白炭黑生產工藝及應用

　　白（bái）炭黑即水合（hé）二氧化矽（guī），是微細（xì）粉末狀或超細粒子狀的二（èr）氧化矽，高純度者SiO2含量達99.8%，質輕，原始粒徑<0.0003mm，比重 2.319～2.653，熔點1750℃。白炭（tàn）黑經（jīng）典的製造方法（fǎ）分3類：氣相法、沉澱法和離解法。工（gōng）業上（shàng）的製備方法都是這3種方法的組合或改良。
1 氣相法
1.1 氣相法白炭黑的生產
    氣（qì）相法白炭（tàn）黑是矽的氯化物四（sì）氯化矽或三氯一甲基矽烷（wán）在空（kōng）氣和氫（qīng）氣混合（hé）氣流中經高溫（wēn）水解生成的一種無定型粉末，往往是球（qiú）形顆粒，表麵帶有羥基和吸附水，粒（lì）徑在7～40nm之間，比表麵積大，化學純度高，SiO2>99.8%。氣相法白炭黑根據是否進行過表麵處理可分為親水型和疏水型，根據比表麵的大小 又可分為（wéi）不同的型（xíng）號。
    國（guó）內氣相法白炭（tàn）黑市場幾乎被（bèi）國外的幾個大公司如德固薩、卡博特、瓦克所壟斷，我國僅有幾（jǐ）套小規模裝置。如廣州吉必時科技實業有限公司（sī）在吸收消化國外先進（jìn）技術的基礎上，進（jìn）行（háng）大膽的技（jì）術創新，率（lǜ）先在國內（nèi）建成了一條（tiáo）利用有機矽副產物生產氣相法白炭黑的生產線，單機年產量達到500t，目前有4個型號的親（qīn）水型產 品；吉林化工研究院用有機（jī）矽單體副產品生產氣相法（fǎ）白炭黑等。國外氣相法白（bái）炭黑單套裝置能力都在年產4000t以上，美國卡博特公司單套裝置規模最大可（kě）達年（nián） 產9000t。國（guó）外氣相法白炭黑（hēi）品種全、牌號多。美國卡博特公司非（fēi）處理型氣相法白炭黑共有十多個（gè）品種(包括3個壓（yā）縮品種)，處理型白炭黑主要有TS- 720，TS-610，TS-530。與（yǔ）之相比，我國親水型（xíng）白炭黑係列牌號少，改性白炭黑係列剛剛起步發展（zhǎn），氣相法白炭黑（hēi）單套（tào）裝置能力和品種牌號與世界先進水平相比有差距。但我國已攻克世（shì）界級（jí）化工課（kè）題——納米白炭黑技（jì）術，打破了德、美、日等少數發達國家在這一領域的壟斷地位。華東理工大學的超細材料製備與應（yīng）用重點實驗室與上海氯堿股份公司共（gòng）同承擔完成的“納米二氧化矽氣相燃燒製備技術與設備研製”的成（chéng）功（gōng）開發和推廣將形成10億元的產值，有效地推動我國有機 矽等行業的發展。 2004年2月，中國藍星(集（jí）團)總公司和美國卡博特公司簽約，雙（shuāng）方將（jiāng）投資約3000萬美元建設中國最大、世界一流的氣相（xiàng）法二氧化（huà）矽生產廠——卡博特藍星（xīng） (江西)化工有（yǒu）限（xiàn）公司。於2005年建成，年產能為5000t。
1.2 氣相法白炭黑的應（yīng）用（yòng）
    氣相（xiàng）法白炭黑廣泛應用於矽橡膠、電纜料與不飽和聚酯樹脂、膠粘劑、油漆塗（tú）料、油墨和複印（yìn）機墨粉、食品和化妝品，可（kě）起到補強（qiáng）、增稠、抗結塊、控製體係流變和觸變等作用。
1.2.1在矽橡膠（jiāo）中的應用
    氣相法白炭黑大量地應用於室溫硫化（huà）矽橡膠（jiāo）和高溫硫化矽橡膠（jiāo），它們往往是以附聚體的形式分（fèn）散在基體（tǐ）中形成三（sān）維網（wǎng）狀結構，和矽（guī）橡膠基料的接觸麵大，在硫（liú）化過程中形成（chéng）的交聯點（diǎn）多，從而對矽（guī）橡膠起到增稠和補（bǔ）強作用。氣相法白炭黑形成的三維網狀結構具有（yǒu）相對穩定性，處於一種（zhǒng）“彈性”的狀態（tài），在外力的作用（yòng）下，會暫時受 到（dào）破壞，使體係的（de）粘度降低，呈現良好的流動性；當（dāng）外界（jiè）的（de）剪切力撤除後，三維網狀結構會迅速恢複到受力前的狀態，使體係具有良好的觸變性。另外，由於氣相法白炭黑的粒徑很小，顆粒又呈球形，分（fèn）散在基料中形成均勻的體係，往往具有良（liáng）好的光學性能（néng），可製造白色透明的（de）矽橡（xiàng）膠製品。用氣相法白炭黑為填料（liào）生產的室溫硫 化酸性矽酮膠，具有寬廣的稠度範圍和（hé）有（yǒu）效的硫（liú）化（huà）性能，對各種塗有底漆或不塗（tú）底（dǐ）漆的（de）基材均具有優良的粘接能力，在常溫下具有優異的儲藏穩定性，廣泛地應用於建（jiàn）築行業。
1.2.2在塑料和（hé）不飽和聚（jù）酯樹脂中的應用
    氣相法白炭黑也常常應用於塑（sù）料和彈性體以及（jí）不飽和聚酯（zhǐ）樹脂中。在塑料混（hún）煉時（shí）除加入傳統的填料外，再加入（rù）少量的氣相（xiàng）法白炭黑，會產生明顯的補強作（zuò）用，大大（dà）提高材料的硬（yìng）度和機（jī）械性能，從而改善加工工藝（yì）和（hé）製品（pǐn）的性能。而在不飽和聚酯樹脂中加入少量的氣相法白炭黑（hēi）可以賦予樹（shù）脂極佳的透明度和優異的物理性能，這些特 性（xìng）都有助於提高下遊製品的質量。氣相法白炭黑在（zài）工業發展中有著不可替代的作用，但由於價格較高，往往限製了其更（gèng）加廣泛的應用，如（rú）橡膠行業（yè）目前還（hái）在（zài）大量使用（yòng）沉澱法白（bái）炭黑。
2 沉澱法
    沉澱法就是將水玻璃與硫酸或鹽酸作用，生成矽酸，再分解而製得白炭黑。SiO2含量在90%左右，市（shì）場需求量大，主要用作橡膠補強填（tián）料。我國的白炭黑生產 廠主要采用這種方（fāng）法生（shēng）產白炭黑。 沉澱法白炭黑的生產技術、設備簡單，產品活（huó）性不高，顆粒不易控製，親和力差，補強性能低，顆粒表麵親水性集團鍵合嚴重，削弱了產品的結合力。二次結晶生產超細白炭黑（hēi）便是在沉澱法生產技術前提下，進（jìn）行了二次晶種處理的改（gǎi）良性技術。采用二次結晶新工（gōng）藝，可以全自動（dòng）控製工業化生（shēng）產。其SiO2含量在（zài）94%以上， 比表麵積（jī）達269～320m^2/g，粒徑最（zuì）大為1000目，最細可達納米級。
    高分散（sàn）無凝膠白炭黑的批量生產，標誌著我國規（guī）模最大的（de）高分散無凝膠白炭黑生產基地的建成。該項目總投資達1.7億元，首（shǒu）期生產（chǎn）目（mù）標為年產4.5萬t，全部建成後可年產10萬t，超過了日本最大的（de）白炭黑（hēi）生產企業的產量，成為技術領先（xiān）、規模居亞洲之最的大型精（jīng）細化工生產基地。新產品擁有全部自主知識產權。沉澱法白炭黑廣泛用作橡膠、塑料的填（tián）充補（bǔ）強劑、合成樹脂(聚脂樹（shù）脂、彈性聚氨脂)的添加劑、聚丙烯、無毒聚氯乙烯塑料薄膜的開口劑（jì）、電子電氣業絕緣絕熱填料（liào）等（děng）。
3 離解法
3.1 非金屬礦法
    用非金屬（shǔ）礦製取白炭黑（hēi）所（suǒ）用原料有矽（guī）藻土、蛋（dàn）白（bái）土、蛇紋石、膨潤土、高嶺土、矽灰石、石英（yīng）砂、海泡石、凹凸（tū）棒石、粉煤灰、鋯英石、煤矸石、黃磷礦等。利用非金屬礦製取白炭黑，在技術（shù）上是可行的，經濟效益也好，為非金屬礦的深加工和綜合利用提供了一條（tiáo）新路。 用粘土礦（kuàng）物煆（duàn）燒轉化也可製備白炭黑。第三軍醫大學研（yán）究成功（gōng）用矽藻土生產白炭黑和聚鋁的無汙染先進技術。浙江廣科化工有限公司、吉林省臨江市業（yè）柱化工有限公司（sī）用矽藻土生產白炭（tàn）黑。 若由非金屬（shǔ）礦先製取水（shuǐ）玻璃，再由水（shuǐ）玻璃製取白炭（tàn）黑的技術仍是沉澱法。
3.2 禾本科植物法
    利用稻殼、穀殼灰為（wéi）原料生產的白炭黑介於沉澱法和氣相法中間。它的（de）成本不但遠遠低於氣（qì）相法，而且也低於沉澱法；它的質量遠遠高於沉澱（diàn）法，接近氣相法。宜賓五糧液集團精細化工有限公司是是（shì）國內唯一一家用植物生產白炭黑(二氧化矽)的廠家，年產白炭黑（hēi）4000t。如果以稻殼、穀殼灰為原料，經堿浸後得水玻 璃，水玻璃與酸反應得沉澱物，經過（guò）濾、水洗、幹燥得白炭黑，此技術仍是沉澱法。
3.3 副產品回（huí）收法
    方法有：用黃磷爐渣製取白炭黑；用氟矽酸鈉（nà）製取（qǔ）白炭黑；用煤灰（huī）可製（zhì）取白炭黑；由磷肥廠副產品四氟化矽一（yī）步水（shuǐ）解法製取白炭黑；利用生產NaF的副產品SiO2製備白炭黑；利用（yòng）生產淨水劑的廢渣製備白炭黑；利用廢矽溶膠製備白炭黑。