一种高分散亲水色素炭黑及其制备方法和应用

本发明涉及炭黑，进一步地说，是涉及一种高分散亲水色素炭黑及其制备方法和应用。

背景技术：

1、炭黑是指碳氢化合物在苛刻条件下燃烧不完全或经热解而形成的黑色粉末状物质，在轮胎、橡胶、塑料、油漆、印刷等领域应用十分广泛。但是炭黑粒子表面官能团很少，导致其表面呈现惰性，严重限制了炭黑粒子的应用。

2、赵建义等以过硫酸铵为引发剂，丙烯酸和丙烯磺酸钠（sas）及2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（amps）为单体，自由基聚合将含有磺酸基的共聚高分子接枝到炭黑上（新型炭材料，2005，20（4）:229-334）。周晓军等以过硫酸钾为引发剂，苯乙烯磺酸钠（nass）为单体，在超声作用下自由基聚合制备聚苯乙烯磺酸钠接枝炭黑（高分子学报，2008，4：366-370）。但这些自由基接枝需要采用引发剂接枝单体，容易产生单体自聚而非接枝。

3、chen等将3.0g聚乙烯（pe）溶于100ml间二甲苯中，温度保持在120℃；向pe溶液中加入2.0g炭黑。混合物在120℃下剧烈搅拌5小时。冷却后，使悬浮液在室温下静置直至炭黑完全沉淀。通过倾析法去除上清液，将吸附有pe的炭黑置于80℃真空条件下干燥24h，采用tga法测定表面吸附的pe含量为94%。pe本身不亲水，接枝在炭黑表面会让炭黑更加疏水；交联后的pe可能包覆炭黑颗粒、连接相邻炭黑颗粒，导致颗粒团聚。

技术实现思路

1、为解决现有技术中出现的工艺复杂，后处理纷繁的问题，本发明提供了一种高分散亲水色素炭黑及其制备方法和应用。本发明提出利用γ-射线照射使聚合物断链产生自由基，利用在溶液中炭黑捕捉自由基的能力，使聚合物接枝到炭黑上。本发明的方法简单，高效，无需进一步纯化后处理，生产过程中不会引入其他化学物质，不会对环境产生污染。本发明的亲水性聚合物接枝炭黑的粒径小、稳定性高、zeta电位低、与水的接触角小，同时l值小黑度高，具有较好的亲水性和水相分散稳定性。

2、本发明的第一个方面是提供一种亲水性炭黑的制备方法，包括以下步骤：

3、将炭黑与溶解有亲水性聚合物的溶液混合，得到混合液；将所述混合液在保护气氛下通过60co-γ射线辐照源进行辐照，经后处理，得到接枝有亲水性聚合物的亲水性炭黑；其中，所述亲水性聚合物的质量为炭黑质量的1%~10%，以炭黑的质量为100%计；所述辐照的剂量为5~95 kgy。

4、根据本发明，所述亲水性聚合物的质量为炭黑质量的1%~10%，例如1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%，以及任意两数值或者任意两数值的任意区间，以炭黑的质量为100%计。优选地，所述亲水性聚合物的质量为炭黑质量的1%~5%，以炭黑的质量为100%计；和/或，所述辐照的剂量为20~90 kgy。

5、根据本发明，优选地，所述炭黑选自炉法炭黑、槽法炭黑中的至少一种。

6、根据本发明，优选地，所述亲水性聚合物选自聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚苯磺酸中的至少一种。

7、对于本发明中的亲水性聚合物的数均分子量，可以在较宽的范围内选择。优选地，亲水性聚合物的数均分子量可以为1000~500000，例如1000、3000、5000、8000、10000、15000、20000、25000、30000、40000、50000、10万、20万、30万、40万、50万，以及任意两数值或者任意两数值的任意区间。作为举例，聚丙烯酸的数均分子量为2000~20000；聚乙二醇的数均分子量为1000~10000，聚丙烯酰胺的数均分子量为5000~50000。

8、根据本发明，优选地，所述保护气氛为惰性气体中的至少一种，包括但不限于氩气。

9、根据本发明，优选地，所述亲水性聚合物的溶液所用的溶剂为水、甲醇、乙醇、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的至少一种。

10、根据本发明，优选地，所述亲水性聚合物的溶液所用的溶剂与炭黑质量比为（2~30）:1。

11、根据本发明，更优选地，所述亲水性聚合物的溶液所用的溶剂与炭黑质量比为（5~20）:1，进一步更优选（10~15）:1。

12、根据本发明，更优选地，所述辐照的温度：10~80℃；和/或，所述辐照的时间：5 min~4 h，例如5min、10min、15min、30min、60min、1h、2h、3h、4h，以及任意两数值或者任意两数值的任意区间；更优选地，所述辐照的温度：20~60℃；和/或，所述辐照的时间：10 min~4 h。

13、根据本发明优选的实施方式，所述的制备方法，包括：将炭黑、亲水性聚合物和溶剂混合，得到所述混合液；将所述混合液倒入容器中，在所述容器中通入保护气体，排除容器中空气后进行密封；之后将所述容器置于所述60co-γ射线辐照源下进行辐照；之后将混合液倒出、干燥，得到所述亲水性炭黑。

14、根据本发明，优选地，所述通入保护气体时间为5~60 min，优选为20~40 min。

15、根据本发明，优选地，所述干燥的方式为：真空干燥、鼓风干燥、冷冻干燥中的一种或多种的组合；和/或，所述干燥的温度为40~100℃。

16、本发明的第二个方面是提供一种如第一个方面所述的制备方法得到的亲水性炭黑。

17、本发明的第三个方面是提供一种如第二个方面所述的亲水性炭黑在涂料、油墨、印刷中的应用。

18、本发明技术优势：

19、在60co-γ射线的低辐照剂量作用下，将亲水性聚合物直接接枝到炭黑上，无需使用引发剂自由基聚合后再接枝，且使用少量亲水性聚合物，不易产生交联副反应，工艺简单。

20、在炭黑和亲水性聚合物混合液中进行接枝，自由基容易转移，接枝效率高。

21、反应过程中不引入其他化学物质，无需进一步纯化后处理。

22、亲水性聚合物易溶于溶剂，无需高温溶解。

23、炭黑表面接枝上亲水性聚合物、聚合物分子量高，空间位阻大，在低接枝率的情况下就能增强炭黑粒子的亲水性、静电斥力，使炭黑的分散稳定性得到很大提高。

24、本发明的亲水性聚合物接枝炭黑的粒径小、稳定性高、zeta电位低、与水的接触角小，同时l值小黑度高，具有较好的亲水性和水相分散稳定性。

1.一种亲水性炭黑的制备方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

7.根据权利要求1~6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：

9.一种如权利要求1~8中任一项所述的制备方法得到的亲水性炭黑。

10.一种如权利要求9所述的亲水性炭黑在涂料、油墨、印刷中的应用。