一种适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑及其制备工艺与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑及其制备工艺与应用。本发明专利技术的制备工艺将硅酸钠与硫酸的中和沉淀分步进行，首先利用沉淀剂与硅酸钠溶液预先中和，其次再加入至硅酸钠溶液中，并与硫酸进行沉淀反应，使得白炭黑产物的比表面积扩大，增强了白炭黑对橡胶的补强能力；并且，对白炭黑产物进行焙烧及后处理，使白炭黑表面的硅羟基密度降低，降低了白炭黑表面的吸附能力。本发明专利技术的白炭黑兼具高比表面积和易分散的特性，不容易形成聚集体，在湿法混炼时能在水中和天然胶乳中形成稳定的分散并共絮凝，有效实现白炭黑对天然橡胶的补强，有效增强了胶料的力学性能。本发明专利技术的高比表高分散性白炭黑可用于制备白炭黑/NR复合材料。黑/NR复合材料。黑/NR复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑及其制备工艺与应用


[0001]本专利技术涉及白炭黑生产
，具体涉及一种适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑及其制备工艺与应用。

技术介绍

[0002]白炭黑是目前在橡胶加工领域广泛应用的一种补强填料，其补强效果明显高于炭黑以外的其他的补强材料，其主要成分为无定型结构的SiO2。根据白炭黑的制备工艺可分为气相法和沉淀法白炭黑，用于橡胶补强的一般是价格更低的沉淀法白炭黑。沉淀法白炭黑普遍是由硅酸盐和无机酸进行中和沉淀反应制得，工业上常用硅酸钠和硫酸直接经中和沉淀、洗涤过滤、烘干等步骤制备沉淀法白炭黑。通过对反应的物料比例、加入方式、温度、PH值及后处理工艺的调整，可以得到不同比表面积、粒径、结构度的白炭黑。沉淀法白炭黑制备工艺简单，原料易得、生产成本低，但是能耗高、比表面积不高、产品粒度不均 、极性大极易团聚、与橡胶基体不亲和等问题使得沉淀法白炭黑应用受到限制。
[0003]白炭黑的比表面积大小反映了白炭黑附聚体的内外表面积的总和，同时也能反映白炭黑原生粒子的大小，是白炭黑性能的重要指标。通常认为，提高白炭黑的比表面积能有效提高白炭黑与橡胶材料的结合度，胶料的耐磨性能、滚动阻力等性能都能得到改善。但是比表面积越大，白炭黑表面硅羟基密度也越大，粒子间的内聚力加强，使得粒子之间团聚，难以分散，对胶料的加工造成困难。白炭黑的制备需要考虑尽可能提高白炭黑的比表面积同时有效降低白炭黑的表面极性，避免白炭黑团聚。
[0004]白炭黑表面有大量极性的硅羟基，如连接在相邻两个硅原子上的相邻羟基，连接在同一个硅原子上的两个羟基以及单独的隔离强羟基。高极性的羟基不仅易于与其他极性物质进行吸附，还易于相互吸附使得白炭黑成为尺寸更大的聚集体，而这种聚集体的形成不利于白炭黑在橡胶中的分散，使得橡胶和填料的相互作用被削弱，橡胶基体和白炭黑的相容性变差，补强效果降低。白炭黑表面硅羟基导致的团聚问题及与橡胶基体的相容性差问题限制了白炭黑应用领域。
[0005]对白炭黑进行表面改性是指通过降低白炭黑表面的硅羟基密度，使得白炭黑由亲水变为疏水，改善其与橡胶基体的相容性，从而提高填料与橡胶的相互作用，增强补强效果。常见的改性方式有硅烷偶联剂改性、表面活性剂处理及高温焙烧，其中硅烷偶联剂改性及表面活性剂处理的方式因为工艺复杂、处理效果稳定性差及引入的处理剂无法去除对后续工艺操作影响大而难以大力推广。
[0006]天然胶乳湿法混炼是将白炭黑与改性剂、表面活性剂等在水中分散均匀稳定，再与天然胶乳通过机械搅拌等手段完成混合，采用共絮凝的方法得到白炭黑/NR（天然橡胶）复合材料。相较于常规的干法混炼，湿法混炼确保白炭黑分散均匀的前提下有效降低了能耗和粉尘污染。目前常用的是将白炭黑、硅烷偶联剂、分散剂等在水中制备得能保持稳定不出现沉淀的白炭黑浆液，通过机械搅拌等多种方式将白炭黑浆液和天然胶乳分散均匀，随
后进行加酸絮凝，白炭黑被均匀包覆在橡胶中并一起絮凝出来。该方法工艺简单、成本低，但是由于白炭黑表面硅羟基的活性高，在水中极易互相吸附形成微米级聚集体，加大了与橡胶基体结合的难度，也降低了在橡胶中的分散度，从而降低了补强效果。白炭黑是否吸附形成聚集体和在水中的分散稳定性决定了絮凝产物白炭黑分散是否均匀，改性后羟基数量降低，白炭黑由亲水变为疏水，与橡胶基体的亲和性改善，但是同时，改性后的白炭黑难以在水中和胶乳中都保持稳定并有效分散，导致难以在絮凝过程中得到白炭黑分散均匀的白炭黑/天然橡胶复合材料。未改性白炭黑易于分散而与橡胶基体结合性差，改性白炭黑与橡胶基体结合性改善但难以分散和均匀絮凝，这两个问题相互掣肘，阻碍了硅烷化改性白炭黑/天然胶乳湿法混炼的应用和推广。目前，市面上未见能分散均匀共絮凝稳定、与橡胶结合性好且批次稳定价格适中的白炭黑/NR复合材料产品。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了解决现有的方法制备的白炭黑存在比表面积大与分散性不能兼容且相互矛盾，从而不适用于湿法混炼橡胶的问题，提供了一种适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑的制备工艺。该制备工艺通过对白炭黑的制备工艺进行设计，将硅酸钠与硫酸的中和沉淀分步进行，首先利用沉淀剂与硅酸钠溶液预先中和，形成数量多、粒径小的白炭黑预沉淀种子结构，其次再加入至硅酸钠溶液中，并与硫酸进行沉淀反应，白炭黑结构开始增长，同时通过对焙烧及后处理工艺的有效调节降低表面硅羟基含量，使白炭黑内聚能降低，更好的在橡胶中分散结合，从而制备获得高比表面积高分散性白炭黑。
[0008]本专利技术的目的还在于提供由上述制备工艺制备获得的适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑。该高比表高分散性白炭黑兼具高比表面积和易分散的特性，不容易形成聚集体，能在水中和天然胶乳中形成稳定的分散，能稳定絮凝为均匀的白炭黑/NR复合材料，同时兼顾改善了白炭黑对橡胶基体的亲和性，有效增强了胶料的力学性能。
[0009]本专利技术的另一目的还在于提供所述适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑的应用。
[0010]本专利技术的目的通过如下技术方案实现。
[0011]一种适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑的制备工艺，包括如下步骤：（1）利用沉淀剂与硅酸钠溶液预先中和，获得硅酸钠预沉溶液；（2）将所述硅酸钠预沉溶液加入至硅酸钠溶液中，加入硫酸进行沉淀反应，制得白炭黑沉淀液；（3）将所述白炭黑沉淀液制成白炭黑粉料，经焙烧处理，得到所述适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑。
[0012]在优选的实施例中，步骤（1）中，将所述硅酸钠溶液升温至50~70℃，搅拌下加入所述沉淀剂，至ph值为8.5~9.5时停止加入，继续搅拌混匀，制得所述硅酸钠预沉淀液。
[0013]进一步优选的实施例中，所述硅酸钠溶液的浓度为0.4mol/L~0.7mol/L。
[0014]进一步优选的实施例中，所述搅拌的转速为100~150r/min；和/或，所述继续搅拌混匀的时间为15~30min。
[0015]进一步优选的实施例中，所述沉淀剂以浓度为0.5mol/L~0.8mol/L的沉淀剂溶液加入至所述硅酸钠溶液中。
[0016]在优选的实施例中，上述任一项所述的适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑的制备工艺，所述沉淀剂包括氯化铝、氯化铁、氯化铵以及硫酸铵中的一种或多种。
[0017]更优选的实施例中，所述沉淀剂为氯化铵以及硫酸铵中的一种或多种。
[0018]在优选的实施例中，步骤（2）中，将所述硅酸钠预沉淀液加入至60~90℃的硅酸钠溶液中，搅拌下加入硫酸，至pH稳定在4.0~6.0，继续搅拌陈化，制得白炭黑沉淀液。
[0019]进一步优选的实施例中，所述硅酸钠溶液的浓度为0.3mol/L~0.6mol/L。
[0020]进一步优选的实施例中，所述搅拌的转速为130~180r/min；和/或，所述继续搅拌陈化的时间为30~45min。
[0021]进一步优选的实施例中，所述硫酸以浓度为1mol/L~1.8mol/L的硫酸溶液加入。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：（1）将浓度为0.4mol/L~0.7mol/L的硅酸钠溶液升温至50~70℃，搅拌下加入沉淀剂，至pH值为8.5~9.5时停止加入，继续搅拌混匀，制得硅酸钠预沉淀液；所述沉淀剂包括氯化铝、氯化铁、氯化铵以及硫酸铵中的一种或多种；所述沉淀剂以浓度为0.5mol/L~0.8mol/L的沉淀剂溶液加入至所述硅酸钠溶液中；（2）将硅酸钠预沉淀液加入至60~90℃、浓度为0.3mol/L~0.6mol/L的硅酸钠溶液中，搅拌下加入硫酸，至pH稳定在4.0~6.0，继续搅拌陈化，制得白炭黑沉淀液；（3）将所述白炭黑沉淀液制成白炭黑粉料，经焙烧、研磨处理，得到所述适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑。2.根据权利要求1所述的适用于湿法混炼的高比表高分散性白炭黑的制备工艺，其特征在于，步骤（1）中，所述搅拌的转速为100~150r/min；和/或，所述继续搅拌混匀的时间为15~30min。3.根据权利要求1所述的适用于湿法混炼的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹凤朝，毕吉福，戢欢，魏艳星，谢新政，康小东，李晓帆，郇彦，
申请(专利权)人：广东粤港澳大湾区黄埔材料研究院，
类型：发明
国别省市：