本发明涉及炭黑改性技术领域，具体涉及一种炭黑改性工艺及装置。
背景技术：
由于炭黑本身颗粒小，比表面积大，表面自由能高等特点，炭黑离子之间容易形成极强的聚集力，使其表现出疏水性质，难于在水性体系中分散。目前已有多种工炭黑氧化改性工艺，用于提高炭黑在水性体系中的分散性能。比如，使用各种带有很多亲水基团和吸水基团的分散剂对炭黑进行改性；再如，使用硝酸、双氧水、次氯酸盐等氧化剂对炭黑进行化学氧化改性。
虽然这些方法对炭黑的氧化作用较为明显，但炭黑在水性体系中的分散的稳定性不高，同时传统改性工艺还存在的共性问题是，在改性过程中容易引入其他副产物和杂质，并且实现炭黑改性的工艺路线较长，处理过程繁琐复杂等缺点，在实际量化生产中存在很多困难，不利于规模化生产。
技术实现要素：
本发明提供一种炭黑改性工艺，用以解决传统的炭黑改性工艺分散体系稳定性不高，容易引入其他副产物和杂质，改性工艺路线较长，操作繁琐，不利于工业化生产的技术问题；并针对该炭黑改性工艺设计一种炭黑改进装置，为该炭黑改性工艺的实现提供保障。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种炭黑改性工艺，该工艺是一种将炭黑粉末分散研磨成炭黑色浆，并向炭黑色浆中通入臭氧微纳米气泡，以对炭黑进行氧化改性，增强炭黑在水性体系中的分散稳定性的方法，具体包括以下步骤：
(1)将炭黑与去离子水加入炭黑改性装置中，以3m/s的转速分散研磨1～1.5小时，使炭黑与去离子水充分接触润湿，并打开二次团聚颗粒，得到炭黑色浆；
(2)向得到的炭黑色浆中通入臭氧微纳米气泡，同时将炭黑改性装置的转速提升至5m/s，对炭黑色浆持续分散研磨8～12小时，直至炭黑色浆的ph值降低至3.2～3.4时，对炭黑的氧化改性结束，得到改性后炭黑色浆；
(3)将改性后炭黑色浆进行过滤，并在90～100℃条件下烘干，即得到改性后炭黑。
优选的，所述炭黑色浆中炭黑与去离子水的质量之比为1:4。
优选的，所述臭氧微纳米气泡的流速为2.5l/min，质量百分比浓度为2～3％。
优选的，所述臭氧微纳米气泡的直径为30～45微米。
一种炭黑改性装置，用于对炭黑色浆进行分散研磨，并为炭黑色浆提供臭氧微纳米气泡，包括桶体和设置在桶体顶部的桶盖，所述桶体上设置有去离子水进水口，所述桶盖上设置有桶体连通的进料斗；还包括设置在桶体内底部的微纳米气泡发生器、设置在桶盖顶部并延伸至桶体内部的分散研磨机构；所述桶体上端设置有臭氧排出口，下端设置有炭黑色浆排出口和ph传感器；所述桶体内壁上设置有一层砂磨层。
进一步地，所述微纳米气泡发生器包括多孔陶瓷板、与所述多孔陶瓷板连接并延伸至桶体外部的硅胶软导管；所述多孔陶瓷板内部设置有缓冲空间，顶部分布设置有若干与缓冲空间连通的微米级的气体分布孔，底部设置有与缓冲空间连通的连接孔；所述硅胶软导管连接在所述连接孔上。
进一步地，所述气体分布孔的孔径为30～45微米。
进一步地，所述分散研磨机构包括设置在桶盖上且搅拌轴延伸至桶体内部的搅拌电机、两个对称设置在桶体内并与砂磨层紧密接触的研磨辊；所述两个研磨辊通过两根横向连接杆连接在搅拌轴上，且研磨辊与连接杆转动连接；两根连接杆之间的搅拌轴上设置有多个搅拌叶片。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.采用本方案所述炭黑改性工艺，通过臭氧微纳米气泡对炭黑进行深入的氧化改性处理，使得炭黑表面的结构性质发生了变化，引入了一些具有良好亲水性能的含氧基团，明显提高了炭黑在水性条件下的分散性能及其稳定性，解决了传统的炭黑改性工艺中炭黑在水性体系中分散稳定性不高的技术问题。
2.本方案所述炭黑改性工艺，采用臭氧作为气相氧化剂，将臭氧形成微纳米气泡，增加臭氧在水性体系中的溶解度，在氧化过程中不易引入其他杂质和副产物，氧化处理过程简便，所需设备简单，生产工艺流程简洁不易产生污染，易于产业化生产，解决了传统的炭黑改性工艺容易引入其他副产物和杂质，改性工艺路线较长，操作繁琐，不利于工业化生产的技术问题。
3.传统的炭黑改进工艺，由于是采用化学氧化试剂处理的，一般需要经过氧化、水洗、干燥等过程，会产生较多的废酸及废水，污染比较严重。而采用本方案所述炭黑改性工艺，采用臭氧微纳米气泡进行氧化改性，氧化效率高、反应条件温和、绿色环保且成本较低，因此能够产生更大的而经济效益。
4.针对本方案所述炭黑改性工艺，设计了一种炭黑改性装置，对炭黑色浆进行分散研磨，并为炭黑色浆提供臭氧微纳米气泡，使得提高炭黑在水性体系中的分散稳定性及粒径均一性，为炭黑改性工艺的实现提供基础保障。
5.本方案所述炭黑改性装置，发射的臭氧在炭黑色浆中形成的臭氧微纳米气泡的直径为30～45微米，该气泡在炭黑色浆中的停留时间长，每上升1厘米需要3分钟，同时，由于水气之间的表面张力大于气泡内压，气泡会呈向内收缩倾向，一旦收缩的气泡内压与表面张力失去平衡，气泡破裂，臭氧气体即完全溶解于水液中，对炭黑的氧化改性效率高。
附图说明
图1是本发明炭黑改性装置的结构示意图；
图2是本发明砂磨层的结构示意图。
图中标记为：1-桶体，2-桶盖，3-去离子水进水口，4-臭氧排出口，5-炭黑色浆排出口，6-ph传感器，7-搅拌电机，8-进料斗，9-搅拌轴，10-搅拌叶片，11-连接杆，12-聚四氟乙烯护套，13-研磨辊，14-多孔陶瓷板，15-硅胶软导管，16-气体分布孔，17-砂磨层。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
以下实施例中，所使用的炭黑原料为上海白艳实业有限公司生产，产品型号为cb611；干燥装置为上海森信实验仪器有限公司生产，型号为dgg-9070b的电热恒温鼓风干燥箱；所用离心机为湖南湘仪实验仪器开发有限公司生产，型号为h1850台式高速离心机；用于检测炭黑上清液的分光光度计为日本日立公司生产的u-3310型紫外可见分光光度计。
实施例1
一种炭黑改性工艺，该工艺是一种炭黑粉末分散研磨成炭黑色浆，并向炭黑色浆中通入臭氧微纳米气泡，以对炭黑进行氧化改性，增强炭黑在水性体系中的分散稳定性的方法；该方法具体包括以下步骤：
(1)将5kg炭黑和20kg去离子水加入炭黑改性装置中，以3m/s的转速分散研磨1～1.5小时，使炭黑与去离子水充分接触润湿，并打开二次团聚颗粒，得到炭黑色浆；
(2)将质量百分比浓度为3％、流速为2.5l/min的臭氧通过微纳米气泡发生器后形成的气泡通入炭黑色浆中，同时将炭黑改性装置的转速提升至5m/s，持续分散研磨8～12小时，直至炭黑色浆的ph值降低至3.2～3.4时，对炭黑的氧化改性结束，得到改性后炭黑色浆，其中，微纳米气泡发生器为多孔陶瓷板，从所述多孔陶瓷板发射出的臭氧微纳米气泡的直径为30微米；
(3)将改性后炭黑色浆进行过滤，在90～100℃条件下烘干，得到改性后炭黑；其中改性后炭黑色浆的过滤可采用离心过滤的方式进行过滤，过滤后的炭黑采用电热恒温鼓风干燥箱烘干。
实施例2
一种炭黑改性工艺，该工艺是一种将炭黑粉末分散研磨成炭黑色浆，并向炭黑色浆中通入臭氧微纳米气泡，以对炭黑进行氧化改性，增强炭黑在水性体系中的分散稳定性的方法；该方法具体包括以下步骤：
(1)同实施例1；
(2)将质量百分比浓度为3％、流速为2.5l/min的臭氧通过微纳米气泡发生器后形成的气泡通入炭黑色浆中，同时将炭黑改性装置的转速提升至5m/s，持续分散研磨8～12小时，直至炭黑色浆的ph值降低至3.2～3.4时，对炭黑的氧化改性结束，得到改性后炭黑色浆；其中，微纳米气泡发生器为多孔陶瓷板，从所述多孔陶瓷板发射出的臭氧微纳米气泡的直径为35微米；
(3)同实施例1。
实施例3
一种炭黑改性工艺，该工艺是一种将炭黑粉末分散研磨成炭黑色浆，并向炭黑色浆中通入臭氧微纳米气泡，以对炭黑进行氧化改性，增强炭黑在水性体系中的分散稳定性的方法；该方法具体包括以下步骤：
(1)同实施例1；
(2)将质量百分比浓度为3％、流速为2.5l/min的臭氧通过微纳米气泡发生器后形成的气泡通入炭黑色浆中，同时将炭黑改性装置的转速提升至5m/s，持续分散研磨8～12小时，直至炭黑色浆的ph值降低至3.2～3.4时，对炭黑的氧化改性结束，得到改性后炭黑色浆；其中，微纳米气泡发生器为多孔陶瓷板，从所述多孔陶瓷板发射出的臭氧微纳米气泡的直径为40微米；
(3)同实施例1。
实施例4
一种炭黑改性工艺，该工艺是一种将炭黑粉末分散研磨成炭黑色浆，并向炭黑色浆中通入臭氧微纳米气泡，以对炭黑进行氧化改性，增强炭黑在水性体系中的分散稳定性的方法；该方法具体包括以下步骤：
(1)同实施例1；
(2)将质量百分比浓度为3％、流速为2.5l/min的臭氧通过微纳米气泡发生器后形成的气泡通入炭黑色浆中，同时将炭黑改性装置的转速提升至5m/s，持续分散研磨8～12小时，直至炭黑色浆的ph值降低至3.2～3.4时，对炭黑的氧化改性结束，得到改性后炭黑色浆；其中，微纳米气泡发生器为多孔陶瓷板，从所述多孔陶瓷板发射出的臭氧微纳米气泡的直径为45微米；
(3)同实施例1；
实施例5
一种炭黑改性工艺，该工艺是一种将炭黑粉末分散研磨成炭黑色浆，并向炭黑色浆中通入臭氧微纳米气泡，以对炭黑进行氧化改性，增强炭黑在水性体系中的分散稳定性的方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)将5kg炭黑和20kg去离子水加入炭黑改性装置中，以3m/s的转速分散研磨1～1.5小时，使炭黑与去离子水充分接触润湿，并打开二次团聚颗粒，得到炭黑色浆。
(2)将质量百分比浓度为2％、流速为2.5l/min的臭氧通过微纳米气泡发生器后形成的气泡通入炭黑色浆中，同时将炭黑改性装置的转速提升至5m/s，持续分散研磨8～12小时，直至炭黑色浆的ph值降低至3.2～3.4时，对炭黑的氧化改性结束，得到改性后炭黑色浆；其中，微纳米气泡发生器为多孔陶瓷板，从所述多孔陶瓷板发射出的臭氧微纳米气泡的直径为40微米；
(3)将改性后炭黑色浆进行过滤，在90～100℃条件下烘干，得到改性后炭黑；其中改性后炭黑色浆的过滤可采用离心过滤的方式进行过滤，过滤后的炭黑采用电热恒温鼓风干燥箱烘干。
实施例6
一种炭黑改性工艺，该工艺是一种将炭黑粉末分散研磨成炭黑色浆，并向炭黑色浆中通入臭氧微纳米气泡，以对炭黑进行氧化改性，增强炭黑在水性体系中的分散稳定性的方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)同实施例5；
(2)将质量百分比浓度为2.5％、流速为2.5l/min的臭氧通过微纳米气泡发生器后形成的气泡通入炭黑色浆中，同时将炭黑改性装置的转速提升至5m/s，持续分散研磨8～12小时，直至炭黑色浆的ph值降低至3.2～3.4时，对炭黑的氧化改性结束，得到改性后炭黑色浆；其中，微纳米气泡发生器为多孔陶瓷板，从所述多孔陶瓷板发射出的臭氧微纳米气泡的直径为40微米；
(3)同实施例5
实施例7
一种炭黑改性工艺，该工艺是一种将炭黑粉末分散研磨成炭黑色浆，并向炭黑色浆中通入臭氧微纳米气泡，以对炭黑进行氧化改性，增强炭黑在水性体系中的分散稳定性的方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)同实施例5；
(2)将质量百分比浓度为2.8％、流速为2.5l/min的臭氧通过微纳米气泡发生器后形成的气泡通入炭黑色浆中，同时将炭黑改性装置的转速提升至5m/s，持续分散研磨8～12小时，直至炭黑色浆的ph值降低至3.2～3.4时，对炭黑的氧化改性结束，得到改性后炭黑色浆；其中，微纳米气泡发生器为多孔陶瓷板，从所述多孔陶瓷板发射出的臭氧微纳米气泡的直径为40微米；
(3)同实施例5
为了测试经本方案所述工艺改性后炭黑在水性体系中的分散稳定性，分别取原炭黑cb611以及经实施例1～7所述工艺改性后炭黑各2g，与去离子水配制成质量百分数为2％的水溶液，采用超声波分散后30分钟后，分别放入离心机以3500r/min的转速离心分离，每隔15分钟取上清液2ml，放入500ml的容量瓶中，加入去离子水配制成500ml溶液，然后用紫外分光光度计测试样品的透光率，具体测试结果如表1和表2。
表1在相同浓度下，经不同大小的臭氧微纳米气泡氧化改性后炭黑的透光率
表2在相同大小的微纳米气泡下，不同臭氧浓度氧化改性后炭黑的透光率
根据分散稳定性测试中透光率与稳定系数之间的关系，将表1和表2中透光率用稳定系数表示，进一步反应改性后炭黑在水性体系中的分散稳定性，具体数据如表3和表4。
表3在相同浓度下，经不同大小的臭氧微纳米气泡氧化改性后炭黑在水性体系中的分散稳定性
表4在相同大小的微纳米气泡下，不同臭氧浓度氧化改性后炭黑在水性体系中的分散稳定性
采用本方案所述工艺，通过臭氧微纳米气泡对炭黑进行深入的氧化改性处理，使得炭黑表面的结构性质发生了变化，引入了一些具有良好亲水性能的含氧基团，明显提高了炭黑在水性条件下的分散性能及其稳定性。
本方案所述工艺，采用臭氧作为气相氧化剂，将臭氧形成微纳米气泡，增加臭氧在水性体系中的溶解度，在氧化过程中不易引入其他杂质和副产物，氧化处理过程简便，所需设备简单，生产工艺流程简洁不易产生污染，易于产业化生产。
实施例8
请参照图1和图2所示，本实施例提供一种炭黑改性装置，用于持续向炭黑色浆中发射臭氧微纳米气泡，并对炭黑色浆进行分散研磨，以提高炭黑的分散稳定性及粒径均一性。
具体地讲，所述炭黑改性装置包括内壁上设置有一层砂磨层17的桶体1；所述筒体测壁上设置有去离子水进水口3、臭氧排出口4以及炭黑色浆排出口5。所述砂磨层17由聚丙烯制成的粒径为15±5微米的磨砂粉与所述桶体1一体化成型。
所述桶体1内底部设置有多孔陶瓷板14。所述多孔陶瓷板14内部设置有缓冲空间，顶部分布设置有若干与缓冲空间连通的微米级的气体分布孔16，底部设置有与缓冲空间连通的连接孔；所述连接孔上设置有硅胶软导管15，所述硅胶软导管15贯穿桶体1底部延伸至桶体1外。使用时将硅胶软导管15与臭氧发生器连接，臭氧发生器产生的臭氧经硅胶软导管15输送至缓冲空间，并经气体分布孔16排出。
所述气体分布孔16的孔径大小为35～45微米，是以发射的气体在水性体系中形成35～45微米的微纳米气泡。
所述桶体1顶部设置有筒盖；所述桶盖2上设置有进料斗8以及延伸至桶体1内部的分散研磨机构。
所述分散研磨机构包括多个搅拌叶片10、两个研磨辊13以及设置在桶盖2上的搅拌电机7；所述搅拌电机7的搅拌轴9贯穿桶盖2顶部延伸至桶体1内，所述搅拌轴9表面设置有一层聚四氟乙烯护套12，防止搅拌轴9在水性体系中生锈或被臭氧氧化而给炭黑色浆引入杂质和副产物。
所述研磨辊13与桶体1内壁上的砂磨层17紧密接触，并且研磨辊13表面设置有一层与所述砂磨层17相匹配的研磨层。
两个所述研磨辊13对称设置，并通过两根横向连接杆11连接在搅拌轴9上并能在连接杆11上自由转动。所述多个搅拌叶片10设置在两根连接杆11之间的搅拌轴9上。
所述研磨辊13、搅拌叶片10、横向连接杆11均由聚四氟乙烯材料制成。
为了检测炭黑色浆的ph值，所述桶体1内底部且位于多孔陶瓷板14的外围设置有ph传感器6。当炭黑色浆的ph值降低到3.2～3.4时，炭黑改性结束。
本方案所述炭黑改性装置的工作原理为：按照比例，分别从进料斗8和进水口加入炭黑原料及去离子水，然后启动搅拌电机7，采用较慢转速将炭黑和去离子水充分混匀润湿；炭黑被去离子水完全混匀润湿后，臭氧通过多孔陶瓷板14上的气体分布孔16均匀分布到炭黑色浆中，并在炭黑色浆中形成34～45微米的臭氧微纳米气泡，对炭黑进行氧化改性；同时将搅拌电机7的转速提高，同步对炭黑进行分散研磨，提高炭黑在水性体系中的分散稳定性及粒径均一性。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改、替换或变形仍在本发明的保护范围以内。
在方案中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中介媒介简介相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。