Weißkohle schwarz ：Polymermaterialzusatzstoff für die Gummiindustrie

Im Gummi- und vielen Bereichen der Materialwissenschaft spielt eine Substanz namens Weißes Kohlenstoffschwarz eine wichtige Rolle. Viele Menschen kennen vielleicht, dass das weiße Silicastaub allgemein als Weißkohleblack bezeichnet wird. Aber wie kam es zu diesem Namen? Um das zu beantworten, müssen wir seine Verbindung zu Kohlenstoffschwarz betrachten.

Das Verständnis von Kohlenstoffschwarz hat eine lange Geschichte. Vor über 3000 Jahren hatten die Menschen bereits die Technik beherrscht, Rauch zu verbrennen, um Tinte herzustellen. Die Produktionstechnologie für Kohlenstoffschwarz entwickelte sich jedoch lange Zeit nur langsam. Erst 1872 begann die Kohlenstoffschwarzindustrie mit der großtechnischen Produktion, und der Begriff „Kohlenstoffschwarz“ kam in Gebrauch.

1912 wurde die Verstärkungswirkung von Kohlenstoffschwarz auf Gummi entdeckt, insbesondere seine Fähigkeit, die Verschleißfestigkeit von Reifen erheblich zu verbessern. Dies führte zu einer steigenden Nachfrage nach Kohlenstoffschwarz, wodurch es zu einem unverzichtbaren Material in der Gummiindustrie wurde. Während des Ersten Weltkriegs gab es einen Mangel an Energierohstoffen für die Kohlenstoffschwarzproduktion.
Deutschland begann, ausgefälltes weißes Silicastaub als Ersatz zu verwenden. Dieses weiße amorphe Silicastaub hat ähnliche Eigenschaften und Verwendungen wie Kohlenstoffschwarz.
Deshalb wird es genannt Weißes Kohlenstoffschwarz.
Mit der rasanten Entwicklung der Automobil- und Transportindustrie sowie den steigenden Rohstoffkosten für Kohlenstoffschwarz wuchs der Bedarf an Energieeinsparung und Emissionsreduzierung. Daher wurde die Rolle von Weißkohleblack als Verstärkungsmaterial in der Gummiindustrie immer wichtiger.

Heute können weiße Kohlenstoffschwarz vollständig Kohlenstoffschwarz in der Verstärkung von farbigen Gummiprodukten ersetzen. Es erfüllt den Bedarf an weißen oder translucent Produkten, die sich besonders gut für die Herstellung von Auto-„grünen Reifen“ und Winterreifen eignen. Es hilft Reifen, den Rollwiderstand zu senken und die Traktion zu verbessern, was die Kraftstoffeffizienz erhöht.

Herstellungsmethode von Weißkohleblack

Es gibt viele Methoden zur Herstellung von Silica, die hauptsächlich in Fällungsmethode und Gasphasenmethode unterteilt werden.

Ausgefälltes weißes Kohlenstoffschwarz wird üblicherweise durch eine Neutralisations-Fällungsreaktion zwischen Silikaten (meist Natriummetasilikat) und anorganischen Säuren (typischerweise Schwefelsäure) hergestellt, um hydratisiertes Silicastaub zu produzieren.
Seine Partikelgröße beträgt etwa 20-40 nm, mit geringerer Reinheit und schwächeren Verstärkungseigenschaften im Vergleich zu pyrogenem Silicastaub. Die dielektrischen Eigenschaften der Gummimischung, insbesondere nach Feuchtigkeitsaufnahme, sind ebenfalls schlechter. Es ist jedoch günstiger und hat eine bessere Verarbeitung. Es kann allein in allgemeinen Gummis wie NR und SBR verwendet werden oder mit Kohlenstoffschwarz gemischt werden, um die Widerstandsfähigkeit des Gummis gegen Flexrisse zu verbessern und das Risswachstum zu verlangsamen. Pyrogenes Silicastaub wird hingegen durch thermische Zersetzung von Polysilicic-Halogeniden (SiClx) bei hohen Temperaturen durch eine Dampfphasenreaktion hergestellt. Es ist auch bekannt als Kalzinierung oder Trocknungsverfahren der Weißkohleblack-Produktion.

Trockene Methode Weißes Kohlenstoffschwarz hat eine äußerst kleine Partikelgröße, etwa 15-25 nm, mit hoher Dispergierbarkeit und niedrigen Verunreinigungen. Sie bietet gute Verstärkungseigenschaften, ist jedoch komplex und kostenintensiv in der Herstellung. Sie wird hauptsächlich in Silikongummi eingesetzt, um transparente oder transluzente Produkte herzustellen. Diese Produkte besitzen gute physikalische, mechanische und dielektrische Eigenschaften sowie eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit.

Struktur von Weißkohleblack

Strukturell besteht etwa 95-99 % von Weißkohleblack aus SiO₂. Die Struktur von Weißkohleblack variiert je nach Herstellungsverfahren. Pyrogenes Silicastaub hat eine interne Struktur, die fast vollständig aus einem eng gepackten dreidimensionalen Silikatnetzwerk besteht. Diese Struktur führt zu geringer Feuchtigkeitsaufnahme, starker Oberflächenadsorption und hervorragenden Verstärkungseigenschaften. Im Gegensatz dazu behält ausgefälltes Silicastaub neben der Bildung eines dreidimensionalen Silikatnetzwerks auch eine beträchtliche Menge an zweidimensionalen Silikatstrukturen bei. Dies macht die Struktur poröser, mit vielen Kapillaren, was sie anfälliger für Feuchtigkeitsaufnahme macht und somit ihre Verstärkungsaktivität verringert.

Die Grundpartikel von Weißkohleblack sind kugelförmig. Während der Produktion kollidieren diese Partikel bei hohen Temperaturen, um kettenartige Strukturen zu bilden, die durch chemische Bindungen verbunden sind. Die kettenartigen Strukturen werden durch Wasserstoffbrücken weiter verbunden, um Sekundäraggregate zu bilden. Diese Aggregate lassen sich beim Mischen leicht zerbrechen.

Chemische Oberflächeneigenschaften von Silica

Ihre Oberfläche enthält benachbarte Hydroxylgruppen, isolierte Hydroxylgruppen und Dihydroxygruppen. Pyrogenes Silicastaub hat mehr Oberflächenhydroxylgruppen als ausgefälltes Silicastaub, die bei höheren Temperaturen schwer zu entfernen sind. Diese Oberflächenfunktionen sind reaktiv und umfassen Dehydratisierungs- und Hydrolysereaktionen, Reaktionen mit Acylchloriden, Reaktionen mit aktivem Wasserstoff und Wasserstoffbrückenbildung. Die Oberfläche von Weißkohleblack zeigt eine starke chemische Adsorptionsaktivität, die mit ihren Hydroxylgruppen zusammenhängt.

Sie kann sich durch Wasserstoffbrücken mit Wasser verbinden und eine Mehrschichtadsorption bilden. Außerdem kann sie viele organische kleine Moleküle adsorbieren. Amine oder Alkohole mit mehreren funktionellen Gruppen haben eine höhere Adsorptionsfähigkeit als solche mit nur einer funktionellen Gruppe. Daher werden in SiO₂-Verbindungen oft mehrfunktionale Agenten wie Ethanolamin, Ethylenglycol und Triethanolamin als Aktivatoren verwendet. Wenn Weißkohleblack erhitzt wird, wird Feuchtigkeit freigesetzt. Die meiste Feuchtigkeit wird zwischen 150-200°C freigesetzt.

Nach 200°C verlangsamt sich die Freisetzungsrate, mit einem deutlichen Wendepunkt. Vor dem Wendepunkt wird adsorbiertes Wasser desorbiert. Nach dem Wendepunkt durchlaufen Oberflächenhydroxylgruppen Kondensationsreaktionen. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Strukturierung zu verhindern. Eine ist die Zugabe von Substanzen während des Mischens, die mit den Oberflächenhydroxylgruppen von Weißkohle reagieren können, wie Hydroxylsilikon, Diphenylsilan-Glycol oder Silazane. Die andere Möglichkeit ist die Vorbehandlung der Oberfläche von Weißkohle durch Entfernen einiger Oberflächenhydroxylgruppen.

Verstärkungseffekt auf Silikonkautschuk

Weißkohle ist ein weißer Verstärker mit Verstärkungseigenschaften, die nur von Ruß übertroffen werden. Vulkanisierter Gummi mit einer bestimmten Menge an Weißkohle weist höhere Festigkeit auf. Er hat auch eine größere Dehnung, höhere Reißfestigkeit, höhere Härte und bessere Isolierung.

Typischerweise werden Ruß und Weißkohle zusammen verwendet, um eine bessere Gesamtleistung zu erzielen. Dennoch bestehen bei Weißkohle weiterhin Probleme bei der Verarbeitung, statischer Elektrizität und Kosten. Ihre Entwicklungsrichtung konzentriert sich auf eine höhere Dispergierbarkeit, Verfeinerung, Granulierung und Oberflächenmodifikation. Diese Verbesserungen zielen darauf ab, ihre Rolle in Materialbereichen zu verbessern.

Fazit

Weißes Kohlenstoffschwarz, mit seinen einzigartigen Vorteilen, hat sich tief in die Gummiindustrie integriert. Von der Verbesserung der Produktleistung bis hin zur Förderung technologischer Innovationen und der Erweiterung der Anwendungsgrenzen ist sein Wert unermesslich.
Es ist nicht nur ein Schlüsselzusatzstoff zur Verbesserung der Gummi性能, sondern auch ein wichtiger Treiber für Branchenentwicklung und Innovation.
Es nimmt eine unentbehrliche Kernposition in der Gummiindustrie ein und sorgt kontinuierlich für starken Schwung in der Branche.

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