胡庆福 李国庭 王金阁 刘鸿雁(河北科技大学,石家庄050018)
摘要 以CO2混合气体和水玻璃为原料,在助剂作用下,采用CO2沉淀法制取高补强白炭黑,并得到其最佳工艺条件为水
玻璃浓度35g/L,反应温度70℃,助剂质量分数为0.7%,反应时间60min。对使用该白炭黑补强后的橡胶样品物理性能检测显示,此样品的扯断力达到12.3MPa。
关键词 CO2,水玻璃,白炭黑,补强
白炭黑是由非金属矿石英砂开发出的重要无机 精细化工产品,是继炭黑之后的又一种优良补强填 料,是橡料、塑料、造纸、染料、农药、油墨等行业不可
缺少的补强剂及添加剂。目前国内外生产白炭黑的主要原料是石英砂、纯碱、硫酸,其工艺路线是首先 采用燃油或煤在高温条件下,将石英砂与纯碱加热 至熔融反应制得固体水玻璃,再经蒸汽溶解制得液
体水玻璃。然后在一定条件下,再由液体水玻璃与酸反应制得白炭黑。该方法具有产品质量较高,生 产成本低等特点,是国内外刚刚兴起即被广泛采用 的一种方法。根据国内外白炭黑生产状况[1],为了减少无机 酸的消耗,同时考虑到环保需要,以含CO2混合气代 替无机强酸,同时围绕着解决提高白炭黑的补强性
的问题,通过在反应中引入助剂等手段来控制白炭黑粒子的微观结构,以提高白炭黑在橡胶中补强 性[2]。
1 实验方法及工艺流程
1·1 新工艺理论基础
水玻璃水溶液同含CO2混合气体进行吸收反应 生成白炭黑,属于气-液-固三相反应体系,反应过程 的优劣不仅与化学反应动力学有关而且也取决于传
质过程,即与反应器型式、搅动强弱、气-液接触表面,以及物料物性等有关。据文献报道[3],一般认为 碳化反应如下:
上述反应式仅为示意式,实际情况下不会如此 简单。水玻璃溶液同时具有溶液和胶体性质,它的 胶体性质对它与其他物质反应、中间物质和最终产
物都有很大影响。水玻璃是一种混合物,其中包括碱金属硅酸盐、无定型二氧化硅、水合物和氢氧化 物,反应过程无疑是复杂的。
1·2 工艺流程
工业水玻璃经加水调浓,过滤精制后,将精制的 一定量稀水玻璃加入配料槽中,再加入助剂进行配 料,然后用泵将其打入到碳化塔中,并向塔中通入含
CO2混合气体时进行碳化反应,尾气由塔顶放空。碳化反应完成后的浆液自塔底放入储槽,经离心机 脱水,再水洗、陈化、离心甩干后,将滤饼放入烘箱中
干燥,筛粉后即可制得白炭黑产品。工艺流程见图1。
1·3 实验步骤
(1)工业水玻璃精制
工业水玻璃是制取白炭黑的主要原料,由于工 业水玻璃产品中含有大量的固体沉淀物,为保证制 得高补强白炭黑制品,必须进行精制工业水玻璃。
其精制的方法是将购置的40°Be′浓水玻璃按1∶1(质量比)加入80~90℃热水,沉淀24 h,取其上层透明 清液待用。
(2)配液反应
首先在反应器中加入计量的稀水玻璃清液,再 加入助剂,搅拌混合均匀,当达到预定温度时,将其 导入到碳化塔中,并向碳化塔中通入CO2气进行碳
化反应,反应至体系pH为8·5左右,停止通气,结束反应。
(3)过滤、水洗
利用SH-240(直径240mm)实验用小型离心机, 将反应得到的沉淀物与溶液进行分离,并用清水不 断地洗涤滤饼,直至达到要求为止。
(4)陈化
为了保证产品粒度均匀及一定pH值,将洗涤 后的滤饼重新打浆陈化1~2 h后,再离心脱水、洗 涤至要求指标。
(5)干燥
将离心甩干的滤饼在150℃下烘箱中烘干,控 制产品中的水分,使成品加热减量为4·0%~8·0%。
(6)筛粉
为了使白炭黑在橡胶、塑料等固体中易于分散 均匀,需要将白炭黑滤饼粉碎过筛。本实验的样品 为过325目筛的高补强白炭黑产品。
2 结果与讨论
2·1 反应条件的确定
在查阅大量有关白炭黑资料的基础上进行了探 索实验,将助剂品种及加入量、水玻璃的浓度、反应 温度、反应时间、反应终止时的pH值、水洗条件、干
燥温度等条件对白炭黑质量的影响进行了探索,最后选用反应温度、助剂量、水玻璃的浓度、反应时间 等4个因素为主要影响因素进行正交试验设计,各 因素均选取3个位级,采用L9(34)正交表进行正交
试验,各因素及位级安排见表1。
经过正交实验和极差分析可知,反应温度是影 响白炭黑质量及其补强性的主要因素,水玻璃浓度、 反应时间对白炭黑质量及其补强性的影响居次要地
位。由此确定的最佳实验条件为:水玻璃质量浓度35 g/L,反应温度70℃,助剂质量分数0·7%,反应时 间60 min,按此最佳实验条件进行了多次重复试验,
均得到了理想的高补强的白炭黑产品,这说明该反应条件合理,试验重复性好,产品质量稳定。
2·2 产品的化学指标
在最佳反应条件下得到的实验产品经有关单位 检测,各项指标均达到了国家标准要求,化验结果详 见表2。
2·3 产品的微观结构
将实验得到的样品,放在烧杯中用水溶解,再经 超声波乳化后,然后放在透射电子显微镜下观察,得 到它的晶型及粒径放大10万倍的显微照片。测得
产品的平均粒径为20nm,其结构为葡萄状球形结 构。
2·4 产品物理性能测试指标
补强橡胶的样品,经石家庄市长征胶鞋厂压样 测试,其物理性能测试结果如表3。
3 结论
通过对工艺条件的探索,得到了以CO2混合气 体和工业水玻璃为原料,采用碳化法,生产高补强白 炭黑新工艺的最佳工艺条件,在此条件下制得的白
炭黑产品其化学指标达到了有关国家标准的要求;产品的微观结构为葡萄状球形结构,粒径约为20 nm;其补强橡胶物理测试指标的扯断强度达到了 12·3 MPa,远超过了国内较好厂家要求的白炭黑产
品的补强性。该工艺开辟了一条新的原料及工艺路线,可以 充分利用各类含CO2的废气为原料,生产高补强白 炭黑产品,具有生产成本低、产品补强性好、经济合
理、环境效益与社会效益显著等优点。
参考文献
1 宁延生.我国沉淀二氧化硅生产技术.无机盐工业,1999(2):26~ 27
2 胡庆福等.喷雾碳化法生产透明白炭黑新工艺研究.无机盐工业, 1997(6):31~33
3 樊俊秀.碳化法生产白炭黑的工程分析.无机盐工业,1986(2):12 ~15
