活性硅格粉與炭黑結(jié)合機(jī)理與生產(chǎn)工藝探索

張林峰，孫亞光

(杭州中策清泉實(shí)業(yè)有限公司，浙江 杭州 311402)

隨著全球能源供應(yīng)的日益緊張和環(huán)境的惡化，汽車節(jié)能減排已經(jīng)迫在眉睫。輪胎滾動(dòng)阻力造成的汽車燃油消耗約占20%，所以輪胎的滾動(dòng)阻力對汽車燃油有重大影響。據(jù)測算得出，那么每公里二氧化碳排放量可以減小4 g，每輛車每年可以節(jié)省燃油23 L，以全國機(jī)動(dòng)車保有量3.6億輛計(jì)算（截至2020年6月），每年可節(jié)省燃油600.3萬t。

作為輪胎的重要性能指標(biāo)，滾動(dòng)阻力和耐磨性能、抗?jié)窕阅艽嬖谥澳Ч砣恰钡年P(guān)系：在通常情況下，這3種性能往往此消彼長，調(diào)整三者中任何一項(xiàng)都會(huì)導(dǎo)致另外兩項(xiàng)的變化。而輪胎的滾動(dòng)阻力、耐磨性和抗?jié)窕远加峙c橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑炭黑息息相關(guān)，因此在炭黑性能上進(jìn)行改進(jìn)能直接影響輪胎的各方面性能。

1 工藝設(shè)計(jì)方案

（1）原料油配方以95%煤焦油與5%乙烯焦油進(jìn)行生產(chǎn)，水分含量≤2.0%；使用新型原油槍頭對原料油進(jìn)行霧化，保證霧化效果；提高空氣預(yù)熱溫度，提升原料油裂解效果；原料油在反應(yīng)爐段內(nèi)1 600 ℃以上高溫燃燒氣流混合，使原油充分裂解成炭黑原生粒子。

（2）通過粉末活性硅射流分散技術(shù)，將硅格粉和工藝水混合后噴入炭黑反應(yīng)爐，粉狀硅格粉與炭黑原生粒子在高溫下化學(xué)結(jié)合形成—Si—C—與—Si—O—C—短鏈狀結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 粉末活性硅射流投加系統(tǒng)工藝流程圖

粉末活性硅射流投加系統(tǒng)技術(shù)為硅格粉解包后通過氣力壓送裝置輸送至料倉，通過料倉中機(jī)械破拱、氣流破拱裝置和料倉下部的犁刀攪拌裝置被輸送到精密定量的相嵌雙螺旋中，經(jīng)過稱重系統(tǒng)和精密定量螺旋計(jì)量過的硅格粉進(jìn)入高速射流混合器的傳質(zhì)腔體中，與射流載體即工藝水瞬間混合，硅格粉在運(yùn)動(dòng)過程中被強(qiáng)制分散到射流載體中，并在射流器尾部的擴(kuò)散器中通過壓力變化快速擴(kuò)散成均勻地懸濁液，輸送到壓力霧化系統(tǒng)中進(jìn)入炭黑急冷系統(tǒng)。

通過炭黑的聚集作用，形成雙相炭黑聚集體。炭黑煙氣經(jīng)過主袋濾器收集分離，分離出的尾氣用于尾氣爐供熱及鍋爐發(fā)電，經(jīng)糖蜜黏合劑對炭黑進(jìn)行造粒，使炭黑在橡膠中分散均勻。

（3）雙相炭黑中硅格粉重量含量控制為10%～50%。根據(jù)輪胎應(yīng)用需求指標(biāo)，橡膠滾阻炭黑中硅格粉重量含量指標(biāo)為17±3%。雙相炭黑生產(chǎn)工藝，其特征在于硅格粉和工藝水懸濁液中硅格粉濃度15%～25%。

2 化學(xué)結(jié)合機(jī)理

結(jié)合后的滾阻炭黑表面繼承了硅格粉表面的羥基結(jié)構(gòu)（除與炭黑表面官能團(tuán)反應(yīng)后的羥基），鄰位羥基形成內(nèi)氫鍵，孤立羥基與雙重羥基與橡膠分子中的羥基等極性基團(tuán)形成外氫鍵，在橡膠內(nèi)部形成聚合物分子鏈貫穿橡膠高分子鏈網(wǎng)絡(luò)，從而賦予了材料優(yōu)越的綜合性能。

本發(fā)明中的使用的硅格粉材料化學(xué)結(jié)構(gòu)如下所示（1）：

鄰位羥基結(jié)構(gòu)示意圖 雙重羥基結(jié)構(gòu)示意圖

炭黑生成反應(yīng)中加入硅格粉材料，與炭黑粒子化學(xué)結(jié)合，其反應(yīng)式如下（2）：

（2）nC+mSi(OH)→mSiCn/m(OH)

3 實(shí)際效果驗(yàn)證：

以下通過具體實(shí)施方式進(jìn)一步對雙相炭黑內(nèi)容進(jìn)行闡述。年產(chǎn)3萬t炭黑生產(chǎn)線采用本裝置生產(chǎn)雙相炭黑SX系列。

實(shí)施案例1

（1）原油配方上選用低水分（水分含量≤2.0%）的煤焦油作為雙相炭黑的原料油。

（2）以7 000 kg/h流量的原料油在反應(yīng)爐段內(nèi)1 600 ℃以上高溫燃燒氣流混合，使原油充分裂解成炭黑原生粒子。

（3）由射流系統(tǒng)混合的15%濃度的硅格粉和工藝水懸濁液以5 000 kg/h噴入炭黑反應(yīng)爐，炭黑與硅格粉在高溫下反應(yīng)生成硅碳結(jié)構(gòu)，通過聚集形成硅碳聚集體。

（4）炭黑煙氣經(jīng)過主袋濾器收集分離出的尾氣用于尾氣爐供熱及鍋爐發(fā)電，炭黑經(jīng)造粒干燥后儲存。

實(shí)施案例2

（1）原油配方上選用低水分（水分含量≤2.0%）的煤焦油作為雙相炭黑的原料油；

（2）以7 000 kg/h流量原料油在反應(yīng)爐段內(nèi)1 600 ℃以上高溫燃燒氣流混合，使原油充分裂解成炭黑原生粒子；

（3）由射流系統(tǒng)混合的20%濃度的硅格粉和工藝水懸濁液以5 000 kg/h噴入炭黑反應(yīng)爐，炭黑與硅格粉在高溫下反應(yīng)生成硅碳結(jié)構(gòu)，通過聚集形成硅碳聚集體。

（4）炭黑煙氣經(jīng)過主袋濾器收集分離出的尾氣用于尾氣爐供熱及鍋爐發(fā)電，炭黑經(jīng)造粒干燥后儲存。

實(shí)施案例3

（1）原油配方上選用低水分（水分含量≤2.0%）的煤焦油作為雙相炭黑的原料油；

（2）以7 000 kg/h流量的原料油在反應(yīng)爐段內(nèi)1 600 ℃以上高溫燃燒氣流混合，使原油充分裂解成炭黑原生粒子；

（3）由射流系統(tǒng)混合的25%濃度的硅格粉和工藝水懸濁液以5 000 kg/h噴入炭黑反應(yīng)爐，炭黑與硅格粉在高溫下反應(yīng)生成硅碳結(jié)構(gòu)，通過聚集形成硅碳聚集體。

（4）炭黑煙氣經(jīng)過主袋濾器收集分離出的尾氣用于尾氣爐供熱及鍋爐發(fā)電，炭黑經(jīng)造粒干燥后儲存。

驗(yàn)證結(jié)果：

以SX71炭黑為例，實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 綜上所述

（1）硅格粉與炭黑通過化學(xué)鍵結(jié)合，并且保留了硅格粉表面的活性官能團(tuán)，從而由此生產(chǎn)出的雙相炭黑即存在炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性，又保留了硅格粉的表面活性，在輪胎應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了高耐磨與低生熱性能同時(shí)存在的結(jié)果，打破了“魔鬼三角”的限制。

（2）硅格粉由自動(dòng)水射流器分散混合形成懸濁液噴入炭黑反應(yīng)爐，分散效果均勻，與炭黑結(jié)合契合度高，滿足雙相炭黑的質(zhì)量設(shè)計(jì)要求，并且整個(gè)系統(tǒng)投料過程自動(dòng)化程度高，節(jié)約了生產(chǎn)勞動(dòng)力，值得在炭黑行業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

（3）炭黑行業(yè)下階段創(chuàng)新展望，以非碳材料如硅性、鋁性等活性材料彌補(bǔ)炭黑性能形成雙相甚至多相炭黑的機(jī)理研究與應(yīng)用試驗(yàn)還需要更多的探索經(jīng)驗(yàn)，本論文在此只是拋磚引玉，希望各位前輩多多指點(diǎn)。