炭黑的氧化反应，炭黑的衍生物生成和接枝

一、炭黑的氧化反应

在常温下，刚生产出来的炉法炭黑，在空气中放置时，会与大气中的氧、水蒸汽相作用。氧化的结果会促使表面官能团的数量增加，导致表面活性吸附中心的消失并降低其硫化胶的抗张强度、300%定伸强度和耐磨性。这种作用称为炭黑的陈化作用。陈化作用基本上是炭黑成品在空气中存放的头三个月发生的，而后则变化甚微。

当把炭黑在空气或氧气中逐渐加热氧化时，用热天平追踪，结果可得到如图3-14所示的燃烧曲线。尽管炭黑的品种不同，所有炭黑的燃烧曲线的形状均与图3-14的曲线相似。炭黑燃烧曲线的直线部分的延长线与温度坐标轴的交点，称为着火温度。各种炭黑的着火温度不同。炉黑的着火温度为350~380℃，槽黑的着火温度一般在290℃左右。炭黑的着火温度与其比重、挥发分含量、灰分含量及组成有关。为了使炭黑在涂料或油墨中的性能得到改善，常常应用所谓空气热氧化的方法进行处理。此法是在一定的温度下，利用空气中的氧与炭黑产生氧化作用。当用空气进行热氧化处理时，处理温度一般不要超过着火温度，以避免炭黑的过多损失以及由于比表面积大大增加而不利于在油墨或涂料中的应用。

炭黑也可同各种强氧化剂（如臭氧）及各种氧化剂溶液（如硝酸、过氧化氢、高锰酸钾、次氯酸钠、溴水等）作用，而被氧化，导致本身性质改变。空气热氧化处理和臭氧氧化处理称为气相氧化后处理，使用氧化剂溶液处理称为液相氧化后处理。前者以臭氧氧化处理为代表，后者以硝酸溶液后处理为代表，尤以臭氧氧化后处理的效果最佳。当使用臭氧氧化后处理时，会使炭黑的结构降低（吸碘值下降），炭黑的挥发分含量和强酸基的羧酸含量大大增加。臭氧处理后的炭黑在涂料和油墨中的性能得到改善，光泽和黑度增加。

二、炭黑与卤素和发烟硫酸的反应

炭黑同卤素（氟、氯、溴、碘）能够产生取代反应，尤以氟和氯与炭黑的作用较为强烈。反应时，氟原子或氯原子结合到炭黑的表面上。在炭黑制造时，通以适量的氯气所生成的炭黑，称为氯化炭黑。炭黑同样能与发烟硫酸作用，引入磺酸基（-SO3H），称为磺化炭黑。磺化炭黑也能改善在一些基料中的性质，如改变色相，提高黑度。

三、炭黑的还原反应

炭黑的还原反应多发生在炭黑表面，以炭黑中的醌基发生较多，羧基和酚基也发生此类反应。炭黑的还原反应如下：已证实，在接触法色素炭黑的生产中，在极严格的控制条件下，可以同时通入氢气、空气和油蒸汽以制取高色素炭黑。加氢后，火焰温度显著提高，呈白亮色。生成炭黑的产量增加，黑度增高，是具有及其优异性能的色素炭黑。

四、炭黑的粒子交换反应

炭黑的粒子交换反应主要是其他物质同炭黑表面上的官能团（如羧基、酚基等基团）相互作用的结果。

五、炭黑的衍生物生成和接枝

当炭黑与重氮甲烷等作用时，生成炭黑的衍生物。衍生物的生成也属于取代反应的一种。羧基、酚基和醌基都会发生此类反应：炭黑粒子表面也可和各种单体，如丙烯腈、丙烯酸酯以及苯乙烯等结合生成炭黑的衍生物。采用某种引发剂，使炭黑与苯乙烯作用，生成的衍生物比热聚合得到的接枝苯乙烯聚合物的分子量小，而且在有机溶剂中具有良好的分散性。

炭黑的接枝反应原则上也属于衍生物生成的一种，只不过接枝所得到的共聚物比炭黑衍生物的分子量大而已。高聚物的接枝共聚是指一种或几种单体生成的聚合物的主链上接上由另一种单体组成的支链的共聚反应。所得到的产物称为接枝共聚物。接枝共聚物具有下列结构：

我们可以把炭黑的粒子看做一个巨大的聚合物的主链，在它的表面上可以接以如聚苯乙烯或聚异戊二烯等聚合物（不是单体）称为炭黑的接枝共聚物。例如炭黑与聚异戊二烯接枝共聚可得如下产物：炭黑接枝共聚物的研究对阐明炭黑在橡胶中的补强机理具有重大意义。例如炭黑与聚异戊二烯接枝的结果，引起炭黑表面显著的惰性化，导致其在异戊胶中的补强性能降低。从而证实了炭黑的补强作用与炭黑表面活性状态有关。由于炭黑表面的惰性化，使炭黑表面失去了活性（结合胶显著降低），降低了界面的润湿与粘附化学作用。炭黑的苯乙烯衍生物等易于分散在相应单体的树脂中，制成漆时，涂膜具有良好的黑度和色相。炭黑接枝共聚物在塑料、防静电材料及无线电元件的制造中也有实际的应用。