تطبيق أسود الكربون في أنظمة الصباغ المائية

يميل أسود الكربون، بمساحة سطحه الكبيرة، وحجم جسيماته الصغيرة، وتعقيده الهيكلي العالي، إلى التجمع، مكونًا جسيمات أكبر يصعب عليها الاستقرار والتشتت داخل الأنظمة المختلفة. ويتضح تحدي التشتت هذا بشكل خاص في المحاليل المائية، مما يفرض قيوداً على استخدام أسود الكربون. ومع تركيز المجتمع بشكل متزايد على الاعتبارات البيئية، فقد اكتسب استخدام الأصباغ السوداء الكربونية في الأنظمة المائية مثل الطلاءات والأحبار المائية اهتمامًا كبيرًا. والشرط الأساسي لإعداد التشتت الأسود الكربوني المائي هو ضمان تحلية الكربون الأسود بالماء، وبالتالي تحقيق أنظمة تشتت مائية عالية الاستقرار. ونتيجة لذلك، أصبح استقرار تشتت أسود الكربون في النظم المائية نقطة محورية للبحوث داخل صناعة أسود الكربون وقطاعاتها المصبية.

هذا الورق &#يقدم الفصل الأول من 39 نظرة عامة على أربع طرق لإعداد أنظمة التشتت المائي لأسود الكربون. ومن بين هذه الأساليب، يتمتع التعديل التأكسدي باستخدام عال في الإنتاج الصناعي. يعزز هذا النهج من وجود المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين على سطح أسود الكربون، وبالتالي تحسين تشتته. ومع ذلك، وبسبب إعاقة القصية المنخفضة نسبيا على السطح الأسود للكربون، فإن استقراره غير مضمون تماما. من ناحية أخرى، يدخل تعديل الكسب غير المشروع البوليمرات طويلة السلسلة على سطح أسود الكربون، مما يوفر عوائق قصرية كبيرة، وينتج أنظمة تشتت مائية مستقرة. ومع ذلك، يتطلب تعديل الكسب غير المشروع شروطًا صارمة وهو أقل ملاءمة للتطبيق الصناعي على نطاق واسع. الطلاء السطحي، على الرغم من عدم ارتباطه بمجموعة متنوعة من الكربون الأسود، ينطوي على خطوات معقدة ولا يناسب الإنتاج الصناعي. وقد اكتسب التشتت المباشر، بسبب بساطته، والظروف التي يمكن السيطرة عليها بسهولة، وإمكانية إعادة إنتاج المنتج الممتازة، قبولاً واسعًا. ومع ذلك، فإنه يتطلب اختيار طرق تشتت ميكانيكية مناسبة ومشتتات لتحقيق تشتت مستقر. ولكل من هذه الأساليب مزاياها وحدودها. للحصول على أنظمة تشتت مائية مستقرة، تجمع هذه الورقة بين التعديل التأكسدي والتشتت المباشر. باستخدام الكربون الأسود المؤكسد كمادة بداية، يتم خلطه مع المشتتات، عوامل الترسيب، مزيل الرغوة، العوامل، والمياه غير المتأينة بنسب محددة. بعد ذلك، يتم طحن الخليط وتشتيته باستخدام طاحونة رمل عمودية لإنتاج تشتيت الصبغات المائية.

تستخدم هذه الورقة مزيجًا من التعديل التأكسدي وطرق التشتت المباشر لإعداد تشتت الصباغ الأسود الكربوني المائي. تزيد الأكسدة من المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين على سطح أسود الكربون، مما يحسن من خصائصها الترطيبية. وبالاقتران مع طرق التشتت الميكانيكي، تسهل هذه العملية تمزق أسود الكربون#بنية 39;s الثانوية إلى جسيمات أصغر، مما يسمح للمشتتات بالارتباط الفعال إلى أسود الكربون#39;s السطح، تليها إعادة تجميع جسيمات الكربون السوداء المنتشرة.

وتشتت الصبغات المائية هي معلقات مملوءة بالصبغات يتم إعدادها عن طريق الطحن والتشتيت في وسط مائي مع إضافة مواد خافضة للتوتر السطحي. وينطوي إنتاج صبغات الكربون الأسود المائية على عدة خطوات أساسية هي:

1. الرطوبة: إحلال الوسط السائل المستخدم في الطحن محل الهواء الموجود على السطح الأسود الكربوني، والانتقال من الوسط الصلب/الغاز (الصبغة/الهواء) إلى الوسط الصلب/السائل (الصبغة/الطحن).

2. التشتت: تفتيت جزيئات الكربون السوداء إلى جسيمات أولية من خلال الفصل الميكانيكي. يلعب حجم ومدة المدخلات أدوارا حاسمة في تحقيق الفصل الكامل لكل جسيم أساسي في الصبغة.

3. الاستقرار: الحفاظ على الانفصال الذي تحقق خلال مرحلة التشتت وضمان السيطرة على المدى الطويل للتشتت. العوامل الرطبة والمشتتات تساعد في التبلل، والتشتت، والتشتت الثابت للمحلول طوال العملية.

يحتوي تشتت الصباغ المائي التجريبي على الكربون الأسود ومشتتات، مع إضافة مزيل الرغوة، ومعدلات علم rheology، وعوامل مضادة للترسب، والمواد الحافظة، والمرطبات كعوامل مساعدة. التشتت عالي الجودة يجب ألا يرسب، أو ينسف، أو يظهر ظواهر مثل الطفو أو النزيف. تركز هذه الدراسة في المقام الأول على البحث والتطوير في تشتت الكربون الأسود المائي، وذلك بالدرجة الأولى باستخدام المشتتات، وعوامل الترسيب، ومزيلات الرغوة. وسيخضع وكلاء مساعدون آخرون لمزيد من التحقيق عند تطوير المنتج، وهو أمر يتجاوز نطاق هذه الورقة.

ولإعداد عمليات نشر الصبغات المائية السوداء الكربونية، من الضروري اختيار المشتتات المناسبة. وفي هذه الدراسة، تم استخدام مشتتات من ثلاث جهات مصنعة، يبلغ مجموعها خمسة أنواع. وسواد الكربون القياسي المستخدم هو BH-1 مع محتوى موحد من الكربون الأسود بنسبة 30 ٪. وكان وقت الطحن وسرعة المحرك ونسبة الخرزة إلى المحلول ثابتة في تجارب طاحونة الرمل الرأسية. وقد تم خلط التشتت الناتج مع راتنج حمض الأكريليك النقي واستخدمت لصنع طلاءات من 200 ميكرون على بطاقات الاختبار، مما يسمح بمراقبة اتساق الطلاء.

4-3-3-وأضيفت إلى طاحونة الرمل العمودية لأغراض الطحن كمية معينة من الكربون الأسود، ومشتت HY2200، وعامل الترطيب HY1600، والمياه غير المتأينة، إلى جانب خرزات ثاني أكسيد الزركونيوم بنسب مناظرة. وشملت المتغيرات في هذه التجربة زمن الطحن، وتنوع الكربون الأسود، والمحتوى، مما يؤثر على أداء أسود الكربون.

نسبة التعبئة: 50 ٪ نسبة كتلة أسود الكربون: 30 ٪، 35 ٪، 40 ٪ نسبة كتلة من الزركونيوم إلى المحلول: 1.5:1HY2200 النسبة المئوية للكتلة (بالنسبة إلى أسود الكربون): 10 ٪، 15 ٪، 25 ٪، 35 ٪ نسبة كتلة HY1600 (بالنسبة إلى أسود الكربون): 2 ٪ سرعة المحرك: 1500 دورة في الدقيقة وقت الطحن: 1-8 ساعات

قبل وضع نهج كمي، فإن تقنيات الاختبار والتحليل الموثوق بها ضرورية. في مجال التطبيق، اختبار وتحليل تشتت الأصباغ المائية تشمل المعلمات التالية: النقاء، قيمة الرقم الهيدروجيني، الموصلية الكهربائية، وقوة التلوين من التشتت. وتؤثر قوة التلوين لتشتت الصبغات المائية، التي تمثل قوة التلوين لتشتت الصبغات السوداء عند مزجها مع التشتت الأبيض، بشكل مباشر على تلميع وقتامة منتجات الطلاء في اتجاه المصب. لذلك، تستخدم هذه الورقة قوة التلوين كمؤشر للأداء لتشتيت الصباغ الأسود الكربوني المائي. وفيما يلي إجراء الاختبار المحدد:

تم خلط طلاء اللاتكس الذي يحتوي على حوالي 20 ٪ من ثاني أكسيد التيتانيوم وصباغ مبعثر مع كتلة متساوية تماما في أكواب البورسلان. وبعد خلط دقيق، تم إعداد طلاء بسعة 200 ميكرون على بطاقات الاختبار باستخدام أداة طلاء. بعد التجفيف بالهواء، تم قياس قيمة قوة التلوين باستخدام مقياس الألوان.

بناء على آلية تثبيت العائق القصي، تتكون جزيئات المشتتة عادة من جزأين: مجموعات التثبيت، مثل -NR2، -N+R3، -COOH، -COO-، -SO3H، وغيرها، التي يمكن أن تمتص على سطح الصباغ من خلال قوى مختلفة وقوى فان دير فالز. ويتألف الجزء الآخر من سلاسل إذابة ذات سلاسل كربون طويلة، والتي تشكل عائقًا قويًا. ولذلك، يجب أن تمتلك مشتتات الكربون الأسود مجموعة أنجذاب للكربون الأسود، مما يسمح لها بالامتصاص إلى السطح أثناء الامتداد في الماء، وتشكيل طبقة امتزاز قوية وسميكة تؤدي إلى التشتت في الأنظمة المائية.

العوامل الرطبة، جنبا إلى جنب مع المشتتات، تلعب دورا حاسما في عملية تشتت الكربون الأسود. وهي لا تقلل فقط من التوتر السطحي للكربون الأسود ولكنها تمتلك أيضًا بنية جزيئية مع انجذاب قوي للكربون الأسود، مما يقلل من لزوجة النظام. وتساعد العوامل الرطبة المشتتات على دخول الفراغات الخلالية بين الجسيمات، مما يمكن المشتتات من فصل جميع الجسيمات بفعالية.