白炭黑合成工藝研究

張周赫，張 憶，李春山，朱曉輝（北京航天賽德科技發(fā)展有限公司，河北涿州072761）

白炭黑合成工藝研究

張周赫，張 憶，李春山，朱曉輝
（北京航天賽德科技發(fā)展有限公司，河北涿州072761）

以泡花堿和硫酸為原料，采用沉淀法合成制備白炭黑產(chǎn)品。研究討論了反應(yīng)溫度、pH、反應(yīng)時間以及洗滌方式等因素對產(chǎn)品吸油值的影響。吸油值大小反映了白炭黑中的有效空隙容積。吸油值越高，白炭黑結(jié)構(gòu)就越高，對于優(yōu)良的分散性而言，最基本的前提是設(shè)計出合適的結(jié)構(gòu)。通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝，對反應(yīng)條件優(yōu)化組合，可以得到不同吸油值的產(chǎn)品，從而滿足更多用戶的需求。

白炭黑；沉淀法；吸油值

白炭黑產(chǎn)品自20世紀(jì)40年代工業(yè)化生產(chǎn)以來，經(jīng)過不斷地發(fā)展與完善，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如橡膠、醫(yī)藥、農(nóng)藥、油墨、油漆、涂料、牙膏、紙張、食品、飼料、化妝品和蓄電池等。目前，中國白炭黑產(chǎn)品的質(zhì)量大大提高，產(chǎn)品品種及其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，但大多屬于中低檔產(chǎn)品，應(yīng)用也基本停留在普通用途上。高分散、高透明等特殊白炭黑產(chǎn)品仍需國外進(jìn)口，而且這些高附加值的白炭黑產(chǎn)品恰恰代表著其發(fā)展的重要方向。

白炭黑的吸油值是一種表征其微觀空間結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。吸油值越大，表明其三維網(wǎng)絡(luò)的鍵枝狀結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá)，而且較高的吸油值可在一定范圍內(nèi)改善白炭黑的分散性。

根據(jù)相關(guān)研究資料表明，沉淀法和氣相法是白炭黑生產(chǎn)制備方法。由于沉淀法所使用的原料價格低廉，合成工藝和生產(chǎn)設(shè)備較為簡單，產(chǎn)品附加值低，故而在中國市場占據(jù)著主導(dǎo)地位。但是這種生產(chǎn)方法所產(chǎn)出的成品純度不高，性能較差，不能滿足高檔市場的需要，且產(chǎn)品售價低，利潤空間有限。

本實(shí)驗(yàn)采用的改進(jìn)新工藝，通過反應(yīng)條件的優(yōu)化組合，可以得到不同吸油值的產(chǎn)品，從而滿足更多用戶的需求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 制備機(jī)理

沉淀法生產(chǎn)的消光劑，其制備工藝通常是以泡花堿和無機(jī)酸作原料，通過聚合反應(yīng)而得，SiO32-不會單獨(dú)出現(xiàn)在水玻璃溶液中，通常會以Na2（H2SiO4）和Na（H3SiO4）形式出現(xiàn)。因此，在水玻璃溶液中存在H2SiO42-和H3SiO4-這2種離子，并且隨著溶液中無機(jī)酸濃度的增大，逐步與H+結(jié)合［1］，其結(jié)構(gòu)式：

其中（3）表示的原硅酸會和（2）表示的-l價的原硅酸離子反應(yīng)結(jié)合成硅酸二聚體，反應(yīng)式：

反應(yīng)生成的二聚體進(jìn)一步聚合生成三聚體直至高聚體。在形成多硅酸的過程中，在鏈的中部形成Si—O鏈與Si鏈，通過鏈的形成可得到支鏈多硅酸，而多硅酸經(jīng)過進(jìn)一步聚合，得到通常所說的SiO2溶膠。圖1為聚合反應(yīng)示意圖［2］。

圖1 聚合反應(yīng)示意圖

1.2 原料試劑與儀器

試劑：硅酸鈉（水玻璃），鈉硅物質(zhì)的量比（模數(shù)）為3.1～3.4，相對密度為1.383 5，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27%；濃硫酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%；無水乙醇，分析純，北京化工廠提供。

儀器：JJ-1型增力電動攪拌器、101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水玻璃溶液，再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硫酸直到有明顯的凝膠出現(xiàn)。停止攪拌10 min，使溶膠完全轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。將形成后的凝膠攪拌50 min，之后加入硫酸酸化以去除凝膠中多余的Na+，并在85℃下老化1 h。老化后，用去離子水洗滌數(shù)次，除去其中的SO42-和Na+。將得到的料漿在80℃下干燥3 h得到白色粉末狀固體。

2 結(jié)果及分析

1）反應(yīng)溫度。根據(jù)文獻(xiàn)可知，SiO2在低于50℃的環(huán)境中不可能發(fā)生成核及長大過程。反應(yīng)溫度低，生成的粒子粒徑小、比表面大、孔容小，得到的白炭黑結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)而致密；但隨著反應(yīng)進(jìn)行，提高反應(yīng)溫度，生成的粒子孔容增大，得到的白炭黑疏松，孔隙率高。

圖2為反應(yīng)溫度對吸油值的影響。由圖2可見，隨著反應(yīng)溫度的提高，白炭黑產(chǎn)品吸油值先升后降，在溫度為90℃時最大。這是因?yàn)闇囟壬?，會使晶核在溶液中的溶解度升高，從而難以達(dá)到過飽和狀態(tài)，致使晶核析出速率降低。而生長速率升高，二次粒徑增大，吸油值隨之增大，得到的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)疏松。

2）pH。由于硅酸的凝聚速度受pH影響，當(dāng)pH＞7時，硅酸聚合速率較快，容易生成球狀粒子，生成的一次粒子會通過其表面羥基的相互作用團(tuán)聚成二次粒子，從而形成具有較大空隙的顆粒，即結(jié)構(gòu)度高的產(chǎn)品。而pH＜7時，溶液中的反應(yīng)過程會出現(xiàn)許多的凝膠顆粒。pH繼續(xù)降低至小于5時，反應(yīng)容易生成聚硅酸低分子聚合物?？梢杂^察到的現(xiàn)象是在反應(yīng)過程中有硬的凝膠顆粒生成，這些硬的凝膠顆粒在打漿過程不易被打散，會給下一階段的干燥工序帶來許多困難，影響最終得到的產(chǎn)品質(zhì)量，并且會增加能耗，增加生產(chǎn)成本。圖3為反應(yīng)pH對吸油值影響。由圖3可以看出，在pH為7～9時，反應(yīng)生成的白炭黑結(jié)構(gòu)度較為理想，當(dāng)反應(yīng)pH=8時，產(chǎn)品吸油值最大，結(jié)構(gòu)程度良好。

圖2 反應(yīng)溫度對吸油值的影響

圖3 反應(yīng)pH對 吸油值影響

3）反應(yīng)時間。由于白炭黑的制備工藝是泡花堿與硫酸的酸堿中和反應(yīng)，整個過程進(jìn)行的時間長短，將決定溶液在反應(yīng)過程中是否會出現(xiàn)局部凝膠現(xiàn)象，即形成許多硬的凝膠顆粒。更嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致整體凝膠，形成的硬凝膠顆粒會影響反應(yīng)結(jié)果，無法得到合格的白炭黑產(chǎn)品。因此反應(yīng)工藝必須控制好時間，即硫酸加入到硅酸鈉溶液的時間。圖4為反應(yīng)時間對吸油值影響。從圖4可以看出，反應(yīng)時間越長，吸油值越高，這表明白炭黑結(jié)構(gòu)度越好。但是隨著反應(yīng)時間的延長，能耗反而增加，且產(chǎn)量相應(yīng)降低。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選擇適宜的反應(yīng)時間為40 min。

4）洗滌方式。乙醇滌洗置換后進(jìn)行干燥，得到的產(chǎn)品相比用水洗的吸油值有明顯的變大。這是因?yàn)橹脫Q使用的醇類物質(zhì)，表面張力比水分子小。在干燥過程中，醇羥基與白炭黑表面羥基作用變?nèi)?，形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠得以保存，所得產(chǎn)品堆積密度小，蓬松，平均孔徑大，粒徑分布窄［3］。圖5為醇洗次數(shù)對吸油值的影響。由圖5可見，經(jīng)過置換后的樣品吸油值，明顯優(yōu)于普通洗滌方式干燥所得樣品。

圖4 反應(yīng)時間對吸油值影響

圖5 醇洗次數(shù)對 吸油值影響

因此在工業(yè)生產(chǎn)中可以考慮通過改變原有的洗滌方式，調(diào)節(jié)白炭黑成品的吸油值［4］。

3 結(jié)論

在生產(chǎn)過程中，由于聚合方式不同，以及SiO2粒子的聚集作用影響最終產(chǎn)品的性能，必須嚴(yán)格仔細(xì)地控制工藝過程中的反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、反應(yīng)pH以及后期洗滌干燥的方式與條件。通過對工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)和控制，可以實(shí)現(xiàn)在同一生產(chǎn)設(shè)備中制備出不同等級的白炭黑［5］。

通過實(shí)驗(yàn)得到最佳反應(yīng)工藝：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水玻璃溶液，升溫至90℃，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硫酸，反應(yīng)時間為40 min，此時pH=8；停止攪拌10 min，使溶膠完全轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。將形成后的凝膠攪拌50 min，加入硫酸酸化以去除凝膠中多余的Na+，并在85℃下老化1 h；老化后，用去離子水洗滌數(shù)次，除去其中的SO42-和Na+，再用無水乙醇洗滌3次；將得到的料漿離心脫水后，在80℃下干燥3 h，得到疏松的白色粉末狀固體。

由圖2～5可以發(fā)現(xiàn)，不同的反應(yīng)過程及合成條件下所制備的白炭黑吸油值變化不同。吸油值大小反映了白炭黑中的有效空隙容積。吸油值越大，白炭黑結(jié)構(gòu)就越好［6-7］，對于優(yōu)良的分散性而言，最基本的前提是設(shè)計出合適的結(jié)構(gòu)。

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圖6 不同分散劑下水化產(chǎn)物的紅外譜圖（a）及表面電位（b）

3 結(jié)論

1） 以工業(yè)級團(tuán)聚態(tài)的氫氧化鎂為原料，采用焙燒-低溫水化法（80℃）制備了形貌規(guī)則、高分散氫氧化鎂納米片（直徑為0.5～0.8 μm、團(tuán)聚粒徑為3.3 μm）；2）以1 mol/L MgCl2溶液為水化介質(zhì)，可促進(jìn)氫氧化鎂溶解-重結(jié)晶過程，有利于形成形貌規(guī)則、分散性較好的氫氧化鎂納米片；3）水化時添加十二烷基硫酸鈉，可吸附于氫氧化鎂表面降低其表面電位，增加顆粒間靜電斥力，可有效提高氫氧化鎂納米片分散性。

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收稿日期：2016-05-20

作者簡介：陳泆君（1990— ），女，碩士，主要研究方向?yàn)闊o機(jī)材料。

聯(lián)系方式：yijunchen7@163.com

Study of preparation process of white carbon black

Zhang Zhouhe，Zhang Yi，Li Chunshan，Zhu Xiaohui
（Beijing Aerospace Sai De Science&Technology Development Company Ltd.，Zhuozhou 072761，China）

The white carbon black was produced with water glass and sulfuric acid as raw materials by precipitation method. The effects of reaction temperature，pH，reaction time，and washing methods etc.on oil absorption value discussion were researched.The oil absorption value reflects the effective void volume in silica.The higher the oil absorption value was，the higher the silica structure.For excellent dispersion，designing a suitable structure is the basic premise.By improving the production process and optimizing the reaction conditions，the white carbon black with different oil absorption values could be obtained to meet the needs of more users.

silica；precipitation method；oil absorption

TQ127.2

A

1006-4990（2016）11-0049-03

2016-05-11

張周赫（1991— ），男，助理工程師，本科，主要從事無機(jī)粉體技術(shù)開發(fā)與研究。