种或几种。其中所述中等极性溶剂选自丙酮、环己酮、苯乙酮、苯甲醛、环己醇、二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮的一种或几种。其中所述极性溶剂选自苯甲醇、乙腈、水杨醛、乙醇、二甲基亚砜、甲醇、乙二醇的一种或几种。

2)将上述盛有填料和溶剂的容器进行超声分散处理，超声时间为2-4h，超声频率为30kHz，使得填料充分分散，防止团聚；然后迅速静置在平台上，观察记录填料在每种溶剂中的分散情况。

本实施例将填料在不同溶剂中的分散情况分成多个分散等级，最高等级代表填料在某一种溶剂中分散最好(例如三个月内无团聚)，最低等级代表填料在某一种溶剂中分散最差(例如一天内出现团聚)。

3)以多种溶剂的相对极性为横坐标，以分散等级为纵坐标作图，拟合曲线，最高点即是填料的表面极性。所述溶剂的相对极性是以溶剂的溶度参数值表征。

本发明的测量填料表面极性的原理是：由于填料表面具有一定的极性，填料在不同极性的溶剂中的分散状态不同，当填料表面的极性与溶剂的极性相近或相同时，填料-填料之间的相互作用力和填料-溶剂之间的相互作用力也相近或相同，即填料在溶剂中表现为良好的分散状态；反之，当填料表面的极性与溶剂的极性相差较大时，填料-填料之间的相互作用力大于填料-溶剂之间的相互作用力，即填料在溶剂中表现为自我团聚状态。利用分散等级来表征填料在不同溶剂中的分散状态，随着溶剂极性的增加，填料的分散等级会出现一个最大值，即曲线的最高点，该最大值对应的横坐标数值即可认为是填料的表面极性。

适用于本实施例测定方法的填料为炭黑、白炭黑、重钙、滑石粉等粉状填料。

通过本发明得到填料的表面极性，在橡胶配方设计及加工过程中具有重要的应用价值。例如：填料在橡胶中的分散状态对制品的最终性能具有重要的影响，当填料的极性与橡胶的极性相差较大时，填料在橡胶中的分散性就较差，因此，基于填料与橡胶的相对极性大小，对填料进行适当的表面处理，以提高或降低填料的表面极性使其与橡胶的极性匹配，从而进一步提高填料在橡胶中的分散状态，改善制品性能。

实施例1

一种炭黑填料表面极性的测定方法，是首先选取21个容量为10mL的容量瓶，然后向每个容量瓶中分别加入10mL不同类型的有机溶剂(每个容量瓶加入一种溶剂)；向每个容量瓶中分别加入1mg炭黑(以N330为例)并密封防止溶剂挥发。所述有机溶剂及其相对极性(用溶剂的溶度参数值表征)如表1所示。

将盛有炭黑(N330)和溶剂的容量瓶进行3h超声分散，超声频率为30kHz，然后迅速静置在实验台上，观察记录炭黑在每种溶剂中的分散情况，并将它们分成6个分散等级，“6”代表填料在某一种溶剂中分散最好(三个月内无团聚)，如图1中A；“1”代表填料在某一种溶剂中分散最差(一天内出现团聚)如图1中C。炭黑(N330)在有机溶剂中的分散状态示意图见图1所示，炭黑在每种溶剂中的分散等级见表1所示。

表1：实施例1中有机溶剂的极性以及炭黑的分散等级

根据表1得到的结果，将炭黑的分散等级(1-6)对有机溶剂的相对极性作图，见图2。从图2可以估测炭黑填料的表面极性为22.3MPa^1/2。

实施例2

一种白炭黑填料表面极性的测定方法，选取21个容量为10mL的容量瓶，然后向每个容量瓶中分别加入10mL所述不同类型的有机溶剂(每个容量瓶加入一种溶剂)；向每个容量瓶中分别加入1mg白炭黑(以Vulkasil N为例)并密封防止溶剂挥发。所述有机溶剂及其相对极性(用溶剂的溶度参数值表征)如表2所示。

将盛有白炭黑(Vulkasil N)和溶剂的容量瓶进行3小时超声分散，然后迅速静置在实验台上，观察记录白炭黑在每种溶剂中的分散情况，并将它们分成6个分散等级，“6”代表填料在某一种溶剂中分散最好(三个月内无团聚)，“1”代表填料在某一种溶剂中分散最差(一天内出现团聚)。白炭黑在每种溶剂中的分散等级见表2所示。

表2：实施例2中有机溶剂的极性(单位：)以及白炭黑的分散等级

根据表2得到的结果，将白炭黑的分散等级(1-6)对有机溶剂的相对极性作图，见图3。从图3可以估测白炭黑填料的表面极性为26.8MPa^1/2。

上述实施例仅是对该测定方法的详细描述，应该指出，本发明不限于上述实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。