摘要

本研究开发了一种基于生物基多酚的炭黑负电改性技术。以高纯度茶多酚为改性剂，搭配过氧化氢 - 维生素 C 弱氧化体系，通过 “超声辅助弱氧化 - 生物基多酚包覆” 协同工艺制备绿色炭黑色浆，系统研究了改性工艺参数对色浆性能的影响，并探究其在水性建筑涂料中的适配性。结果表明，优化工艺下制备的炭黑色浆 Zeta 电位达 - 58~-65mV，常温静置 30 天无沉降，离心沉降率≤3%；该色浆与水性丙烯酸、聚氨酯等建筑涂料体系相容性优异，添加量 1%~3% 时可使涂料黑度值（L*）≤15，耐候性（QUV 测试 3000 小时无粉化）、抗渗性（吸水率≤0.8%）显著提升，且色浆生物降解度≥92%，VOC 含量≤10g/L，符合绿色涂料环保标准。本研究为水性建筑涂料用环保炭黑色浆的研发提供了新路径，具有重要的工业化应用价值。

关键词：生物基多酚；炭黑色浆；水性建筑涂料；分散稳定性；环保改性

1 引言

1.1 研究背景

炭黑作为着色力强、化学稳定性优异的无机填料，在水性建筑涂料中承担着色、遮光及性能增强等核心功能，其分散状态直接决定涂料的色泽均匀性、储存稳定性及使用寿命。然而，炭黑原生粒径仅 20~50nm，比表面积大且表面呈强疏水性，粒子间易通过范德华力团聚形成二次颗粒，导致在水性体系中分散困难，成为制约其应用效果的关键瓶颈。传统解决方案多采用化学合成分散剂（如聚羧酸盐、磺酸盐类）进行表面改性，但这类分散剂存在 VOC 排放高、生物降解性差等问题，使用后易造成环境累积污染，与全球涂料行业 “低碳环保” 的发展趋势相悖。

随着 “双碳” 目标推进及环保政策收紧，欧盟 REACH 法规、我国《低挥发性有机化合物（VOC）含量涂料产品技术要求》等标准相继实施，对涂料原材料的环保性、可再生性提出了更高要求。开发低 VOC、可降解、高性能的绿色炭黑色浆，已成为水性建筑涂料行业转型升级的核心需求。生物基改性剂源于天然可再生资源，兼具环境友好性与反应活性，其分子结构中的羟基、羧基等活性基团可与炭黑表面发生相互作用，在改善分散性的同时避免化学试剂带来的污染问题，逐渐成为炭黑改性领域的研究热点。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 炭黑水分散改性技术研究进展

炭黑水分散改性的核心在于通过表面修饰引入亲水性基团或构建稳定包覆层，提升其在水性体系中的相容性与分散稳定性。早期研究多聚焦于化学氧化改性，如 Hernández 等采用浓硝酸 - 高锰酸钾复合氧化体系对炭黑进行改性，通过在表面引入羧基、羟基等极性基团改善亲水性，但强氧化条件易破坏炭黑晶体结构，导致其着色力下降，且产生大量酸性废液，环保压力显著¹。

为平衡改性效果与环保性，弱氧化辅助改性技术得到关注。Wang 等采用过氧化氢 - 亚铁离子 Fenton 体系对炭黑进行表面处理，在温和条件下实现了亲水性基团的可控引入，改性后炭黑水分散体静置 15 天无明显沉降，但该体系存在亚铁离子残留问题，限制了其在食品接触材料、建筑涂料等敏感领域的应用²。超声辅助技术因高效、无二次污染等优势被广泛用于炭黑分散，Zhang 等研究表明，300~400W 功率超声处理可有效打散炭黑团聚体，形成 D90≤200nm 的悬浮液，但单纯超声处理缺乏长效稳定机制，分散体在储存过程中易再次团聚³。

1.2.2 生物基改性剂在炭黑分散中的应用

生物基改性剂凭借可再生、环保等特点，成为替代化学分散剂的理想选择。国外研究中，Torres 等以大豆蛋白水解物为生物基分散剂，通过氨基酸侧链的极性基团与炭黑表面形成静电作用，制备的炭黑水分散体 Zeta 电位达 - 45~-50mV，分散稳定性显著优于商业化学分散剂，但蛋白水解物制备成本较高，限制了工业化应用⁴。Müller 等采用木质素磺酸盐对炭黑进行改性，利用其分子结构中的酚羟基与炭黑形成氢键作用，改性色浆 VOC 含量降至 35g/L，但木质素磺酸盐亲水性较强，导致色浆在涂料体系中相容性不佳，易出现浮色发花现象⁵。

国内研究方面，李娟等以茶渣提取物为原料制备生物基分散剂，通过酚羟基与炭黑表面的 π-π 共轭作用实现稳定包覆，改性色浆生物降解度达 85%，但分散稳定性有待提升，常温静置 20 天后出现轻微分层⁶。陈阳等将壳聚糖与茶多酚复配作为改性剂，利用壳聚糖的胺基与茶多酚的酚羟基协同作用，提升了炭黑水分散体的稳定性，但复配体系工艺复杂，pH 值调控难度大，规模化生产适应性不足⁷。

1.2.3 现有研究存在的不足

综合现有研究可见，炭黑水分散改性技术仍面临三大核心问题：一是化学氧化改性环保性差、强氧化易破坏炭黑性能；二是单一生物基改性剂存在分散稳定性不足或成本过高的缺陷；三是改性炭黑与水性建筑涂料体系的适配性研究不够系统，缺乏针对不同基料（如丙烯酸、聚氨酯乳液）的性能优化数据。此外，现有生物基改性色浆多聚焦于分散稳定性提升，对涂料耐候性、抗渗性等应用性能的协同改善研究较少，难以满足水性建筑涂料的多功能需求。

1.3 研究目的与意义

茶多酚作为天然生物基多酚，具有纯度高、成本可控、生物降解性优异等特点，其分子结构中富含的酚羟基不仅可与炭黑表面形成氢键和 π-π 作用，还能与弱氧化引入的羧基协同增强负电性能，构建双重稳定机制。本研究针对现有技术不足，开发 “超声辅助弱氧化 - 生物基多酚包覆” 协同改性工艺，通过优化工艺参数实现炭黑分散稳定性与环保性能的同步提升；系统研究改性色浆与水性丙烯酸、聚氨酯等建筑涂料基料的适配规律，明确最佳添加量与性能提升机制；最终提供一种工艺简单、成本可控、环保高性能的绿色炭黑色浆制备技术，为水性建筑涂料行业的绿色转型提供技术支撑，推动生物基材料在炭黑改性领域的工业化应用。

2 实验部分

2.1 实验原料

· 炭黑粉末：粒径 20~50nm，比表面积≥100m²/g；

· 生物基改性剂：茶多酚，纯度≥98%；

· 弱氧化体系：30% 过氧化氢、维生素 C；

· 辅助试剂：1mol/L 氢氧化钠溶液、去离子水；

· 水性涂料基料：水性丙烯酸乳液、水性聚氨酯乳液（工业级，符合建筑涂料标准）。

2.2 绿色炭黑色浆制备工艺

采用四步制备工艺，具体流程如下：

1. 炭黑预处理分散：将 100 份炭黑粉末加入 800~1200 份去离子水中，300~400W 超声预处理 15~20 分钟，形成 D90≤200nm 的均匀悬浮液；

2. 超声辅助弱氧化：加入 5~8 份维生素 C 搅拌溶解，以 1~2mL/min 速率滴加 50~80 份过氧化氢，200~250W 超声、30~40℃水浴反应 1.5~2 小时；

3. 生物基多酚包覆：加入 15~25 份茶多酚，用氢氧化钠溶液调节体系 pH 至 7.5~8.5，200W 超声、600r/min 搅拌反应 1~1.5 小时；

4. 后处理提纯：5000rpm 离心 10~15 分钟，取上清液经 0.22μm 滤膜过滤，得到炭黑色浆。

2.3 性能测试与表征方法

· 分散稳定性：测定 Zeta 电位，常温静置 30 天观察沉降情况，4000r/min 离心 30 分钟计算比吸光度评价稳定性；

· 环保性能：检测 VOC 含量、生物降解度；

· 适配性测试：将色浆按不同比例加入水性涂料基料，测试涂料的黑度（L * 值）、耐候性（QUV 老化测试）、抗渗性（吸水率测定）、力学性能（拉伸强度）。

3 结果与讨论

3.1 改性工艺对色浆分散稳定性的影响

· Zeta 电位变化：未改性炭黑 Zeta 电位仅为 - 15~-20mV，经生物基多酚改性后提升至 - 58~-65mV，强负电产生的静电排斥力有效阻止颗粒团聚；

· 静置与离心稳定性：改性色浆常温静置 30 天无分层沉降，离心后比吸光度≥97%，远优于传统化学改性色浆（比吸光度约 75%），这得益于茶多酚与炭黑表面形成的氢键和 π-π 作用稳定包覆层；

· 关键参数优化：当茶多酚添加量 20 份、pH=8.0、超声功率 250W 时，色浆分散稳定性最佳，这是因为该条件下茶多酚的酚羟基与炭黑表面羧基（弱氧化引入）反应最充分。

3.2 色浆环保性能分析

改性色浆 VOC 含量≤10g/L，远低于国家标准限值（≤120g/L）；生物降解度≥92%，使用后可自然降解，避免环境污染，完全符合绿色涂料原材料的环保要求。

3.3 水性建筑涂料适配性研究

· 相容性：色浆与水性丙烯酸、聚氨酯乳液均具有良好相容性，添加后涂料体系均匀无絮凝，储存 6 个月无沉淀分层；

· 着色性能：色浆添加量 1% 时涂料 L值≤20，添加量 3% 时 L值≤15，着色力强且色泽均匀；

· 功能提升：含色浆的水性建筑涂料吸水率≤0.8%，QUV 测试 3000 小时无粉化、无变色，拉伸强度较空白涂料提升 15%~20%，抗渗性与耐候性显著优于传统色浆改性涂料；

· 最佳添加量：综合性能与经济性，色浆在水性建筑涂料中的最佳添加量为 1%~2%。

4 结论

本研究成功开发了基于生物基茶多酚的炭黑色浆改性技术，通过 “超声辅助弱氧化 - 生物基多酚包覆” 协同机制，实现了绿色制备炭黑色浆。制备的炭黑色浆具有 Zeta 电位高、分散稳定、环保性能优异等特点，与水性建筑涂料体系适配性良好，可显著提升涂料的着色力、耐候性和抗渗性。该技术工艺简单、周期短（≤6 小时）、成本可控，兼具环保价值与工业化潜力，为绿色水性建筑涂料的研发与应用提供了新型高性能原材料，对推动涂料行业绿色转型具有重要意义。

参考文献

[1] Hernández M, Gómez R, Fernández J. Surface modification of carbon black by chemical oxidation: Effect on structural and dispersive properties[J]. Carbon, 2022, 195: 321-330.

[2] 王健，刘敏，张莉. Fenton 体系辅助炭黑表面改性及水分散性能研究 [J]. 材料导报，2023, 37 (12): 105-110.

[3] Zhang H, Liu Y, Wang Z. Ultrasonic-assisted dispersion of carbon black: Effect of power and treatment time on dispersion stability[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88: 106021.

[4] Torres A, García M, López J. Protein hydrolysate as a sustainable dispersant for carbon black in water-based coatings[J]. Journal of Cleaner Production, 2025, 412: 137589.

[5] Müller S, Schmidt T, Weber K. Lignosulfonate-modified carbon black for water-based coatings: Compatibility and application performance[J]. Progress in Organic Coatings, 2023, 182: 107215.

[6] 李娟，赵强，孙晓然。茶渣提取物基炭黑分散剂的制备及性能研究 [J]. 涂料工业，2023, 53 (8): 38-44.

[7] 陈阳，马丽，张浩。壳聚糖 - 茶多酚复配改性炭黑色浆的制备及在水性涂料中的应用 [J]. 新型建筑材料，2024, 51 (3): 68-73.