白炭黑及其應(yīng)用講解

白炭黑白炭黑是白色粉末狀X-射線無定形硅酸和硅酸鹽產(chǎn)品的總稱，主要是指沉淀二氧化硅、氣相二氧化硅、超細二氧化硅凝膠和氣凝膠，也包括粉末狀合成硅酸鋁和硅酸鈣等。白炭黑是多孔性物質(zhì)，其組成可用SiO2?nH2O表示，其中nH2O是以表面羥基的形式存在。能溶于苛性堿和氫氟酸，不溶于水、溶劑和酸（氫氟酸除外）。耐高溫、不燃、無味、無嗅、具有很好的電絕緣性。目錄［隱藏］1基本信息2物化性質(zhì)3成分4制備1.4.1新方法5用途1.5.1橡膠制品農(nóng)業(yè)化學(xué)制品日用化工制品膠結(jié)劑抗結(jié)塊劑造紙?zhí)盍?氣相應(yīng)用電子封裝材料樹脂復(fù)合材料塑料涂料橡膠顏（染）料陶瓷密封膠、粘結(jié)劑玻璃鋼制品6.10 藥物載體6.11 化妝品6.12 抗菌材料6.13 其它白炭黑-基本信息中文名稱：白炭黑圖中文別名：白炭黑（燃燒法））；氣相白炭黑;造粒白炭黑;藥用級白炭黑;GH-7型白炭黑;GH-1A型白炭黑;GH-1B型白炭黑;水合二氧化硅；白碳黑；白煙;沉淀水合二氧化硅;純?nèi)槟z;膠體二氧化硅;沉淀二氧化硅英文名稱：Whitecarbonblack英文別名：whitecarbon;Whitecarbonblack,combustionmethod;PelletedHydratedSilica;HydratedSilica;Silicondioxidehydrate;Silica,hydrate;SILICA;Precipitatedsilica;CAS號：10279-57-9EINECS號：238-878-4分子式：SiO2.x（H2O）白炭黑-物化性質(zhì)熔點：1610°C（lit.）沸點：>100°C（lit.）密度：2.6g/mLat25°C（lit.）折射率：n20/D1.544（lit.）儲存條件：2-8°Cformtablets（~0.5geach）白炭黑-成分白炭黑按生產(chǎn)方法大體分為沉淀法白炭黑和氣相法白炭黑。氣相法白炭黑常態(tài)下為白色無定形絮狀半透明固體膠狀納米粒子（粒徑小于100nm），無毒，有巨大的比表面積。氣相法白炭黑全部是納米二氧化硅，產(chǎn)品純度可達99%，粒徑可達10~20nm，但制備工藝復(fù)雜，價格昂貴；沉淀法白炭黑又分為傳統(tǒng)沉淀法白炭黑和特殊沉淀法白炭黑，前者是指以硫酸、鹽酸、CO2與水玻璃為基本原料生產(chǎn)的二氧化硅，后者是指采用超重力技術(shù)、溶膠-凝膠法、化學(xué)晶體法、二次結(jié)晶法或反相膠束微乳液法等特殊方法生產(chǎn)的二氧化硅。沉淀白炭黑主要用作天然橡膠和合成橡膠的補強劑、牙膏摩擦劑等。氣相白炭黑主要用作硅橡膠的補強劑、涂料和不飽和樹脂增稠劑，超細二氧化硅凝膠和氣凝膠主要用作涂料消光劑、增稠劑、塑料薄膜開口劑等。白炭黑作為一種環(huán)保、性能優(yōu)異的助劑，主要用于橡膠制品（包括高溫硫化硅橡膠）、紡織、造紙、農(nóng)藥、食品添加劑領(lǐng)域。從白炭黑2004-2008年這四年產(chǎn)量的增速來看，四年復(fù)合增長率13.3%。2009年我國共有白炭黑生產(chǎn)企業(yè)超過60家，產(chǎn)能約100萬噸，產(chǎn)量75萬噸，中國產(chǎn)銷量居全球首位。得益于輪胎制造業(yè)、硅橡膠產(chǎn)業(yè)、涂料工業(yè)、新能源等領(lǐng)域的需求增長，預(yù)計未來我國沉淀法白炭黑（二氧化硅）的年均需求增長速度約為10%。2015年，亞洲將成為高分散白炭黑最大市場，其需求增速將遠高于全球平均9%的增速，達到15%或更高。中國占亞洲市場的40%，將成為全球最大的單一市場。白炭黑-制備制備白炭黑的傳統(tǒng)方法是利用硅酸鈉、四氯化硅、正硅酸乙酯做硅源，除硅酸鈉以外，其它成本都很高。新方法采用廉價的非金屬礦作為硅源，大大降低了白炭黑的生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)方法（1）氣相法主要為化學(xué)氣相沉積（CAV）法，又稱熱解法、干法或燃燒法。其原料一般為四氯化硅、氧氣（或空氣）和氫氣，高溫下反應(yīng)而成。反應(yīng)式為：SiCl4+2H2+O2—>SiO2+4HCl空氣和氫氣分別經(jīng)過加壓、分離、冷卻脫水、硅膠干燥、除塵過濾后送入合成水解爐。將四氯化硅原料送至精餾塔精餾后，在蒸發(fā)器中加熱蒸發(fā)，并以干燥、過濾后的空氣為載體，送至合成水解爐。四氯化硅在高溫下氣化（火焰溫度1000?1800°C）后，與一定量的氫和氧（或空氣）在1800C左右的高溫下進行氣相水解；此時生成的氣相二氧化硅顆粒極細，與氣體形成氣溶膠，不易捕集，故使其先在聚集器中聚集成較大顆粒，然后經(jīng)旋風(fēng)分離器收集，再送入脫酸爐，用含氮空氣吹洗氣相二氧化硅至PH值為4?6即為成品。德國迪高沙（Degussa）公司和美國卡伯特（Cabot）公司的氣相法生產(chǎn)技術(shù)全球領(lǐng)先。他們的生產(chǎn)裝置規(guī)模大，自動化程度高，產(chǎn)品成本低，牌號（尤其是應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的功能性專用產(chǎn)品牌號）多，品質(zhì)好，如表面積分布均勻、含水量低。我國沈陽化工股份有限公司及上海氯堿化工股份有限公司也采用氣相法生產(chǎn)，但在生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)技術(shù)、自動化程度及產(chǎn)品牌號等方面遠不及國外大公司。廣州吉必盛科技實業(yè)有限公司是目前國內(nèi)產(chǎn)量最大，牌號最全，技術(shù)最先進的氣相二氧化硅供應(yīng)商，是氣相二氧化硅國家標(biāo)準(zhǔn)GB20020-2005負責(zé)起草單位。（2）沉淀法沉淀法又叫硅酸鈉酸化法，采用水玻璃溶液與酸反應(yīng)，經(jīng)沉淀、過濾、洗滌、干燥和煅燒而得到白炭黑。反應(yīng)式為：Na2SiO3+2H+一>白炭黑+2Na++H20國內(nèi)大部分生產(chǎn)企業(yè)采用沉淀法。新方法新方法主要以非金屬礦及其延伸物為硅源，采用沉淀法制備白炭黑。其技術(shù)關(guān)鍵是將結(jié)晶的二氧化硅和硅酸鹽轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)二氧化硅。原料主要有硅灰石、蛋白石、埃洛石、橄欖石、蛇蚊石、高嶺土、硬質(zhì)高嶺土、煤矸石、粉煤灰等。著重介紹以高嶺土或硬質(zhì)高嶺土、煤矸石或粉煤灰為原料制備白炭黑的工藝技術(shù)。（1） 以高嶺土或硬質(zhì)高嶺土為原料先將高嶺土或硬質(zhì)高嶺土粉碎至50~60目，然后在500~600C高溫下焙燒2小時，再將焙燒土與濃度30%的工業(yè)鹽酸按1：2.5（重量）配料，在90C左右酸浸7小時，經(jīng)中和、過濾、洗滌、干燥得到白炭黑，產(chǎn)品質(zhì)量符合GB10507-89標(biāo)準(zhǔn)；同時得到高效凈水劑聚合氯化鋁。焙燒及酸浸反應(yīng)式如下：焙燒：Al203?2Si02?2H20一〉A(chǔ)l203?2Si02+2H20酸浸：A1203-2Si02+6HCl+9H20—>2AlCl3-6H20+2Si02（2） 以煤矸石或粉煤灰為原料先將煤矸石或粉煤灰粉碎至粒度小于120目，然后分兩步：第一步生產(chǎn)硅酸鈉：將粉碎的煤矸石或粉煤灰與純堿按重量比1：50混合均勻，經(jīng)高溫冶融（1400~1500C，1小時）、水萃浸溶（100C以上，4~5小時）、過濾去雜質(zhì)、濃縮濾液到45~46波美度即得到硅酸鈉。第二步生產(chǎn)白炭黑：先將硅酸鈉配成水玻璃溶液（模數(shù)為2.4~3.6,SiO2含量為4~10%），然后在5~20%的硫酸中酸浸（28~32°C,8~16小時），再升溫至80°C，攪拌，調(diào)節(jié)PH值為5~7,熟化20分鐘，再經(jīng)過濾洗滌、干燥、分選，得到白炭黑。該白炭黑為活性，純度高。白炭黑-用途由于白炭黑產(chǎn)品的一系列優(yōu)越性，使它能夠廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。橡膠制品白炭黑用在彩色橡膠制品中以替代炭黑進行補強，滿足白色或半透明產(chǎn)品的需要。白炭黑同時具有超強的粘附力、抗撕裂及耐熱抗老化性能，所以在黑色橡膠制品中亦可替代部分炭黑，以獲得高質(zhì)量的橡膠制品，如越野輪胎、工程輪胎、子午胎等。農(nóng)業(yè)化學(xué)制品在農(nóng)業(yè)化學(xué)制品中，如農(nóng)藥、高效噴施肥料等，使用白炭黑作載體或稀釋劑、崩解劑，做崩解劑在水分散粒劑wdg中使用可提高懸浮率，建議使用含量10%左右。能保持持久效力，因為它的超高表面積具有極高吸附力，易于懸浮，有良好的親和性及化學(xué)穩(wěn)定性。即使在雨水、沖洗和炎熱條件下，仍能長期保持不變。日用化工制品用白炭黑作填料和磨蝕劑的透明彩色及不透明牙膏，這類牙膏具有良好的柔韌性、分散性，膏體光滑、柔軟、磨蝕性好，不磨蝕牙膏管體；它能使藥物牙膏保持藥性的穩(wěn)定。特別是與氟化物具有良好的配伍性，可避免鈣鹽作磨料產(chǎn)生難溶鹽的弊端。膠結(jié)劑用在天然橡膠或合成橡膠制成的膠粘劑中，提供了觸變性和補強性，同時由于其伸展性還可以提高粘著力，質(zhì)高價廉。抗結(jié)塊劑白炭黑可用在一些產(chǎn)品中來提高自由流動性，如草地肥料、殺真菌劑、磨輪研磨劑、洗衣漂白劑、酚醛注塑烏洛托品、酚和尿素的塑料制品、制造橡膠硫磺及抗結(jié)塊混合物。造紙?zhí)盍嫌冒滋亢谧黾垙執(zhí)盍峡商岣呒垙埧褂湍高^性能及機械強度，增加白度，減少單位重量。能有效實現(xiàn)紙張輕量化、降低生產(chǎn)成本、提高紙張使用性能。此外還可用在消防劑、飼料、化妝品、消光劑、顏料、油漆等許多行業(yè)白炭黑-氣相應(yīng)用氣相白炭黑是極其重要的高科技超微細無機新材料之一,由于其粒徑很小，因此比表面積大，表面吸附力強，表面能大，化學(xué)純度高、分散性能好、熱阻、電阻等方面具有特異的性能，以其優(yōu)越的穩(wěn)定性、補強性、增稠性和觸變性，在眾多學(xué)科及領(lǐng)域內(nèi)獨具特性，有著不可取代的作用。氣相白炭黑俗稱“納米白炭黑”，廣泛用于各行業(yè)作為添加劑、催化劑載體，石油化工，脫色劑，消光劑，橡膠補強劑，塑料充填劑，油墨增稠劑，金屬軟性磨光劑，絕緣絕熱填充劑，高級日用化妝品填料及噴涂材料、醫(yī)藥、環(huán)保等各種領(lǐng)域。并為相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新材料基礎(chǔ)和技術(shù)保證。由于它在磁性、催化性、光吸收、熱阻和熔點等方面與常規(guī)材料相比顯示出特異功能，因而得到人們的極大重視。以下是氣相白炭黑在各行業(yè)的應(yīng)用[2]電子封裝材料有機物電致發(fā)光器材（OELD）是目前新開發(fā)研制的一種新型平面顯示器件，具有開啟和驅(qū)動電壓低，且可直流電壓驅(qū)動，可與規(guī)模集成電路相匹配，易實現(xiàn)全彩色化，發(fā)光亮度高（＞105cd/m2）等優(yōu)點，但OELD器件使用壽命還不能滿足應(yīng)用要求，其中需要解決的技術(shù)難點之一就是器件的封裝材料和封裝技術(shù)。目前，國外（日、美、歐洲等）廣泛采用有機硅改性環(huán)氧樹脂，即通過兩者之間的共混、共聚或接枝反應(yīng)而達到既能降低環(huán)氧樹脂內(nèi)應(yīng)力又能形成分子內(nèi)增韌，提高耐高溫性能，同時也提高有機硅的防水、防油、抗氧性能，但其需要的固化時間較長（幾個小時到幾天），要加快固化反應(yīng)，需要在較高溫度（60°C至100°C以上）或增大固化劑的使用量，這不但增加成本，而且還難于滿足大規(guī)模器件生產(chǎn)線對封裝材料的要求（時間短、室溫封裝）。將經(jīng)表面活性處理后的氣相白炭黑充分分散在有機硅改性環(huán)氧樹脂封裝膠基質(zhì)中，可以大幅度地縮短封裝材料固化時間（為2.0-2.5h），且固化溫度可降低到室溫，使OELD器件密封性能得到顯著提高，增加OELD器件的使用壽命。樹脂復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等特點，但近年來材料界和國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)對樹脂基材料使用性能的要求越來越高，如何合成高性能的樹脂基復(fù)合材料，已成為當(dāng)前材料界和企業(yè)界的重要課題。氣相白炭黑的問世，為樹脂基復(fù)合材料的合成提供了新的機遇，為傳統(tǒng)樹脂基材料的改性提供了一條新的途徑，只要能將氣相白炭黑顆粒充分、均勻地分散到樹脂材料中，完全能達到全面改善樹脂基材料性能的目的。1、 提高強度和延伸率。環(huán)氧樹脂是基本的樹脂材料，把氣相白炭黑添加到環(huán)氧樹脂中，在結(jié)構(gòu)上完全不同于粗晶二氧化硅（白炭黑等）添加的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，粗晶SiO2一般作為補強劑加入，它主要分布在高分子材料的鏈間中，而氣相白炭黑由于表面嚴(yán)重的配位不足、龐大的比表面積以及表面欠氧等特點，使它表現(xiàn)出極強的活性，很容易和環(huán)氧環(huán)狀分子的氧起鍵合作用，提高了分子間的鍵力，同時尚有一部分氣相白炭黑顆粒仍然分布在高分子鏈的空隙中，與粗晶SiO2顆粒相比較，表現(xiàn)很高的流漣性，從而使氣相白炭黑添加的環(huán)氧樹脂材料強度、韌性、延展性均大幅度提高。2、 提高耐磨性和改善材料表面的光潔度。氣相白炭黑顆粒比SiO2要小100—1000倍，將其添加到環(huán)氧樹脂中，有利于拉成絲。由于氣相白炭黑的高流動性和小尺寸效應(yīng)，使材料表面更加致密細潔，摩擦系數(shù)變小，加之納米顆粒的高強度，使材料的耐磨性大大增強。3、 抗老化性能。環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料使用過程中一個致命的弱點是抗老化性能差，其原因主要是太陽輻射的280—400nm波段的紫外線中、長波作用，它對樹脂基復(fù)合材料的破壞作用是十分嚴(yán)重的，高分子鏈的降解致使樹脂基復(fù)合材料迅速老化。而氣相白炭黑可以強烈地反射紫外線，加入到環(huán)氧樹脂中可大大減少紫外線對環(huán)氧樹脂的降解作用，從而達到延緩材料老化的目的。塑料利用氣相白炭黑透光、粒度小，可以使塑料變得更加致密，在聚苯乙烯塑料薄膜中添加氣相白炭黑后，不但提高其透明度、強度、韌性，而且防水性能和抗老化性能也明顯提高。通過在普通塑料聚氯乙烯中添加少量氣相白炭黑后生產(chǎn)出的塑鋼門窗硬度、光潔度和抗老化性能均大幅提高。利用氣相白炭黑對普通塑料聚丙烯進行改性，主要技術(shù)指標(biāo)（吸水率、絕緣電阻、壓縮殘余變形、撓曲強度等）均達到或超過工程塑料尼龍6的性能指標(biāo)，實現(xiàn)了聚丙烯鐵道配件替代尼龍6使用，產(chǎn)品成本大幅下降，其經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。涂料我國是涂料生產(chǎn)和消費大國，但當(dāng)前國產(chǎn)涂料普遍存在著性能方面的不足，諸如懸浮穩(wěn)定性差、觸變性差、耐候性差、耐洗刷性差等，致使每年需進口大量高質(zhì)量的涂料。上海、北京、杭州、寧波等地的一些涂料生產(chǎn)企業(yè)敢于創(chuàng)新，成功地實現(xiàn)了氣相白炭黑在涂料中的應(yīng)用，這種納米改性涂料一改以往產(chǎn)品的不足，經(jīng)檢測其主要性能指標(biāo)除對比率不變外，其余均大幅提高，如外墻涂料的耐洗刷性由原來的一千多次提高到一萬多次，人工加速氣候老化和人工輻射暴露老化時間由原來的250小時（粉化1級、變色2級）提高到600小時（無粉化，漆膜無變色，色差值4.8），此外涂膜與墻體結(jié)合強度大幅提高，涂膜硬度顯著增加，表面自潔能力也獲得改善。橡膠橡膠是一種伸縮性優(yōu)異的彈性體，但其綜合性能并不令人滿意，生產(chǎn)橡膠制品過程中通常需在膠料中加入炭黑來提高強度、耐磨性和抗老化性，但由于炭黑的加入使得制品均為黑色，且檔次不高。而氣相白炭黑在我國的問世為生產(chǎn)出色彩新穎、性能優(yōu)異的新一代橡膠制品奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。在普通橡膠中添加少量氣相白炭黑后，產(chǎn)品的強度、耐磨性和抗老化性等性能均達到或超過高檔橡膠制品，而且可以保持顏色長久不變。納米改性彩色三元乙丙防水卷材，其耐磨性、抗拉強度、抗折性、抗老化性能均提高明顯，且色彩鮮艷，保色效果優(yōu)異。彩色輪胎的研制工作也取得了一定的進展，如輪胎側(cè)面膠的抗折性能由原來的10萬次提高到50萬次以上，有望在不久的將來，實現(xiàn)國產(chǎn)汽車、摩托車輪胎的彩色化。顏（染）料有機顏（染）料雖具有鮮艷的色彩和很強的著色力，但一般耐光、耐熱、耐溶劑和耐遷移性能往往不及無機顏料。通過添加氣相白炭黑對有機顏（染）料進行表面改性處理，不但使顏（染）料抗老化性能大幅提高，而且亮度、色調(diào)和飽和度等指標(biāo)也均出現(xiàn)一定程度的提高，性能可與進口高檔產(chǎn)品相媲美，極大地拓寬了有機顏（染）料的檔次和應(yīng)用范圍。陶瓷用氣相白炭黑代替納米A1203添加到95瓷里，既可以起到納米顆粒的作用，同時它又是第二相的顆粒，不但提高陶瓷材料的強度、韌性，而且提高了材料的硬度和彈性模量等性能，其效果比添加A1203更理想。利用氣相白炭黑來復(fù)合陶瓷基片，不但提高了基片的致密性、韌性和光潔度，而且燒結(jié)溫度大幅降低。此外，氣相白炭黑在陶瓷過濾網(wǎng)、剛玉球等陶瓷產(chǎn)品中應(yīng)用效果也十分顯著。密封膠、粘結(jié)劑密封膠、粘結(jié)劑是量大、面廣、使用范圍寬的重要產(chǎn)品。它要求產(chǎn)品粘度、流動性、固化速度達最佳條件。我國在這個領(lǐng)域的產(chǎn)品比較落后，高檔的密封膠和粘結(jié)劑都依賴進口。國外在這個領(lǐng)域的產(chǎn)品已經(jīng)采用納米材料作改性劑，而氣相白炭黑是首選材料，它主要是在氣相白炭黑表面包敷一層有機材料，使之具有憎水性，將它添加到密封膠中很快形成一種硅石結(jié)構(gòu)，即納米Si0X小顆粒形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抑制膠體流動，加快固化速度，提高粘結(jié)效果，由于氣相白炭黑顆粒尺小從而也增加了產(chǎn)品的密封性和防滲性。玻璃鋼制品玻璃鋼制品雖然有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等優(yōu)點，但其本身硬度較低、耐磨性較差。有關(guān)專家通過超聲分散方法將氣相白炭黑添加到膠衣樹脂中，與未加氣相白炭黑的膠衣做性能對比實驗，發(fā)現(xiàn)其莫氏硬度由原來的2.2級（相當(dāng)于石膏的硬度）提高到2.8~2.9級（3級是天然大理石硬度），耐磨性提高1~2倍，因納米顆粒與有機高分子產(chǎn)生接枝和鍵合作用，使材料韌性增加，故抗拉強度和抗沖擊強度提高1倍以上，耐熱性能也大幅提高。藥物載體隨著當(dāng)前城市生活垃圾的大幅增長以及環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，加大消滅“四害”的力度、預(yù)防疾病的傳播已十分迫切。在樹干上涂刷石灰、向垃圾箱噴灑藥水已作用不大，現(xiàn)在大城市已采用噴涂中樞神經(jīng)麻醉藥類殺蟲劑來消滅蚊子、蒼蠅、蟑螂等昆蟲類害蟲，但這些殺蟲劑多從國外進口，價格較高，噴涂后有效期較短（只有一個月）。采用氣相白炭黑讖體吸附該類殺蟲劑，起到了很好的緩釋效果，據(jù)測定，其噴涂后有效期長達一年以上?；瘖y品對于化妝品來說，要求對紫外線屏蔽能力強，最好是既能防護紫外中波（UVB）對人體的危害，亦能對紫外長波（UVA）起防護作用。實質(zhì)上，紫外屏蔽包括兩方面，一是前面所述對紫外線的吸收，另一方面是對紫外線的反射，目前，世界上從紫外反射性能角度開發(fā)的抗紫外劑還未見報道。在防曬產(chǎn)品中以往多使用有機化合物為紫外線吸收劑，但是存在諸如為了盡可能保護皮膚不接觸紫外線而提高添加量之后，會增加發(fā)生皮膚癌以及產(chǎn)生化學(xué)性過敏等問題，而氣相白炭黑為無機成分，易于與化妝品其它組分配伍，無毒、無味，不存在上述問題，且自身為白色，可以簡單地加以著色，尤其可貴的是氣相白炭黑反射紫外能力強、穩(wěn)定性好，被紫外線照射后不分解，不變色，也不會與配方中其它組分起化學(xué)反應(yīng)。氣相白炭黑的這些突出特點為防曬化妝品的升級換代奠定了良好的基礎(chǔ)?？咕牧侠脷庀喟滋亢邶嫶蟮谋缺砻娣e、表面多介孔結(jié)構(gòu)和超強的吸附能力以及奇異的理化特性，將銀離子等功能離子均勻地設(shè)計到氣相白炭黑表面的介孔中，并實施穩(wěn)定，成功開發(fā)出高效、持久、耐高溫、廣譜抗菌的納米抗菌粉（粒徑只有70納米左