沉淀白碳黑(沉淀法白炭黑的生产原理及用途、及各项性能指标意义)

Posted 2023-05-31

篇首语：不经过琢磨，宝石也不会发光。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了沉淀白碳黑(沉淀法白炭黑的生产原理及用途、及各项性能指标意义)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

沉淀白碳黑(沉淀法白炭黑的生产原理及用途、及各项性能指标意义)

白炭黑的化学分子式为SiO2nH2O，因其用途与炭黑相似且为白色，故而得名白炭黑。白炭黑按生产方法的不同可分为沉淀白炭黑（沉淀水合二氧化硅）和气相法白炭黑（气相二氧化硅），两种产品的生产方法不同，性质及用途也有很大区别。气相法生产主要是使用四氯化硅和空气燃烧所得的二氧化硅，颗粒细，中值粒径可达5微米以下。沉淀法生产是使用硅酸钠里加入硫酸后使二氧化硅沉淀出来。中值粒径大概在7－12微米。气相法白炭黑价格昂贵，不容易吸湿，较多的使用在涂料做消光剂。沉淀法白炭黑价钱便宜，容易吸湿。主要用在橡胶，塑料制品中做填充，补强剂。以下介绍的产品是用硫酸沉淀法生产的，也即沉淀法白炭黑，以下所涉及的白炭黑均为沉淀法白炭黑。

一、沉淀法白炭黑的生产原理

水玻璃和硫酸反应生成水合硅酸Na2O·mSiO2＋H2SO4＋nH2o－→Na2SO4＋mSiO2·（n＋1）H2O↓

（反应过程需加热）。反应完成液经压滤脱水，洗涤、并通过打浆制得白炭黑料浆，经喷雾干燥得白炭黑成品。

二、沉淀法白炭黑的主要用途

白炭黑产品自20世纪40年代工业化生产以来，广泛应用于于橡胶制品中作补强剂，此外还可用于医药行业、农药、油墨、油漆、涂料、牙膏、纸张、食品、饲料、化妆品、蓄电池等各种行业。现就白灰黑适用的主要应用行业作简要介绍：

2.1、轮胎行业

在轮胎胎面胶中用白炭黑，特别是高分散性沉淀法白炭黑与偶联剂并用可同时提高轮胎寿命（改善耐磨性）和安全性（改善抗湿滑性），降低燃油消耗（降低滚动阻力）。此外，沉淀法白炭黑用于轮胎胎体和带束层中，可改善胶料与钢丝帘线的粘合力；在轮胎胎侧胶中用白炭黑部分代替炭黑可大幅度提高胶料的耐久性能，改善耐屈挠和抗冲击性。

2.2、胶鞋及其它橡胶制品

（1）白炭黑白度高、粒子细，使用白炭黑制得的硫化胶透明度高，而且可提高胶料的综合物理性能。因此，白炭黑作为主要的补强填充剂广泛应用于胶鞋生产中，尤其是在透明及半透明鞋底胶料中。

（2）在胶带的生产中，为提高其耐磨性能，大量增加白炭黑，同时，白炭黑表面的硅烷醇起着改善胶料与织物湿润程度的作用，有利于胶料的扩散和渗透。除上述制品外，白炭黑还被用于胶辊、胶管、橡板、电线电缆及家用电器、文体用品中的橡胶部件上等。

韧性哥注：在橡胶硫化和TPV动态硫化领域，白炭黑可作为过氧化物的载体使用，这样方便操作，降低风险。

2.3、塑料改性及制品

在塑料工业中，利用白炭黑透光、粒度小，可以使塑料变得更加致密。不但提高其透明度、强度、韧性，而且防水性能、抗老化性能和硬度、光洁度也明显提高。例如: 利用纳米白炭黑对普通塑料聚丙烯进行改性，现主要技术指标(吸水率、绝缘电阻、压缩残余变形、挠曲强度等)均达到或超过工程塑料尼龙6的性能指标，实现了聚丙烯铁道配件替代尼龙6使用，产品成本大幅下降，其经济效益和社会效益十分显著。用作聚丙烯、无毒聚氯乙烯塑料薄膜的开口剂。

2.4、硅橡胶

硅橡胶的应用是随白炭黑的出现开始的。硅橡胶具有很高的耐热性和优异耐寒性，耐臭氧性，耐老化和耐大气老化性，同时具有优良电绝缘性。由于硅橡胶上述的特性，在航空航天、电子工业等行业均有广泛应用。气相白炭黑价格高，用价格相对低廉的沉淀白炭黑代替气相法白炭黑，可用于低档硅橡胶的生产。

推荐阅读：白炭黑对硅橡胶的结构化和触变作用

2.5、医药行业

白炭黑具有生理惰性，高吸收性、分散性和增稠性，在药物制剂中得到广泛的应用，例如：准生素E粉现大量使用白炭黑作载体，牙膏等添加剂等。

2.6、农药行业

白炭黑在农药行业中主要作用是作载体，提高流动性并防止结块，目前，白炭黑主要应用于各类可湿性粉剂。

2.7、在油墨中的应用

白炭黑在油墨中主要起增稠作用，用于控制印刷油墨的流量。还用于控制打印机油墨的流量，使它不能任意流动或流挂，以获得清晰的打印。

2.8、在颜料和染料工业

白炭黑可以克服有机颜(染)料虽具有鲜艳的色彩和很强的着色力，但一般耐光、耐热、耐溶剂和耐迁移性能不佳的缺点。通过添加纳米白炭黑对有机颜(染)料进行表面改性处理，不但使颜(染)料抗老化性能大幅提高，而且亮度、色调和饱和度等指标也均出现一定程度的提高，极大地拓宽了有机颜(染)料的档次和应用范围。

三、白炭黑各项指标在应用中的意义

3.1、比表面积

白炭黑补强作用的大小，主要取决于它的比表面一般随比表面积增大，橡胶制品的各项强度指标均增大，但回弹性降低，撕裂强度降低，且不耐磨，混炼时分散困难，生热高，胶料门尼粘度大，易焦烧，因此，不同配方，不同用途，要求比表面积也不一样，比表面积对硫化橡胶物理机械性能的影响不是始终如一的。

3.1.1、粒径的影响

沉淀法白炭黑粒径分原始粒径和二次结构粒径。一般来说, 白炭黑在胶料混炼过程中二次结构破裂, 因此影响橡胶胶料性能最主要的是原始粒径。沉淀法白炭黑原始粒径在8-110nm，粒径细, 则分散性能好, 与橡胶接触的有效面积也大, 对橡胶补强显然有利。

从橡胶补强作用机理看来，白炭黑表面层一OH 的多少, 直接关系到补强效果。美国化学家R·K·ILer在对水凝胶一次粒子的大小与羟基数的关系的研究中总结出以下规律，这种规律性揭示了白炭黑粒径对橡胶胶料强度的影响（见表1）。可见d越小, 活性基团越多, 粒子与橡胶之间作用越强, 强度越大。

表1 一次粒子大小与羟基数关系

3.1.2、结构性的影响

白炭黑的结构类似于炭黑, 呈球形, 单个粒子之间以面相接触, 呈枝链状联结, 此结构称为“二次结构”。链枝结构又以氢键力相作用, 形成一团团的聚集体结构, 此结构受到外力的破坏是可逆的, 其结构性大小用吸油值来反映（吸油值系指1克白炭黑吸附邻苯二甲酸二丁酯（DBP）的毫升数）。吸油值越大, 结构性越高。结构越大, 表明白炭黑呈聚集状态的枝链结构越多, 对橡胶的补强效果也好。但吸油值高的沉淀法白炭黑在胶料中混炼时要破环这种枝链结构就须消耗更多的功和能,使其在橡胶中分散均匀, 这显然须延长胶料混炼时间。白炭黑吸油值为2.0-3.5cm3/g均能满足轮胎要求。

沉淀法白炭黑的比表面积也是反映产品结构性的重要指标。尽管现行国家标准考虑到各生产厂的测试条件未对比表面积这一指标作出具体规定, 只是依据数值高低划分成A、B、C、D、E、F 六大类。从历年的全国橡胶用沉淀法水合二氧化硅（白炭黑）质量普查表明，其胶料综合物性以B类（161-190m2/g）白炭黑为最佳, 不过只考虑“补强”，则比表面积更高的A类（≥190m2/g）更好。但是, 在生产使用实践中也常常碰到高比表面积的自炭黑其胶料物理性能却很差, 这是白炭黑生产过程中产生了许多硅凝胶所致。

国际标准ISO/DIS5794/3将白炭黑按比表面积分类可分六个等级

沉淀法白炭黑的比表面积对胶料物性的影响, 从机理上讲, 比表面积大, 就能让胶料及促进剂等获得更好的渗透机会, 从而进行一系列理化反应, 获得较好的透明性和物理性能。但比表面积大的白炭黑又有极大的吸附率和高活性, 能吸附较多的促进剂, 加快促进剂的分解, 因此对胶料硫化有较强烈的迟延作用, 由此需适当增加促进剂用量来提高硫化速度。实际生产中还常用增加活性剂来减少白炭黑表面层上一OH基对促进剂分子强烈的吸附作用。另外, 比表面积过大的沉淀法白炭黑在胶料加工过程中生热高, 胶料易发粘。

3.2、吸油值

吸油值大小体现的是结构度的高低，吸油值大，结构度小，硫化胶的伸强度一般较大，抗张强度和硬度较大，特别是耐磨耗较小，但伸长率较低。

白炭黑的表面改性处理是指在白炭黑中添加偶联剂以达到其疏水性的目的。加入偶联剂后, 偶联剂一端的CH3O一（甲氧基）易同白炭黑表面层上的硅醇基反应, 另一端与像胶分子反应, 也即偶联剂在白炭黑与橡胶之间“ 架桥”作用。白炭黑表面改性处理途径很多, 目前最通用的是用硅烷偶联剂（如Si一69）进行处理。通过表面处理可以降低吸油值。

3.3、900℃灼烧减量

体现的是表面羟基。表面羟基过多时，易造成橡胶复合材料的结构化，使材料变脆。影响加工性能，并且硫化胶易掉块，且表面羟基对硫化促进剂有强烈的吸附作用，延长硫化时间。

3.4、105℃加热减量

反映粒子空隙中自由水的多少，过少时，胶料结构化程度高炼胶变得困难，若加热减量为零，则白炭黑毫无用处，一般控制在6％左右较合适。

3.5、PH值

一般在7左右，PH值升高（酸性减小），胶料硫化速度加快。白炭黑的酸碱性对胶料的硫化影响较大, 酸性白炭黑迟延胶料硫化, 碱性则促进硫化, 但碱性过高对补强不利。PH呈微酸性的白炭黑, 对胶料及制品的抗张, 耐磨等有利,所以橡胶用沉淀法白炭黑PH值一般为6一8, 接近中性。

3.6、可溶性盐

含量越少越好，但想大幅降低可溶性盐含量，会使成产成本大幅提高。

沉淀法白炭黑在制备过程中容易带入Cu、Fe、Mn等杂质, 这些微量杂质尽管对胶料物性影响不大, 但为了使橡胶制品具有优良的抗氧化和耐老化性能, 仍要求Cu、Fe、Mn含量降到一定的限度。对此,GB 10517对沉淀法白炭黑规定: Cu≤30 mg/kg，Mn≤50 mg/kg，Fe≤1000 mg/kg。

沉淀法白炭黑生产中的钠盐是生产中难以避免的, 但钠含量过高不宜作天然或合成橡胶的补强填料, 而且胶料透明性明显不好。不过在生产过程中控制好反应合成工序, 防止包裹过多Na+ 的凝胶生成以及加强半成品浆料的漂洗, 钠盐含量可下降到0.5 %以下，这样的沉淀法白炭黑对胶料性能无甚影响。

纵观世界情况，硅化合物的新品种近些年来增加并不多，而对于无机硅化合物用途的开发则较为重视。从目前趋势看，白炭黑将会大量进入到轻工、食品、医药、建筑、电子、冶金、机械工业等许多领域，一定大有发展前途。

来源：网络，韧客团队组合

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