專利名稱：一種利用硫酸沉淀法制備高品質(zhì)的納米級(jí)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高品質(zhì)的納米級(jí)白炭黑的方法。
背景技術(shù)：
白炭黑是無(wú)定形態(tài)的輕質(zhì)二氧化硅粉體材料，擁有較大的比表面積、良好的電絕緣性、分散性、多孔性和吸附性等特性，同時(shí)又具有較好的補(bǔ)強(qiáng)、增稠作用，廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料、醫(yī)藥、電子、日用化工及催化劑等諸多行業(yè)。
白炭黑的制備方法有物理法和化學(xué)法兩大類。物理法生產(chǎn)過(guò)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)?；瘜W(xué)法通常包含沉淀法和氣相法兩類，氣相法白炭黑生產(chǎn)是采用高純度的四氯化硅為原料，在氫、氧混合氣燃燒生成水的高溫氣氛下(1200 Ieoo0C )水解，再經(jīng)過(guò)驟冷、聚集、脫酸等后處理工藝獲得，產(chǎn)品粒徑為納米級(jí)，純度較高， 是目前納米白炭黑的主要生產(chǎn)方法，但該法設(shè)備投資巨大、反應(yīng)工藝復(fù)雜、能耗高、產(chǎn)率低、 產(chǎn)品價(jià)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，多采用硅酸鈉或泡花堿與酸中和沉淀反應(yīng)的方法制備，產(chǎn)品常用于普通橡膠及硅橡膠等行業(yè)，該法設(shè)備投資較小、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、原材料價(jià)廉易得、產(chǎn)品收率及性價(jià)比較高，有利于規(guī)?；a(chǎn)，但該法生產(chǎn)過(guò)程中的原生粒子間的自聚較嚴(yán)重，顆粒大小不易控制，產(chǎn)品粒徑多數(shù)在數(shù)微米或數(shù)十微米以上并且粒徑大小差別較大，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的分散性能及對(duì)橡膠制品的補(bǔ)強(qiáng)性能。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(chǎng)對(duì)質(zhì)優(yōu)價(jià)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(kāi)發(fā)高品質(zhì)納米級(jí)白炭黑產(chǎn)品的制備新方法尤為重要。中國(guó)專利CN 102092721 A公開(kāi)了硫酸沉淀法制備納米級(jí)白炭黑的方法，是對(duì)傳統(tǒng)白炭黑生產(chǎn)工藝技術(shù)的創(chuàng)新，但該專利沒(méi)有公布或揭示聚乙二醇對(duì)硫酸法生產(chǎn)白炭黑的原生粒子間自聚行為的抑制及產(chǎn)品粒度分布等的影響，為此，在深入研究聚乙二醇對(duì)制備納米白炭黑生產(chǎn)工藝技術(shù)及規(guī)律的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)聚乙二醇的平均分子量不同(聚合度大小不同)， 不僅種類不同而且其許多方面的性能也存在較大差別，如水溶性、形成膠束粒子的大小、分散性、乳液穩(wěn)定性等等，對(duì)硫酸法生產(chǎn)納米級(jí)白炭黑產(chǎn)品的BET比表面積及粒度分布等影響較大，因此選擇合適的平均分子量的聚乙二醇對(duì)生產(chǎn)高品質(zhì)的納米級(jí)白炭黑具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種選擇合適平均分子量的聚乙二醇來(lái)利用硫酸沉淀法制備高品質(zhì)的納米級(jí)白炭黑的方法。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種利用硫酸沉淀法制備高品質(zhì)的納米級(jí)白炭黑的方法，包括以下述步驟
(I)在1000重量份濃度為5 15%的硅酸鈉溶液中加入I 50重量份的表面活CN 102910635 A書(shū)明說(shuō)2/4頁(yè)性劑和10 200重量份的助分散劑，充分?jǐn)嚢杈鶆虻没旌弦海?br> (2)將濃度為20 40%的硫酸加入步驟(I)制得的混合液中進(jìn)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(2)得到的沉淀物在60 90°C條件下陳化I 3h，然后壓濾得到濾餅；
(4)將步驟(3)中得到的濾餅進(jìn)行洗滌、在100 150°C條件下干燥2 4h，經(jīng)研磨即得納米級(jí)白炭黑；
其特征在于所述的表面活性劑為聚乙二醇(即PEG)，所述的PEG的平均分子量在 400 3000以內(nèi)，所述的PEG為PEG-400至PEG-3000以內(nèi)的任意一種。
為便于說(shuō)明問(wèn)題，本發(fā)明利用硫酸沉淀法制備高品質(zhì)的納米級(jí)白炭黑的方法以下均簡(jiǎn)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(guò)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(lái)制備納米級(jí)白炭黑。
本方法的化學(xué)反應(yīng)如下
Na4Si04+2H2S04 — 4Na.+2S0廣+H4SiO4 I
nH4Si04— (SiO2) η I +2ηΗ20
在上述化學(xué)反應(yīng)中，硅酸分子的自聚過(guò)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(jí)白炭黑的關(guān)鍵技術(shù)在于硅酸分子自聚過(guò)程的調(diào)控及產(chǎn)品聚合度的控制。
本方法在硫酸沉淀法制備納米級(jí)白炭黑的基礎(chǔ)上選擇使用合適的聚乙二醇作為表面活性劑；平均分子量在400 3000的PEG能更有效地將體系中硅酸根離子和水解反應(yīng)生成的硅酸分子及時(shí)分散，以及減少硅酸分子之間的自聚幾率，降低了硅酸分子形成膠團(tuán)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(jí)白炭黑產(chǎn)品。
PEG屬于非離子表面活性劑，其分子式為H— (O—CH2-CH2)n—OH，其中的橋氧原子一O—具有親水性能，一CH2- CH2—具有疏水性能，PEG常以簇團(tuán)狀膠束粒子的形式存在并分散于水溶液中。PEG的聚合度不同其平均分子量大小不同，所形成的聚合物分子鏈的長(zhǎng)短也不一樣。
在對(duì)硫酸沉淀法制備白炭黑的系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)不同聚合度的PEG分子的平均分子量的大小不同在水溶液中所形成的膠束粒子的徑粒大小，乳液分散體系的穩(wěn)定性及分散效果均存在顯著差異。另外，在硫酸沉淀法制備白炭黑的反應(yīng)過(guò)程中，隨著硫酸的不斷加入，使原反應(yīng)體系中的硅酸根離子不斷水解并以硅酸分子沉淀析出，這些析出的原生粒子 (即硅酸分子)一方面會(huì)被PEG膠束表面的親水性基團(tuán)所吸附；另一方面，部分非離子型表面活性劑的PEG分子也會(huì)對(duì)原生粒子進(jìn)行及時(shí)覆蓋或包裹，形成PEG有機(jī)高分子膜包覆的“新膠束粒子”，這些“新膠束粒子”彼此間受到PEG有機(jī)高分子膜的屏蔽作用使Zeta電位明顯降低，產(chǎn)生了空間位阻效應(yīng)，使“新膠束粒子”在反應(yīng)體系中彼此互斥，從而處于較穩(wěn)定的均勻分散狀態(tài)。上述兩方面的作用使反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的硅酸分子彼此間的聚沉和團(tuán)聚幾率顯著降低。
基于上述發(fā)現(xiàn)，在對(duì)PEG表面活性劑的影響因素和作用機(jī)制等問(wèn)題進(jìn)行深入探討的基礎(chǔ)上，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化硫酸沉淀法生產(chǎn)工藝技術(shù)形成了本方法，制備出了高品質(zhì)的納米4級(jí)白炭黑產(chǎn)品。
本方法制備的納米級(jí)白炭黑與普通沉淀法制得的白炭黑產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)照表參見(jiàn)表 I。
表I :本方法制備的納米級(jí)白炭黑及普通沉淀法制備的白炭黑產(chǎn)品指標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種利用硫酸沉淀法制備高品質(zhì)的納米級(jí)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I 50重量份的表面活性劑和10 200重量份的助分散劑，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(I)制得的混合液中進(jìn)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(2)得到的沉淀物在60 90°C條件下陳化I 3h，然后壓濾得到濾餅；(4)將步驟(3)中得到的濾餅進(jìn)行洗滌、在100 150°C條件下干燥2 4h，經(jīng)研磨即得納米級(jí)白炭黑；其特征在于所述的表面活性劑為PEG，所述的PEG的平均分子量在40(Γ3000之間，所述的PEG為PEG-400至PEG-3000中的任意一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用硫酸沉淀法制備高品質(zhì)的納米級(jí)白炭黑的方法，其特征在于所述的聚乙二醇優(yōu)選為PEG-800至PEG-2000內(nèi)的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用硫酸沉淀法制備高品質(zhì)的納米級(jí)白炭黑的方法，涉及化工領(lǐng)域白炭黑的制備，方法是以硅酸鈉為原料，利用硫酸為沉淀劑，通過(guò)平均分子量在400～3000之間的PEG作為表面活性劑與助分散劑調(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(jí)白炭黑。本方法具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)出的納米級(jí)白炭黑品質(zhì)高。
文檔編號(hào)C01B33/12GK102910635SQ201210393219
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者陳君華, 劉寧, 郭雨, 程年壽, 郭騰, 章毛連, 周麗, 楊萬(wàn)科 申請(qǐng)人:安徽科技學(xué)院