專利名稱：硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工領(lǐng)域白炭黑的制備，特別是涉及一種利用硫酸沉淀法制備納米級 白炭黑的方法。
背景技術(shù)：
白炭黑是無定形態(tài)的輕質(zhì)二氧化硅粉體材料，具有很大的比表面積，具有良好的 電絕緣性、多孔性和吸水性，較好的補強、增稠作用以及良好的分散、懸浮和振動液化特性， 廣泛應(yīng)用于橡膠、硅橡膠、催化劑載體、塑料、涂料、醫(yī)藥、電子、日用化工等諸多行業(yè)。白炭黑的制備方法主要有物理法和化學(xué)法兩大類。物理法生產(chǎn)過程中易引入雜 質(zhì)，產(chǎn)品粒徑大多在數(shù)百或數(shù)十微米以上，檔次不高，難以滿足工業(yè)需求，因此，工業(yè)生產(chǎn)中 所用的白炭黑主要采用化學(xué)法生產(chǎn)。沉淀法和氣相法是白炭黑生產(chǎn)上常用的化學(xué)法。氣相 法是以四氯化硅為原料，在氫、氧混合氣燃燒生成水的高溫(1200 1600°C )下水解，然后 經(jīng)過驟冷、聚集、脫酸等后處理工藝獲得，該法生產(chǎn)的產(chǎn)品粒徑為納米級，純度較高，是目前 納米白炭黑的生產(chǎn)方法，但該法具有設(shè)備投資巨大、反應(yīng)工藝復(fù)雜、能耗高、產(chǎn)率低的缺點， 且產(chǎn)品價格昂貴，僅使用于極少數(shù)特殊行業(yè)。沉淀法是當(dāng)今生產(chǎn)白炭黑的主流方法，多采用 硅酸鈉與硫酸中和沉淀反應(yīng)的方法來制備，產(chǎn)品常用于普通橡膠及硅橡膠等行業(yè)，該法具 有設(shè)備投資較小、生產(chǎn)工藝簡單、原材料價廉易得、產(chǎn)品收率及性價比較高的優(yōu)點，有利于 擴大再生產(chǎn)，但該法生產(chǎn)過程中的原生粒子間的自聚問題較嚴(yán)重，顆粒大小不易控制，產(chǎn)品 的粒徑較大，約數(shù)微米或數(shù)十微米，分散性能及對橡膠的補強性能等受到較大影響。為提高 白炭黑產(chǎn)品性能，拓展產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，滿足市場對質(zhì)優(yōu)價廉白炭黑產(chǎn)品的旺盛需求，立足 傳統(tǒng)沉淀法生產(chǎn)工藝開發(fā)納米級白炭黑產(chǎn)品的制備新方法顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種制備納米級白炭黑的方法，且生產(chǎn)工藝簡 單、成本低廉。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法，包括下 述步驟(1)在1000重量份濃度為5 15%的硅酸鈉溶液中加入表面活性劑和助分散劑， 充分?jǐn)嚢杈鶆虻没旌弦海?2)將濃度為20 40%的硫酸加入步驟(1)制得的混合液中進行反應(yīng)，并持續(xù)攪 拌至反應(yīng)體系的PH值為4 9，得到沉淀物；(3)將步驟( 得到的沉淀物在60 90°C條件下陳化1 3h，然后壓濾得到濾 餅；(4)將步驟(3)中得到的濾餅進行洗滌、在100 150°C條件下干燥2 4h，經(jīng)研 磨即得納米級白炭黑。為簡潔說明問題起見，本發(fā)明硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法以下均簡稱為本方法。本方法是以硅酸鈉為原料，利用硫酸為沉淀劑，通過表面活性劑和助分散劑調(diào)控 硅酸根的水解速率與硅酸分子的聚合度來制備納米白炭黑。本方法的化學(xué)反應(yīng)如下Na4Si04+2H2S04 ^ 4Na++2SO42^H4SiO4 Iη H4SiO4 — (SiO2)n I +2η H2O在上述化學(xué)反應(yīng)中，硅酸分子的自聚過程和聚合度決定了白炭黑產(chǎn)品的粒度大小 和質(zhì)量。制備納米級白炭黑的關(guān)鍵技術(shù)在于硅酸分子自聚過程的調(diào)控及產(chǎn)品聚合度的控 制。硅酸分子的自聚機理在硫酸沉淀法制備白炭黑的過程中，對硅酸根的水解速率 及硅酸分子的自聚有很多復(fù)雜因素相互作用。從目前研究情況分析，主要與溶液PH值、硅 酸根離子的濃度與活度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、攪拌作用、表面活性劑及助分散劑等因素有 關(guān)。反應(yīng)體系的PH越有利于硅酸根水解、硅酸根離子濃度及活度越大、反應(yīng)溫度越高及時 間越長，硅酸根離子水解成硅酸分子的速度越快，硅酸分子彼此間碰撞的幾率越大，發(fā)生自 聚的速度越快，聚合度也就越大，形成的白炭黑粒子粒徑就越大，產(chǎn)品性能就較差；然而，通 過采用機械攪拌、添加合適的表面活性劑及助分散劑等措施，則有利于體系中硅酸分子的 分散，減少硅酸分子彼此間自聚的幾率，使形成的白炭黑粒子粒徑大大減小，從而顯著提高 產(chǎn)品性能。本方法是在普通硫酸沉淀法的基礎(chǔ)上引入適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┖椭稚?，同時， 通過調(diào)控體系PH值、反應(yīng)溫度及時間等工藝條件，一方面有效控制反應(yīng)體系中硅酸根離子 水解速率及體系中硅酸分子的相對含量；另一方面，利用機械攪拌的剪切作用和表面活性 劑、助分散劑與反應(yīng)中的分子、離子彼此之間的物理化學(xué)作用，將體系中硅酸根離子及水解 反應(yīng)生成的硅酸分子及時分散，極大地減少了硅酸分子之間的自聚幾率，降低了硅酸分子 形成膠團狀粒子的聚合度，達(dá)到調(diào)控沉淀粒子尺度的目的，從而制備出高品質(zhì)的納米級白 炭漂廣品。本方法制備的納米級白炭黑與普通沉淀法制得的白炭黑產(chǎn)品指標(biāo)對照表參見表 1。由表1可以看出，本方法制得的白炭黑屬高品質(zhì)納米級白炭黑，且本方法的生產(chǎn) 工藝簡單，不需要特殊的生產(chǎn)設(shè)備。表 權(quán)利要求
1.一種硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法，包括下述步驟(1)在1000重量份濃度為5 15%的硅酸鈉溶液中加入表面活性劑和助分散劑，充分 攪拌均勻得混合液；(2)將濃度為20 40%的硫酸加入步驟(1)制得的混合液中進行反應(yīng)，并持續(xù)攪拌至 反應(yīng)體系的PH值為4 9，得到沉淀物；(3)將步驟( 得到的沉淀物在60 90°C條件下陳化1 池，然后壓濾得到濾餅；(4)將步驟(3)中得到的濾餅進行洗滌、在100 150°C條件下干燥2 4h，經(jīng)研磨即 得納米級白炭黑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法，其特征在于所述表 面活性劑為1 50重量份的烷基苯磺酸鹽或聚合醇類。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法，其特征在于所述助 分散劑為10 200重量份的有機小分子酮類或有機小分子醇類。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法，其特征在于所述烷 基苯磺酸鹽表面活性劑為十二烷基苯磺酸鈉。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法，其特征在于所述聚 合醇類表面活性劑為聚乙二醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法，其特征在于所述有 機小分子酮類助分散劑為丙酮。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法，其特征在于所述有 機小分子醇類助分散劑為乙醇。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述的硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法，其特征在于 所述步驟⑵中攪拌的速度為120 360轉(zhuǎn)/分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述的硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法，其特征在于 所述步驟(4)中對濾餅進行的洗滌為去離子水洗滌3 7次。
全文摘要
本發(fā)明提供一種硫酸沉淀法制備納米級白炭黑的方法，是以硅酸鈉為原料，利用硫酸為沉淀劑，通過表面活性劑和助分散劑調(diào)控硅酸根的水解速率與硅酸分子的聚合度制備高品質(zhì)的納米級白炭黑。本方法具有生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉的優(yōu)點。
文檔編號C01B33/12GK102092721SQ20101056031
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者周川成, 周揚, 周鑫, 郭雨, 陳君華 申請人:陳君華