(中國粉體技術(shù)網(wǎng)/杜高翔)
一、白炭黑的主要用途
白炭黑（下稱(chēng)無(wú)定形二氧化硅）的主要成分是二氧化硅，由于其在制備的過(guò)程中反應速度很快而來(lái)不及結晶，為無(wú)定型狀態(tài)。由于白炭黑具有化學(xué)性質(zhì)穩定、比表面積大、吸附性強、顆粒為球狀等等特點(diǎn)，在橡膠、塑料、造紙、油墨、催化等各個(gè)領(lǐng)域中有著(zhù)廣泛的用途。
橡膠行業(yè)是無(wú)定型二氧化硅的主要應用領(lǐng)域，它可以提高橡膠的性能，從而可以代替部分碳黑。高檔超細和納米二氧化硅已經(jīng)在硅橡膠和特種功能橡膠中應用。由于添加到輪胎胎面中后可顯著(zhù)地降低輪胎滾動(dòng)阻力，增強其抗撕裂和抗切割性及強度、耐磨性，保持輪胎的抗冰和潤滑性，由此制得的輪胎被稱(chēng)之綠色輪胎。在輪胎橡膠工業(yè)中，白炭黑可以部分代替碳黑作為補強填料。輪胎中主要用于子午胎的帶束層中以增加鋼絲和膠料的粘著(zhù)力。白炭黑在載重子午線(xiàn)輪胎中主要用于胎面和鋼絲帶束層膠料中，與碳黑并用，可提高胎面的性能，是提高鋼絲與橡膠的粘合性能不可缺少的材料；在子午胎胎面膠配方中白炭黑和炭黑并用對硫化膠的定伸應力、拉伸強度、撕裂強度和抗割口增長(cháng)性均有積極的影響。
白炭黑與彈性體材料配合廣泛用于鞋底材料的制備，可提高鞋底的耐磨性、硬度、拉伸強度和撕裂強度。白炭黑在塑料中作為添加劑，同樣可以改善制品的一些性能。白炭黑加入聚氯乙稀中，用于生產(chǎn)高壓電線(xiàn)，能改善絕緣性能；在各種塑料薄膜中加入白炭黑，可以改變薄膜的表面性能，使薄膜易于張口，不會(huì )粘結；白炭黑還可以在多種樹(shù)脂中作光敏涂料的載體；此外，白炭黑還可作為不飽和樹(shù)脂的觸變劑等。
白炭黑用于控制印刷油墨的流量，還用于控制打印機油墨的流量，使它不能任意流動(dòng)或流掛，以獲得清晰的打??；氣相法白炭黑還在復印機和激光打印機的墨盒調色中用作分散劑和流量控制劑。
由于白炭黑的化學(xué)性質(zhì)穩定且在1000℃以上才能熔融，因此被廣泛的用作二氧化鈦、鎳等催化劑的載體，應用于催化加氫、光催化反應等等領(lǐng)域。國內外專(zhuān)家對無(wú)定型二氧化硅用作載體進(jìn)行了大量的實(shí)驗研究。
超細高比表面積二氧化硅和納米二氧化硅在硅橡膠、特種功能橡膠、電子信息材料、功能化纖材料、高級陶瓷和特種耐火材料、新型塑料材料、樹(shù)脂復合材料，彩色噴墨打印紙以及醫藥、農藥、精細化工等領(lǐng)域多有應用。目前國內生產(chǎn)無(wú)定型二氧化硅（白炭黑）的主要生產(chǎn)企業(yè)所生產(chǎn)的普通白炭黑，基本能滿(mǎn)足國內市場(chǎng)需求，亦有部分出口。但是，由于受到相對落后的傳統生產(chǎn)工藝和設備裝置限制，產(chǎn)品粒徑在100μm～10μm的范圍內，品種又少，1μm以下的超微細和納米粒級產(chǎn)品產(chǎn)量很小，而這一尺寸段的產(chǎn)品，正是改造相關(guān)產(chǎn)業(yè)傳統產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)高技術(shù)功能材料所急需的。目前，國內市場(chǎng)需要的高檔超細和納米二氧化硅主要靠進(jìn)口。
超細無(wú)定型二氧化硅在高檔涂料中可以作為消光劑使用。涂料行業(yè)是超細和納米二氧化硅的重要且有巨大潛力的應用領(lǐng)域?，F僅高級涂料，每年就需要超細和納米二氧化硅消光劑0.7萬(wàn)t。另外，在電子塑封材料、精細拋光材料、化學(xué)功能纖維、高級陶瓷、特種耐火材料、粘結劑、密封劑、日用化工等領(lǐng)域還有著(zhù)重要的應用。
由此可見(jiàn)，超細和納米二氧化硅,具有廣闊的市場(chǎng)空間，既可以滿(mǎn)足國內市場(chǎng)部分需要，也可以部分替代進(jìn)口產(chǎn)品。
二、白炭黑的制備
目前，國內外生產(chǎn)白炭黑的現行工藝已實(shí)現工業(yè)化的主要有兩種。一是以水玻璃為原料的沉淀法,二是以四氯化硅為原料的氣相法。
氣相法白炭黑的生產(chǎn)工藝主要為化學(xué)氣相沉積（CVD）法，該工藝又稱(chēng)熱解法、干法或燃燒法。其原料一般為四氯化硅、氧氣（或空氣）和氫氣，它們在高溫下反應而成。氣相法的優(yōu)點(diǎn)在于易控制反應條件，產(chǎn)品純度高，適合高純白炭黑的合成。其缺點(diǎn)是表面存在活性硅羥基、吸附水及制備工藝導致其表面出現酸區，使白炭黑呈親水性，在有機相中難以浸潤和分散，應用范圍小且產(chǎn)率低。
沉淀法制備白炭黑的傳統方法是硅酸鈉酸化法，即采用水玻璃溶液與酸反應，經(jīng)沉淀、過(guò)濾、洗滌、干燥和煅燒而得到沉淀白炭黑。近年來(lái)，國內外許多學(xué)者研究出了制備白炭黑的新方法，即以非金屬礦為硅源，采用沉淀法制備白炭黑。使用的酸一般為稀硫酸、鹽酸，少量使用碳酸。
徐峰等人以水玻璃和鹽酸為原料，對白炭黑的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了試驗研究。Liwei WANG等以水玻璃和鹽酸為原料，使用一種非離子型表面活性劑為分散劑制備了多孔無(wú)定型二氧化硅。所得樣品具有比表面積高達1000m2/g。但是樣品的比表面積隨著(zhù)表面活性劑的用量而變化。
用水玻璃和硫酸制備白炭黑，具有比鹽酸法成本低的特點(diǎn)。同時(shí)，鹽酸的強揮發(fā)性對工作環(huán)境的影響也使得人們較多的選擇使用硫酸作為沉淀劑。李國庭等人介紹了硫酸沉淀法制取高補強白炭黑的工藝過(guò)程，并以反應溫度、分散劑濃度、晶型控制劑、水玻璃濃度作為四個(gè)主要影響因素進(jìn)行正交試驗，得出了最佳工藝條件。經(jīng)對產(chǎn)品的物理性能檢測，產(chǎn)品的扯斷力達12.1MPa，遠遠超過(guò)了國內白炭黑產(chǎn)品的補強性能。
胡慶福等人開(kāi)發(fā)了CO2沉淀法制取高補強白炭黑的新工藝。該工藝以CO2混合氣體和水玻璃為原料，并在反應中引入助劑來(lái)控制白炭黑粒子的微觀(guān)結構。試驗對工藝條件進(jìn)行了探索，得出最佳實(shí)驗條件為：水玻璃濃度35g/L，反應溫度70℃，助劑量0.7%，反應時(shí)間60min。
在眾多的非金屬礦物中，有硅藻土、蛋白石等的主要成分是無(wú)定型的二氧化硅，而且一些硅酸鹽，如硅灰石、蛇紋石等在與酸進(jìn)行反應后的殘渣主要成分也是無(wú)定型二氧化硅。它們可以與強堿在低溫下進(jìn)行反應生成硅酸鈉。然后再在一定的條件下進(jìn)行二氧化硅的析出。這樣不僅具有成本低廉，而且可以開(kāi)發(fā)出非金屬礦物新的具有高附加值的用途。由于工業(yè)上所用硅酸鈉主要從石英與碳酸鈉的在高溫下（900℃左右）反應制得，不僅需要大量的燃料和能源，而且對環(huán)境造成危害。因此，使用非金屬礦生產(chǎn)白炭黑具有成本低和環(huán)保的特點(diǎn)。
近年來(lái)我國利用硅藻土、膨潤土、高嶺土、硅灰石等制取白炭黑都取得了一定的進(jìn)展。鄭水林等人近年來(lái)對利用硅藻土制備水玻璃以及進(jìn)一步生產(chǎn)高比表面積活性白炭黑進(jìn)行了較多的實(shí)驗研究，制備出了納米級高白度白炭黑。趙華文進(jìn)行了酸浸硅藻土制取白炭黑的研究。但是該工藝所得白炭黑白度、粒度、比表面積等都不高，不能作為高檔白炭黑使用。
在水玻璃與酸反應生成白炭黑的機理以及生成白炭黑的粒度與分散性控制方面，研究者進(jìn)行了大量的探索。
P.H.Bolt等使用小角度X－射線(xiàn)衍射儀對水玻璃與酸反應過(guò)程中反應體系中的二氧化硅的量、顆粒大小以及團聚狀態(tài)進(jìn)行了檢測。試驗采用每間隔5～10min取樣進(jìn)行分析的方法。實(shí)驗結果表明，在整個(gè)反應過(guò)程中，二氧化硅的顆粒大小幾乎不變，盡管反應初期生成的二氧化硅顆粒在長(cháng)大。另外，由于生成的二氧化硅顆粒在不斷發(fā)生團聚，體系中的二氧化硅的顆?？倲凳窃谥饾u減少。陳化處理對于提高白炭黑的分散性有著(zhù)重要的作用。
Teofil Jesionowski等對使用二氧化碳和硅酸鈉制備白炭黑并使用粒子阻隔劑提高二氧化硅產(chǎn)品分散性以及硅烷改性二氧化硅進(jìn)行了深入的研究。試驗中以甘油為阻隔劑，用量為水質(zhì)量的5.0%，制得高分散二氧化硅產(chǎn)品。反應后使用硅烷對白炭黑進(jìn)行了改性試驗，其中硅烷A-174的改性處理可以提高粉體的分散性并制得表面疏水的產(chǎn)品。通過(guò)使用近紅外光譜測定改性后樣品表面的硅烷基團的含量，并對產(chǎn)品進(jìn)行了zeta電位、原始粒徑分布、團聚顆粒粒徑分布及團聚顆粒形貌等分析，指出影響團聚狀態(tài)的主要因素是二氧化硅表面的電位。
綜上所述，白炭黑的制備過(guò)程中，一般使用鹽酸或者硫酸作為沉淀劑，以硫酸居多。在制備過(guò)程中，控制反應過(guò)程中的各個(gè)因素對于提高白炭黑產(chǎn)品的質(zhì)量非常重要。
白炭黑生產(chǎn)過(guò)程中，還存在低濃度無(wú)機鹽廢水的處理難題。由于低濃度鈉鹽或者銨鹽廢水處理成本較高，其環(huán)境保護問(wèn)題需要引起足夠的重視。
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