白炭黑的制備方法及其研究

朱曉輝，張 憶，張周赫，靳桂姻

（北京航天賽德科技發展有限公司， 河北 涿州 072761）

0 引言

白炭黑俗稱水合二氧化硅，是無機硅化物的主要產品之一，應用廣泛，已應用于食品、藥品、農藥、飼料、牙膏、化妝品、涂料、塑料、造紙等行業?，F有制備白炭黑的方法很多，主要有氣相法和沉淀法[1-2]。此外，也有以硅灰石、稻殼等為原料制備沉淀法白炭黑[3-5]。然而高質量的白炭黑一直很匱乏，尤其是高吸油、高分散性的白炭黑。

本實驗采用價格低廉的材料作為原材料，通過溶膠-凝膠沉淀法制備的白炭黑，合成過程控制其pH值、溫度及其原材料濃度，獲得成本低，吸油大的白炭黑成品的方法，可供參考。

1 實驗背景

1.1 氣相法

氣相法是目前發達國家工業化生產納米級白炭黑的主要方法。工藝過程為：經過氣化的四氯化硅與氫、氧組成的均相氣體混合在水解爐中，進行高溫水解反應，再經過脫酸爐的脫酸處理，即可得到超細白炭黑。此法得到的白炭黑性能優異，但成本很高，技術控制也比較復雜。

1.2 沉淀法

沉淀法又分為直接沉淀法和溶膠-凝膠沉淀法。

直接沉淀法是將硅酸鹽溶液與無機酸直接進行混合，通過中和反應沉淀析出水合二氧化硅，再經過洗滌、干燥得到成品二氧化硅。此法制得的白炭黑粒度、粒徑分布、孔隙度等性質較難控制，但生產成本低，可以制備出中、低質量的白炭黑產品。

溶膠-凝膠法分為兩步，第一步先制備出溶膠晶種，再進行合成長大，與直接沉淀法的粒子行為是不同的，關鍵一點在于兩者的合成長大所處的pH環境不同，從而影響粒子的聚合行為。此法如果控制得當，可制備出高、中質量的白炭黑，缺點就是反應過程較難控制。

2 實驗

2.1 試劑及器材

硅酸鈉溶液（工業級），稀硫酸（工業級），三口燒瓶，電動攪拌器，電熱鼓風干燥箱，電加熱套。

2.2 鄰苯二甲酸二丁醋（DBP）吸收值的測定

參照國家化工行業標準。

2.3 實驗步驟

實驗步驟：首先往三口燒瓶中加入一定量的稀硅酸鈉溶液，之后加入一定量的助劑。在攪拌狀態下升溫到T1，再緩慢加入稀硫酸，待溶液pH值為8.5～10.5時，停止加酸。再升溫至T2，同時加入稀硅酸鈉溶液與稀硫酸，控制好速度，保持體系pH值在7.5～9.5之間，反應一定量后停止加入。然后再酸化pH值在4左右時，反應完成，之后，經過洗滌、干燥得到白炭黑產品。

本文從原料濃度，反應溫度，pH值，助劑選擇四個方面進行了多次試驗，最后確定了最佳實驗方案。

2.4 實驗結果

2.4.1 硅酸鈉溶液與硫酸溶液的濃度

硅酸鈉溶液與硫酸溶液的濃度直接影響反應速度。濃堿與濃酸的反應與快速加入稀酸、稀堿反應現象是不一樣的，前者比后者更易形成硬膠塊，甚至結構緊密的、難以分散的固體塊。濃度太大，反應劇烈，短時間內凝聚，形成硬塊；濃度太低的話，一方面反應時間長，另一方面孔結構不易穩定。

本實驗首先假設T1，T2均為60℃，pH值為9，不加助劑進行的反應，其結果如表1。

表1 原材料濃度對水孔吸油的影響

由表1可以看出，在硅酸鈉濃度在10%，硫酸濃度在40%時，孔容和吸油值相對較大。

2.4.2 晶種反應溫度T1與合成反應溫度T2

晶種反應溫度T1與合成反應溫度T2的大小直接影響晶種質量的好壞和產品的優劣。反應溫度如果過低，則晶種反應過程中凝膠速度占主動，易形成凝膠小塊，雖然孔徑很大，但不夠分散，不能應用于橡膠等材料的補強作用，對合成反應也是如此。如果溫度過高，雖然不易成膠，但卻容易導致孔結構破壞，形成的產品雖然分散性好，其結構卻比較致密，吸油量小，這樣的產品應用效果亦不佳。本實驗在不加助劑，pH值為9的情況下，設計以下組合試驗，如表2所示。

由表2數據可以看出，當T1和T2都是85℃時，孔容和吸油有相對最大值。

表2 溫度對孔容和吸油的影響

2.4.3 合成過程的pH值

pH值對反應的影響歸根結底是H+和OH-對二氧化硅粒子成長的影響。由于二氧化硅粒子的表面存在大量羥基，會與體系中的H+和OH-存在電子效應。如果粒子表面吸附大量H+，則同性相斥，不利于粒子成長與孔結構形成；如果粒子表面吸附大量OH-，則OH-之間雖然也存在相斥作用，但也存在更強勁的氫鍵作用。

本實驗設計以下三組實驗，在不加助劑的條件下反應，通過調整pH值的大小，獲得以下實驗數據，如表3所示。

表3 不同pH值對孔容、吸油值的影響

由表3可以看出，當酸堿同時加維持pH值為9時，能夠得到較大的孔容和吸油值。

2.4.4 助劑選擇

助劑的選擇主要考慮兩個作用。第一個促進分散，防止過程出現局部凝膠小塊，影響晶種質量。第二個作用是減小孔結構的破壞，有固孔作用。本實驗分別加入了醇類A（低鏈醇）、醇類B（聚合醇）、和無機鹽C。

表4 助劑對孔容、吸油值的影響

從表4中可以看出，當在反應體系中加入某低鏈醇A時，能夠制作出水孔和吸油較高的產品。

3 結果與討論

白炭黑的制備，尤其是高吸油白炭黑的制備受多種因素影響，包括反應物濃度，反應溫度，pH值，助劑等。本實驗從這幾個方面進行了變量實驗，試驗結果如表5所示。從實驗結果看，硅酸鈉濃度為10%，硫酸濃度為40%，反應溫度為85℃，控制pH值為9，所加助劑為某低鏈醇A為最佳制備方案。

表5 最佳方案平行實驗

白炭黑的制備過程及機理很復雜，既要防止凝聚，又不能因為太過分散而導致孔結構不穩固，二氧化硅粒子的團聚與生長控制是關鍵所在。此外，白炭黑的制備除受以上因素影響外，還和工藝設計，干燥方式等有直接關系，因此，尋找合適的制備工藝，制備出高質量、低成本的白炭黑，是眾多同行的共同研究目標。

[1] 全國無機鹽信息總站.國內白炭黑技術進展 [J].硅鋁化合物， 2000，（1）：1-4.

[2] 寧延生.我國沉淀二氧化硅生產技術 [J].無機鹽工業，1999， （2）：26-27.

[3] 劉桓權，孫時知，于欣偉.由稻殼發電剩余物-稻殼灰生產白炭黑研究[J].工業， 2000， 32（5）：41-44.

[4] 李炳炎.白炭黑生產應用現狀和趨勢 [J].無機鹽工業，2000， 32（6）：26-28.

[5] 吳勝利.氣相法白炭黑工業現狀與展望 [J].中國化工信息， 1999， （25）：8.