CN102198941B - 一种四氯化硅水解制备白炭黑的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种四氯化硅水解制备白炭黑的方法;在反应釜中加入21立方米的水,通入2吨四氯化硅,水解温度为20~70℃;向反应釜内通入0.2~0.5MPa蒸气,反应1-5小时缩聚反应温度为60-180℃;将上层油状物经溢流制备硅油;将下层产物离心机分离盐酸;用水淋洗降低水解物中氯根质量含量至0.5~5%;用质量浓度1~5%碱淋洗水解物至pH7.0~7.5后用水淋洗至氯根质量含量10~1000ppm;得到的产物经16-24小时沉降得腊状固体;研磨得到白炭黑产品;本方法制得白炭黑粒径小于10μm,残余氯含量小于100ppm;盐酸循环后浓度大于28%。
Description
技术领域
本发明涉及一种四氯化硅水解制备白炭黑的方法。
背景技术
白炭黑是炭黑的代用品,是微细粉末状或超细粒子状无水及含水二氧化硅或硅酸盐类的通称,平时所称的白炭黑为水合硅酸(SiO2·nH2O),其SiO2含量较大(>90%),原始粒径一般为10~40nm,因表面含有较多的羟基,易吸水而成为聚集的细粒。白炭黑熔点1750℃,不溶于水和酸,溶于强碱和氢氟酸。它的化学稳定性好,耐高温、不燃烧,内表面积大,电绝缘性强。它在化工、轻工等行业中应用广泛,如橡胶、塑料、造纸、涂料、化妆品、油墨、牙膏及农药等等。最大用途是橡胶的补强填料,用量占总产量的75%以上。
白炭黑经典的制造方法分三类:气相法、沉淀法和非金属矿离解法。工业上制备方法无外是这三种方法的组合或改良。气相法是将四氯化硅气体在氢-氧气流中于高温下水解制得,产品纯度极高,性能优异,但对设备要求较高,原料稀少极贵,技术控制复杂,投资规模很大。沉淀法是将水玻璃与酸作用,先生成硅酸,然后分解制得。该法原料易得,流程简单,投资规模不大,但能耗高,对环境要求较高。非金属矿离解法是用膨润土、高岭土、蛋白土、海泡石、凹凸棒石、等作为制取白炭黑原料,利用非金属矿制取白炭黑,在技术上是可行的,经济效益也是好的,为非金属矿的深加工和综合利用提供了一条新路。我国非金属矿资源非常丰富,在众多非金属矿的开发利用过程中,有许多非晶态二氧化硅未被很好利用,充分开发这些硅质资源是提高资源利用率及经济效益,减少环境污染的有效途径。因此将晶态二氧化硅和硅酸盐中的晶态硅转变成不定型二氧化硅,是简化白炭黑生产工艺、降低能耗及成本的技术关键。
沉淀法就是将水玻璃与硫酸或盐酸作用,生成硅酸,再分解而制得白炭黑。SiO2含量在90%左右,市场需求量大,主要用作橡胶补强填料。我国的白炭黑生产厂主要采用这种方法生产白炭黑。沉淀法白炭黑的生产技术、设备简单,产品活性不高,颗粒不易控制,亲和力差,补强性能低,颗粒表面亲水性集团键合严重,削弱了产品的结合力。二次结晶生产超细白炭黑便是在沉淀法生产技术前提下,进行了二次晶种处理的改良性技术。采用二次结晶新工艺,可以全自动控制工业化生产。其SiO2含量在94%以上,比表面积达269~320m2/g,粒径最大为1000目,最细可达纳米级。
工业水玻璃是沉淀法制备白炭黑的主要原料。水玻璃是水溶性的硅酸盐,在所有硅酸盐中,仅碱金属的硅酸盐可溶于水,重金属的硅酸盐不溶于水。市售的工业水玻璃通常为粘稠状的水溶液,属胶体溶液。一般工业水玻璃中Na2O与SiO2的摩尔比为1∶3.3左右,故水玻璃实际上是多聚硅酸盐。现代的科技证明,溶液中SiO2的聚合度并不等于它们的摩尔比,摩尔比越大,偏离程度越大。
硅酸是很弱的酸,其电离常数很小,数量级约为:k1≈10-8,k2≈10-14。硅酸在水中的溶解度也极小,大约为100ppm。因此,硅酸很容易从硅酸盐的水溶液中被其它酸置换出来,即使很弱的酸,如碳酸、醋酸等。硅酸在水中的溶解度虽小,在较稀的水玻璃溶液中加入某种酸时,肯定有大量硅酸生成,然而我们发现并不立即就有沉淀出来。这是因为初生的单分子硅酸是溶于水的,随着时间的推移,单硅酸聚合成低聚硅酸,再聚合成高聚硅酸。然后,在水溶液pH=7~10,且无盐存在时,可以进一步聚合为硅溶胶;而在pH<7,或者pH=7~10,且有盐存在时,可以凝结为硅凝胶。这种自聚合作用是硅酸最重要的特性。
利用四氯化硅、正硅酸乙酯等制备沉淀法白炭黑工艺可行,但原料成本较高,目前为止未见相关报道。因此,利用沉淀法白炭黑硅酸形成机理,探索四氯化硅水解、缩聚工艺制备高性能沉淀法白炭黑还是非常有意义的。
发明内容
本发明的目的是利用四氯化硅特性,一方面得到高性能沉淀法白炭黑,同时得到浓度大于28%的浓盐酸。
本发明所述的工艺流程包括水解、缩聚,离心、淋洗、沉降、干燥工艺单元。
(1)水解反应:在反应釜中加入21立方米的水,通入2吨四氯化硅,至四氯化硅水解完全,水解温度为20~70℃;
(2)缩聚反应:向反应釜内通入0.2~0.5MPa蒸气,反应1-5小时缩聚反应温度为60-180℃;
(3)分离:将上层油状物经溢流进入分液器内,进一步制备硅油;将下层产物输送到离心机旋转分离盐酸;
(4)水、碱淋洗:首先用水淋洗降低水解物中氯根质量含量至0.5~5%;再用质量浓度1~5%碱淋洗水解物至pH7.0~7.5后用水淋洗至氯根质量含量10~1000ppm;得到的产物经16-24小时沉降得腊状固体;
(5)干燥、研磨:将此腊状固体输送至流态化风选干燥机,干燥、研磨得到白炭黑产品。
本发明所说的原料四氯化硅为甲基氯硅烷、三氯氢硅等有机硅工业化装置副产含量大于60%的四氯化硅,最好是四氯化硅纯度大于95%;水为生活饮用水或工业水,要求无可视杂质即可。
本发明中的水解搅拌转速为70~150转/分钟,最好是85转/分钟;水解温度为20~70℃,最好控制在20~30℃;缩聚反应温度要求60-180℃,最佳反应温度为85~95℃。
所述的碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
该工艺路线对比硅酸钠法白炭黑技术,不仅简化了工艺流程(水解直接得到硅酸),还从本质上避免了硅酸钠引入的金属杂质,显著提高白炭黑产品质量,具有非常好的技术应用前景,同时单体内的其它成份经水解后形成油状物,可进一步制备各种硅油,得到的盐酸也可以循环利用。
发明效果
(1)白炭黑粒径小于10um,残余氯含量小于100ppm;
(2)盐酸循环后浓度大于28%。
具体实施方式
实施例1:
将30立方米耐酸搅拌反应釜内加入21立方米工业水,0.5小时内加入四氯化硅2吨,然后通入蒸气升温至85℃后保温3小时,后处理得到白炭黑成品。该白炭黑二氧化硅含量98.6%,pH值(10%悬浮液)大于5,比表面积150m2/g,加减热量(105℃,2h)为5.2%。
实施例2:
将30立方米耐酸搅拌反应釜内加入21立方米工业水,0.5小时内加入四氯化硅2吨,然后通入蒸气升温至95℃后保温3小时,后处理得到白炭黑成品。该白炭黑二氧化硅含量98.04%,pH值(10%悬浮液)大于5,比表面积132m2/g,加减热量(105℃,2h)为4.1%。
实施例3:
将30立方米耐酸搅拌反应釜内加入21立方米工业水,0.5小时内加入四氯化硅2吨,然后通入蒸气升温至105℃后保温3小时,后处理得到白炭黑成品。该白炭黑二氧化硅含量99.1%,pH值(10%悬浮液)大于5,比表面积125m2/g,加减热量(105℃,2h)为3.2%。7。
Claims (2)
1.一种四氯化硅水解制备白炭黑的方法,其特征在于:
(1)水解反应:在反应釜中加入21立方米的水,通入2吨四氯化硅,至四氯化硅水解完全,水解温度为20~70℃;
(2)缩聚反应:向反应釜内通入0.2~0.5MPa蒸气,反应1-5小时缩聚反应温度为60-180℃;
(3)分离:将上层油状物经溢流进入分液器内,进一步制备硅油;
将下层产物输送到离心机旋转分离盐酸;
(4)水、碱淋洗:首先用水淋洗降低水解物中氯根质量含量至0.5~5%;再用质量浓度1~5%碱淋洗水解物至pH7.0~7.5后用水淋洗至氯根质量含量10~1000ppm;得到的产物经16-24小时沉降得腊状固体;
(5)干燥、研磨:将此腊状固体输送至流态化风选干燥机,干燥、研磨得到白炭黑产品。
2.根据权利要求1所述的一种四氯化硅水解制备白炭黑的方法,其特征在于:其中的水解温度为20~30℃;缩聚反应温度为85~95℃。
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