CN119978855A - 一种桥接修饰纤维的乙炔炭黑、其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥接修饰纤维的乙炔炭黑、其制备方法和应用，制备方法包括：将质量比为（0.05~0.5）:（1~20）:100的1,6‑二异氰酸酯、羟基功能化纤维和乙炔炭黑共混后进行反应，即得。本发明采用1,6‑二异氰酸酯和羟基功能化纤维对乙炔炭黑进行改性，将具备优异长径比的羟基功能化纤维与具备羟基官能团的乙炔炭黑，在1,6‑二异氰酸酯的连接下进行桥接，将乙炔炭黑负载在羟基功能化纤维上，1,6‑二异氰酸酯中的异氰酸基具有较高的活性，当它与羟基化合物反应，可以生成聚氨基甲酯，这种聚氨基甲酯具有较高的强度和刚度，能承受较大的力，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，长期使用保持稳定性能，而且使得乙炔炭黑能够牢牢的负载在羟基功能化纤维表面，增强材料的相容性。

Description

一种桥接修饰纤维的乙炔炭黑、其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及乙炔炭黑材料，具体地，涉及桥接修饰纤维的乙炔炭黑、其制备方法，以及提高其与半导电包带相容性的应用。

背景技术

在电力电缆制造的核心环节中，半导电包带的作用不可小觑，它不仅是提升电缆电气效能的关键，也是保障电缆长期稳定运行的基石。乙炔炭黑，凭借其卓越的导电特性，在制备高性能半导电包带中占据了举足轻重的地位。然而，乙炔炭黑虽性能优异，却面临分散不均、稳定性欠佳及易团聚等挑战，这些问题直接影响了包带乃至整根电缆的性能表现。

为解决这些问题，科研界正积极投身于乙炔炭黑的改性研究中，旨在提升其与其他材料的相容性。随着纳米科技的飞速发展，研究者们巧妙地将纳米技术应用于乙炔炭黑的改性上，通过在炭黑表面构建精细的纳米保护层，利用纳米添加剂的独特效能，有效抵御了恶劣环境对炭黑的侵蚀，显著提升了其分散稳定性，确保了乙炔炭黑在半导电包带中的均匀分布，进而增强了电缆的整体电气性能。但与此同时，纳米添加剂的引入也带来了新的考验，如材料脱落的风险及可能引发的环境污染问题，亟需科学界与产业界共同应对。另一方面，物理改性手段如球磨、超声波处理等，也在不断探索中展现出对乙炔炭黑颗粒细化的潜力，旨在实现更优化的颗粒尺寸与分布，从而提升其性能。然而，这些方法虽有效，却往往伴随着高能耗、成本上升及相容性改善有限等局限，限制了其在工业化生产中的广泛应用。

发明内容

针对目前乙炔炭黑的改性方法存在相容性差和污染的问题，本发明提供了一种桥接修饰纤维的乙炔炭黑、其制备方法和应用，该新型制备方法能够将乙炔炭黑牢牢的负载在羟基功能化纤维表面，显著提升了其分散稳定性，使半导体电包带相容性提升。其次添加的异氰酸酯基团能够与纤维上的羟基反应形成脲基，减少材料的掉粉问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种桥接修饰纤维的乙炔炭黑的制备方法，其包括如下步骤：将质量比为（0.05 ~ 0.5）:（1 ~ 20）:100的1, 6-二异氰酸酯、羟基功能化纤维和乙炔炭黑共混后进行反应，得到由二异氰酸酯桥接修饰纤维的乙炔炭黑。

以上乙炔炭黑的改性原理为：羟基功能化纤维上的羟基可以很容易的与1, 6-二异氰酸酯上的异氰酸酯基团连接在一起，在1, 6-二异氰酸酯的连接下进行桥接，使得乙炔炭黑得以改性（如图2所示）。乙炔炭黑不仅可以牢固的负载到羟基功能化纤维上，同时表面的羟基还能转化为异氰酸基团，改性后的乙炔炭黑再与半导电包带上的酰胺基团形成脲基，以此提升乙炔炭黑与半导电包带的相容性。（如图3所示）。

羟基功能化纤维的比表面积大，可以比别的材料产生更大的接触面积。1, 6-二异氰酸酯中的异氰酸基具有较高的活性，当它与羟基化合物反应，可以生成聚氨基甲酯，这种聚氨基甲酯具有较高的强度和刚度，能承受较大的力，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，长期使用保持稳定性能，具有高度弹性，可以在受压变形后恢复原状。正是因为生成这种聚氨基甲酯，所以乙炔炭黑能够牢牢的负载在羟基功能化纤维表面，显著提升了乙炔炭黑在半导电包带中的均匀分布，进一步增强材料的相容性。

优选地，所述1, 6-二异氰酸酯、羟基功能化纤维和乙炔炭黑的质量比为0.5 : 10 :100。

优选地，所述羟基功能化纤维选自碳纤维、玻璃纤维、纤维素纳米纤维。其特点是表面富含羟基，可通过化学修饰（如偶联剂处理、接枝反应）改善与基体材料的界面结合性能。

优选地，所述羟基功能化纤维的长度为50~400微米。短纤维分散性更好。

具体地，反应温度为50 ~ 150^oC，反应时间为0.5 ~ 3 h。

本发明第二方面提供上述的制备方法制得的乙炔炭黑，其具有如下结构式：

。

本发明第三方面提供上述的乙炔炭黑在制备电缆的半导电包带中的应用。

通过上述技术方案，本发明实现了以下有益效果：

1、本发明采用1, 6-二异氰酸酯和羟基功能化纤维对乙炔炭黑进行改性，将具备优异长径比的羟基功能化纤维与具备羟基官能团的乙炔炭黑，在1, 6-二异氰酸酯的连接下进行桥接，将乙炔炭黑负载在羟基功能化纤维上，由于乙炔炭黑通常以细小的颗粒状存在，这些颗粒可能呈链状或葡萄状结构，具有较高的比表面积。这种结构使得乙炔炭黑在与其他材料混合时能够形成良好的分散性和紧密接触。并且乙炔炭黑表观密度较低，通常介于0.2~0.3 g/cm³之间，这使得它比市面上的半导体电包带更轻。而且由于乙炔炭黑通过有一定长度的1, 6-二异氰酸酯连接，所以分散更加均匀，更不容易产生掉粉问题。

2、由于载体是羟基功能化纤维，使得它具有很高的拉伸强度和拉伸模量，在承受载荷时不易变形和断裂。其强度在铝合金的4倍以上，而模量也可达到非常高的水平。并且具有良好的抗腐蚀性和耐磨性，在复杂环境中能保持较长的使用寿命。

3、乙炔炭黑不仅可以负载到羟基功能化纤维上，不易掉落；同时表面的羟基还能转化为异氰酸基团，改性后的乙炔炭黑再与半导电包带上的酰胺基团形成脲基，这种反应产率很高，并且生成的脲基能牢牢黏附在半导电包带上，以此提升乙炔炭黑与半导电包带的相容性。

4、本发明中1, 6-二异氰酸酯、羟基功能化纤维和乙炔炭黑易于反应，反应过程无污染，反应工艺简单易行，反应无副产物排放。

5、将制得的改性乙炔炭黑与胶体复合，再涂敷于半导电包带上，通过拉力机进行拉力测试，需要近50N的力才能拉开，可以体现二者的相容性比较好。

6、本发明即可解决半导电包带的掉粉问题，可运用于制备性能更好的高压超高压电缆的半导电包带，具有重大应用前景。

附图说明

图1是采用本发明实施例1和对比例1的方法制得的桥接修饰碳纤维的乙炔炭黑的分散微观形态的展示照片；

图2是采用本发明实施例1方法制得的桥接修饰碳纤维的乙炔炭黑的制备反应流程图；

图3是采用本发明实施例1方法制得的桥接修饰碳纤维的乙炔炭黑与半导电包带之间的化学连接图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1

将质量比为0.5 : 5 : 100的1, 6-二异氰酸酯、碳纤维（长度为200微米）和乙炔炭黑投入反应釜中，在温度为90^oC的条件下反应为1.5 h，可得到一种多官能化的改性乙炔炭黑。

实施例2至3：

采用与实施例1相同的步骤，仅改变1, 6-二异氰酸酯、碳纤维和乙炔炭黑的质量比（见下表）。

实施例4至6：

采用与实施例1相同的步骤，仅改变反应温度（见下表）。

实施例7至9：

采用与实施例1相同的步骤，仅改变反应时间（见下表）。

实施例10至例12：

采用与实施例1相同的步骤，仅改变碳纤维的质量（见下表）。

实施例13至例14：

采用与实施例1相同的步骤，仅将碳纤维替换（见下表）。

对比例1

其他条件同实施例1，仅将反应温度调整为40^oC。

对比例2

其他条件同实施例1，仅将反应温度调整为200^oC。

对比例3

其他条件同实施例1，仅将反应时间调整为0.4 h。

对比例4

其他条件同实施例1，仅将反应时间调整为4 h。

对比例5

其他条件同实施例1，区别在于，不使用碳纤维。

对比分析：

将以上各实施例和对比例取得的乙炔炭黑与胶体复合（50%浓度的丙烯酸溶液与乙炔炭黑，1 : 3质量比共混，搅拌均匀）。

如图1所示，实施例1所得桥接改性乙炔炭黑与导电胶体共混后，具备分散分布皆非常均匀，与半导电包带的相容性优异。而对比例1所得桥接改性乙炔炭黑与胶体共混后，分散分布不均匀，与半导电包带的相容性不好。

另外，以掉粉率（1 kg铁球1 m高度自由落体，撞击0.1 m²的成品半导电包带的中心，乙炔炭黑脱落/总填入乙炔炭黑的质量百分比）评价相容性优劣，下表为以上各实施例和对比例制得样品的相容性能力对比表。

从上表可以看出：

1）1,6-二异氰酸酯、碳纤维和乙炔炭黑的反应温度尤为关键，当温度过低或者过高时，得到的材料掉粉率高，这是因为反应温度过低，反应条件不够，反应无法进行，反应温度过高，产物降解。当反应温度为90^oC时，得到的材料具有最低的掉粉率，这表示制得的桥接改性乙炔炭黑具有最佳的相容性。

2）当碳纤维和乙炔炭黑的投料质量比为0.5 : 10 : 100时，1,6-二异氰酸酯、碳纤维和乙炔炭黑能够反应完全，具有最低的掉粉率；当不使用碳纤维时，乙炔炭黑没有地方使其负载，相容性大大降低，掉粉率高。

3）当反应时间低于0.5 h时，碳纤维几乎不反应，掉粉率也呈现较高的数值，当反应时间过长时，掉粉率提升有限，造成能源浪费。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1. 一种桥接修饰纤维的乙炔炭黑的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将质量比为（0.05 ~ 0.5）:（1 ~ 20）:100的1, 6-二异氰酸酯、羟基功能化纤维和乙炔炭黑共混后进行反应，得到由二异氰酸酯桥接修饰纤维的乙炔炭黑。

2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述1, 6-二异氰酸酯、羟基功能化纤维和乙炔炭黑的质量比为0.5 : 10 : 100。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述羟基功能化纤维选自碳纤维、玻璃纤维、纤维素纳米纤维。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述羟基功能化纤维的长度为50~400微米。

5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，反应温度为50 ~ 150 ^oC，反应时间为0.5 ~ 3 h。

6.权利要求1至5中任一项所述的制备方法制得的乙炔炭黑，其特征在于，具有如下结构式：

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7.权利要求6所述的乙炔炭黑在制备电缆的半导电包带中的应用。