气相法白炭黑的表面改性

刘莉 段先健(广州吉必盛科技实业有限公司，广州)

气相法白炭黑(学名气相二氧化硅)是一种白色、无定形的无机超微颗粒，通常是利用氯硅烷在氢氧焰中高温水解制得。气相法白炭黑的特殊结构使其产生很高的表面活性和强烈的成键趋向，可广泛应用于硅橡胶、胶粘剂、油漆、涂料、油墨、纸张、化妆品、医药、航空、食品等领域，起到补强、增稠、触变、消光、防流挂、吸附和杀菌等作用，是国家高技术领域和国防工业急需的、必不可少的原材料。但另一方面，气相法白炭黑表面含有大量的羟基等极性基团，使原生粒子之间极易相互碰撞而聚集在一起，形成微米级的二氧化硅二次聚集体，二次聚集体之间进一步相互作用，形成尺寸较大的二氧化硅附聚体。这就影响了气相法白炭黑在有机聚合物中的分散性、相溶性以及其特殊性能的发挥，甚至导致在某些有特殊要求的领域中无法使用。因此常常需要对其进行表面改性，以拓宽气相法白炭黑的应用领域。表面改性就是使二氧化硅粒子表面的活性羟基与有机化合物发生缩合反应而在二氧化硅表面覆盖一层有机分子，使二氧化硅表面由亲水性变为疏水性，从而改善二氧化硅与有机物分子之间的浸润性、分散性、界面结合强度，提高材料的综合性能和产品的附加值。

1气相法白炭黑的改性方法

气相法白炭黑的表面改性方法早期主要是采用间歇式处理工艺，也叫湿法处理，其主要有两种方法，一是将干燥的白炭黑与改性剂及有机溶剂(苯、甲苯等)组成的溶液一起加热煮沸，回流反应，然后干燥。二是将干燥的白炭黑配制成溶液浆料，加入水溶性有机溶剂如醇类或表面活性剂等，然后加入改性剂进行有机硅烷化反应。

湿法处理的特点是工艺简单，容易控制，但是效率低，表面处理剂浪费大，而且在处理过程中需要加入有机溶剂，后处理中容易造成污染。目前世界多数采用干法处理工艺，它是采用干燥的白炭黑与处理剂蒸汽在固定的反应器或流化床反应器中于高温条件下接触反应。其特点是工艺比较复杂，控制比较困难，但是它容易与生产装置相连接，易于实现工业化连续生产。气相法白炭黑的表面处理水平代表着这个国家气相法白炭黑工业的水平，目前国际上气相法白炭黑表面处理是朝着连续、可控、节能、高效、环保方向发展，其中代表公司是Wacker、Degussa等公司。它们都采用连续化在线表面处理：在气相法白炭黑的生产过程中引入表面处理剂，直接出来的就是表面处理型产品。这种工艺的特点处理效率高，产品处理均匀而反应尾气循环利用，没有环境污染。目前世界发达国家采用的气相法白炭黑表面处理典型的工艺流程如下：

2气相法白炭黑的改性机理

表面处理的目的就是利用有机物与硅羟基反应，把有机基团以化学键连接到气相法白炭黑表面，从而使气相法白炭黑表面呈现永久的疏水性质，经过表面处理后，降低了气相法白炭黑的表面硅羟基数量，提高了其与有机物的相容性以及分散性。理论上只要能够与硅羟基反应的物质都可以用作气相法白炭黑的表面处理剂，工业上常用的是有机硅烷(二甲基二氯硅烷、八甲基环四硅氧烷、三甲基氯烷，有机硅氧烷、有机硅氮烷和有机卤硅烷等)，胺类化合物和醇类化合物。其原理如下：

3疏水气相法白炭黑的应用

气相法白炭黑经过表面处理后，大大拓宽了其应用领域，提高了它与有机物的相容性以及它与有机物的相互作用力，因而可以大大提高材料的性能。而且还可以根据应用需要，选择合适的表面处理剂对气相法白炭黑进行表面处理，因而增强了气相法白炭黑的功能性、可设计性。表1给出了一些疏水气相法白炭黑主要物性及其应用领域。