一种离子液体接枝改性碳黑及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及无机材料的制备技术领域，具体涉及一种离子液体接枝改性碳 黑及其制备方法。

背景技术

碳黑（又名炭黑），是一种无定形碳，为轻、松而极细的黑色粉末，比表面 积非常大，范围从10-3000m²/g，是有机物（天然气、重油、燃料油等）在空气 不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物。比重1.8-2.1由天然气制成 的称“气黑”，由油类制成的称“灯黑”，由乙炔制成的称“乙炔黑”。此外 还有“槽黑”、“炉黑”。按炭黑性能区分有“补强炭黑”、“导电炭黑”、 “耐磨炭黑”等。可作黑色染料，用于制造中国墨、油墨、油漆等，也用于做 聚合物的补强剂。

然而在工业应用时，由于纳米粒子的固有属性，将碳黑分散于聚合物基底 材料中时，碳黑容易团聚，而且与聚合物基底材料相容性差，影响了聚合物复 合材料的整体性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有碳黑易团聚、分散性差的不足，提 供一种分散性好的离子液体接枝改性碳黑。

本发明同时还提供一种离子液体接枝改性碳黑的制备方法，该方法工艺简 单且能够获得分散性优异的离子液体接枝改性碳黑。

为解决上述问题，本发明采用的一种技术方案是：

一种离子液体接枝改性碳黑，其为表面具有羧基基团的酸化碳黑与羟烷基 离子液体发生化学反应而得，其中，所述表面具有羧基基团的酸化碳黑由碳黑 在具有氧化性的酸的作用下形成。

根据本发明，所述的羟烷基离子液体是指结构中含有羟烷基（-ROH）的离 子液体，其中R可为例如（CH₂）n，其中n为1～12之间的整数。

进一步地，所述的羟烷基离子液体为选自满足下述通式的离子液体中的一 种或多种的组合：

上述通式中，X为选自Cl、I、Br中的一种，n，m，p独立地为1～5之间的整 数。

具体的羟烷基离子液体有例如：

进一步地，所述的具有氧化性的酸可以为质量分数为60～75%的浓硝酸、质 量分数为80～98%的浓硫酸或二者的混合酸。

本发明采取的又一技术方案是：

一种上述离子液体接枝改性碳黑的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）、制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入具有氧化性的酸和碳黑， 超声使其分散均匀后，搅拌加热至50～90℃，保温反应，使碳黑的表面被氧化生 成羧酸，获得表面具有羧基基团的酸化碳黑；

（2）、制备离子液体接枝改性碳黑：使步骤（1）所得酸化碳黑与羟烷基离 子液体在催化剂和脱水剂存在下，在溶剂中，温度50～80℃下反应生成所述离子 液体接枝改性碳黑，反应结束后，水洗，烘干即得离子液体接枝改性碳黑产品。

优选地，步骤（1）中，所述具有氧化性的酸为质量分数为60～75%的浓硝 酸与质量分数为80～98%的浓硫酸按照体积比1:1～4组成的混合酸。

优选地，步骤（1）中，控制反应的时间为8～12小时，反应结束后，用去离 子水将反应溶液稀释，离心分离得到黑色粉末，再加入去离子水、超声分散、 离心，重复3～5遍，将产物烘干得到所述酸化碳黑。

根据本发明方法，步骤（2）中，所述酸化碳黑与所述羟烷基离子液体的投 料重量比可以为1:3～9。

优选地，步骤（2）中，所述的催化剂为4-二甲氨基吡啶，其投料质量为酸 化碳黑和羟烷基离子液体总重量的25%～50%。

优选地，所述的脱水剂为二环己基碳二亚胺或1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基 碳二亚胺或二者的组合，其投料质量为酸化碳黑和羟烷基离子液体总重量的 30%～60%。

优选地，所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或二甲亚砜。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

在普通碳黑粒子表面含有数量相当可观的羧基、内酯基、醛基、酚基等含 氧官能团，本发明方法通过将首先使碳黑表面的这些含氧官能团在氧化性的酸 的作用下转化成羧基，再利用其羧基与羟烷基离子液体的羟基反应，而将离子 液体接枝于碳黑表面。所得的离子液体接枝改性碳黑由于表面以化学键连接了 离子液体而具备了离子液体所具有的溶解性好和与聚合物相容性好的优点，与 普通碳黑或通过简单氢键结合在一起的离子液体改性碳黑相比，其在溶剂中的 分散性和与有机高分子材料之间的相容性均有显著提高。

本发明的方法工艺过程简单，能够成功制备具有优异分散性的离子液体接 枝改性碳黑。

附图说明

图1为普通碳黑分散于N,N-二甲基甲酰胺中静置10分钟后的照片；

图2为实施例1制备的接枝离子液体改性碳黑分散于N,N-二甲基甲酰胺中静 置10分钟后的照片；

图3为实施例1制备的接枝离子液体碳黑的扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1

一种离子液体接枝改性碳黑，其通过如下步骤制备：

（1）制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入质量分数为60%的浓硝酸和 质量分数为80%的浓硫酸的混合物（二者体积比1:1）100ml、碳黑1g，超声使 其分散均匀后，在90℃下搅拌加热8小时，随后用去离子水将该混合溶液稀释， 离心分离后得到黑色粉末；再加入去离子水、超声分散、离心，重复5遍，将产 物烘干得到酸化的碳黑；

（2）制备离子液体接枝改性碳黑：分别取步骤（1）所得酸化碳黑0.3g、羟 烷基离子液体0.9g、4-二甲氨基吡啶0.3g、二环己基碳二亚 胺0.36g分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在80℃下搅拌加热24小时后过滤，用去离 子水冲洗5遍，烘干，即得离子液体接枝改性碳黑产品。

实施例2

一种离子液体接枝改性碳黑，其通过如下步骤制备：

（1）制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入质量分数为75%的浓硝酸和 质量分数为98%的浓硫酸的混合物（二者体积比1:4）100ml、碳黑1g，超声使 其分散均匀后，在50℃下搅拌加热12小时，随后用去离子水将该混合溶液稀释， 离心分离后得到黑色粉末；再加入去离子水、超声分散、离心，重复3遍，将产 物烘干得到酸化的碳黑；

（2）制备离子液体接枝改性碳黑：分别取步骤（1）所得酸化碳黑0.3g、羟 烷基离子液体2.7g、4-二甲氨基吡啶1.5g、二环 己基碳二亚胺1.8g分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在50℃下搅拌加热36小时后过 滤，用去离子水冲洗3遍，烘干，即得离子液体接枝改性碳黑产品。

实施例3

一种离子液体接枝改性碳黑，其通过如下步骤制备：

（1）制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入质量分数为75%的浓硝酸和 质量分数为98%的浓硫酸的混合物（二者体积比1:1）100ml、碳黑1g，超声使 其分散均匀后，在60℃下搅拌加热10小时，随后用去离子水将该混合溶液稀释， 离心分离后得到黑色粉末；再加入去离子水、超声分散、离心，重复5遍，将产 物烘干得到酸化的碳黑；

（2）制备离子液体接枝改性碳黑：分别取步骤（1）所得酸化碳黑0.3g、羟 烷基离子液体1.2g、4-二甲氨基吡啶0.45g、1-(3-二甲基氨 基丙基)-3-乙基碳二亚胺0.6g分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在80℃下搅拌加热24 小时后过滤，用去离子水冲洗5遍，烘干，即得离子液体接枝改性碳黑产品。

实施例4

一种离子液体接枝改性碳黑，其通过如下步骤制备：

（1）制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入质量分数为60%的浓硝酸和 质量分数为80%的浓硫酸的混合物（二者体积比1:3）100ml、碳黑1g，超声使 其分散均匀后，在60℃下搅拌加热8小时，随后用去离子水将该混合溶液稀释， 离心分离后得到黑色粉末；再加入去离子水、超声分散、离心，重复5遍，将产 物烘干得到酸化的碳黑；

（2）制备离子液体接枝改性碳黑：分别取步骤（1）所得酸化碳黑0.3g、羟 烷基离子液体0.9g、4-二甲氨基吡啶0.3g、二环己基碳二亚 胺0.36g分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在80℃下搅拌加热24小时后过滤，用去离 子水冲洗5遍，烘干，即得离子液体接枝改性碳黑产品。

实施例5

一种离子液体接枝改性碳黑，其通过如下步骤制备：

（1）制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入质量分数为60%的浓硝酸和 质量分数为80%的浓硫酸的混合物（二者体积比1:1）100ml、碳黑1g，超声使 其分散均匀后，在70℃下搅拌加热8小时，随后用去离子水将该混合溶液稀释， 离心分离后得到黑色粉末；再加入去离子水、超声分散、离心，重复5遍，将产 物烘干得到酸化的碳黑；

（2）制备离子液体接枝改性碳黑：分别取步骤（1）所得酸化碳黑0.3g、羟 烷基离子液体0.9g、4-二甲氨基吡啶0.3g、二环己基碳二亚 胺0.36g分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在75℃下搅拌加热24小时后过滤，用去离 子水冲洗5遍，烘干，即得离子液体接枝改性碳黑产品。

实施例6

一种离子液体接枝改性碳黑，其通过如下步骤制备：

（1）制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入质量分数为75%的浓硝酸和 质量分数为98%的浓硫酸的混合物（二者体积比1:1）100ml、碳黑1g，超声使 其分散均匀后，在70℃下搅拌加热8小时，随后用去离子水将该混合溶液稀释， 离心分离后得到黑色粉末；再加入去离子水、超声分散、离心，重复5遍，将产 物烘干得到酸化的碳黑；

（2）制备离子液体接枝改性碳黑：分别取步骤（1）所得酸化碳黑0.3g、羟 烷基离子液体0.9g、4-二甲氨基吡啶0.3g、二环己基碳二亚 胺0.36g分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在75℃下搅拌加热24小时后过滤，用去离 子水冲洗5遍，烘干，即得离子液体接枝改性碳黑产品。

实施例7

一种离子液体接枝改性碳黑，其通过如下步骤制备：

（1）制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入质量分数为60%的浓硝酸和 质量分数为80%的浓硫酸的混合物（二者体积比1:1）100ml、碳黑1g，超声使 其分散均匀后，在70℃下搅拌加热8小时，随后用去离子水将该混合溶液稀释， 离心分离后得到黑色粉末；再加入去离子水、超声分散、离心，重复5遍，将产 物烘干得到酸化的碳黑；

（2）制备离子液体接枝改性碳黑：分别取步骤（1）所得酸化碳黑0.3g、羟 烷基离子液体0.9g、4-二甲氨基吡啶0.6g、二环己基碳二亚 胺0.72g分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在75℃下搅拌加热24小时后过滤，用去离 子水冲洗5遍，烘干，即得离子液体接枝改性碳黑产品。

实施例8

一种离子液体接枝改性碳黑，其通过如下步骤制备：

（1）制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入质量分数为60%的浓硝酸和 质量分数为80%的浓硫酸的混合物（二者体积比1:1）100ml、碳黑1g，超声使 其分散均匀后，在70℃下搅拌加热8小时，随后用去离子水将该混合溶液稀释， 离心分离后得到黑色粉末；再加入去离子水、超声分散、离心，重复3遍，将产 物烘干得到酸化的碳黑；

（2）制备离子液体接枝改性碳黑：分别取步骤（1）所得酸化碳黑0.3g、羟 烷基离子液体0.9g、4-二甲氨基吡啶0.3g、二环 己基碳二亚胺0.36g分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在75℃下搅拌加热24小时后过 滤，用去离子水冲洗5遍，烘干，即得离子液体接枝改性碳黑产品。

实施例9

一种离子液体接枝改性碳黑，其通过如下步骤制备：

（1）制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入质量分数为60%的浓硝酸和 质量分数为80%的浓硫酸的混合物（二者体积比1:1）100ml、碳黑1g，超声使 其分散均匀后，在70℃下搅拌加热8小时，随后用去离子水将该混合溶液稀释， 离心分离后得到黑色粉末；再加入去离子水、超声分散、离心，重复5遍，将产 物烘干得到酸化的碳黑；

（2）制备离子液体接枝改性碳黑：分别取步骤（1）所得酸化碳黑0.3g、羟 烷基离子液体0.9g、4-二甲氨基吡啶0.3g、二环 己基碳二亚胺0.36g分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在75℃下搅拌加热24小时后过 滤，用去离子水冲洗5遍，烘干，即得离子液体接枝改性碳黑产品。

实施例10

一种离子液体接枝改性碳黑，其通过如下步骤制备：

（1）制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入质量分数为60%的浓硝酸和 质量分数为80%的浓硫酸的混合物（二者体积比1:1）100ml、碳黑1g，超声使 其分散均匀后，在70℃下搅拌加热8小时，随后用去离子水将该混合溶液稀释， 离心分离后得到黑色粉末；再加入去离子水、超声分散、离心，重复5遍，将产 物烘干得到酸化的碳黑；

（2）制备离子液体接枝改性碳黑：分别取步骤（1）所得酸化碳黑0.3g、羟 烷基离子液体0.9g、4-二甲氨基吡啶0.3g、二环 己基碳二亚胺0.36g分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在75℃下搅拌加热24小时后过 滤，用去离子水冲洗5遍，烘干，即得离子液体接枝改性碳黑产品。

实施例11

一种离子液体接枝改性碳黑，其通过如下步骤制备：

（1）制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入质量分数为60%的浓硝酸和 质量分数为80%的浓硫酸的混合物（二者体积比1:1）100ml、碳黑1g，超声使 其分散均匀后，在70℃下搅拌加热8小时，随后用去离子水将该混合溶液稀释， 离心分离后得到黑色粉末；再加入去离子水、超声分散、离心，重复5遍，将产 物烘干得到酸化的碳黑；

（2）制备离子液体接枝改性碳黑：分别取步骤（1）所得酸化碳黑0.3g、羟 烷基离子液体0.9g、4-二甲氨基吡啶0.3g、二环 己基碳二亚胺0.36g分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在75℃下搅拌加热24小时后过 滤，用去离子水冲洗5遍，烘干，即得离子液体接枝改性碳黑产品。

实施例12

一种离子液体接枝改性碳黑，其通过如下步骤制备：

（1）制备酸化碳黑：在反应容器中，分别加入质量分数为60%的浓硝酸和 质量分数为80%的浓硫酸的混合物（二者体积比1:1）100ml、碳黑1g，超声使 其分散均匀后，在70℃下搅拌加热8小时，随后用去离子水将该混合溶液稀释， 离心分离后得到黑色粉末；再加入去离子水、超声分散、离心，重复5遍，将产 物烘干得到酸化的碳黑；

（2）制备离子液体接枝改性碳黑：分别取步骤（1）所得酸化碳黑0.3g、羟 烷基离子液体0.9g、4-二甲氨基吡啶0.3g、二环 己基碳二亚胺0.36g分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在75℃下搅拌加热24小时后过 滤，用去离子水冲洗5遍，烘干，即得离子液体接枝改性碳黑产品。

对普通碳黑以及实施例1～12所制备的接枝离子液体碳黑进行了溶剂（N,N- 二甲基甲酰胺）中分散性的考察，结果表明，普通碳黑分散于溶剂中静置10min 后就开始聚集、沉淀，而实施例1～12所制备的接枝离子液体碳黑在10分钟后分 散性仍然很好，且分散性良好的状态能够维持0.5～1小时。参见图1和图2，它们 分别给出了普通碳黑和实施例1的改性碳黑在静置10分钟后的照片。

此外，还对实施例1制备的接枝离子液体改性碳黑进行了扫描电镜测试，结 果参见图3，从碳黑的形貌可判断出离子液体接枝到了碳黑表面上。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技 术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范 围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。