CN102212219B - 一种用作橡胶填料的稻壳基碳/硅复合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用作橡胶填料的稻壳基碳/硅复合物及其制备方法，属于碳/硅填充剂制备技术领域。本发明将原料稻壳先经马弗炉低温预炭化，稻壳中的水分及易挥发物质被去除，然后在真空烧结炉中炭化，控制烧结条件得到含硅量高的稻壳基碳/硅复合物。其碳含量为碳/硅复合物的总重量的65%-75%，氮吸附BET比表面积为12-75m2/g；DBP吸收值为1.7-3.8cm3/g。将含硅量高的稻壳基碳/硅复合物再用氢氧化钠或氢氧化钾溶液处理，将大部分二氧化硅溶出，即可得到含硅量低的稻壳基碳/硅复合物。其碳含量为稻壳基碳/硅复合物总重量的85%-98%，比表面积为120-196m2/g，DBP吸收值为2.1-3.0cm3/g。本发明广泛适用于各种型号的橡胶品种用作增强和填充剂，而且是优异的双相填充剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种橡胶填料，特别涉及一种以稻壳为原料制备的碳/硅复合物橡胶填料，属于碳/硅填充剂制备技术领域。
背景技术
填料是橡胶工业的主要原料之一，它能赋予橡胶许多优异的性能。炭黑是一种应用最为普遍的橡胶添加剂，主要起到补强和填充的作用。影响炭黑补强和填充效果的主要因素是比表面积和结构度。比表面积通常采用氮吸附BET法测定或者大分子表面活性剂吸附法测定，而结构度工业上广泛采用的是吸油值法即用邻苯二甲酸二丁酯（DBP）的吸收值来表征炭黑的结构，通常DBP值越高，即炭黑的结构度越高。一般高结构炭黑DBP吸油值大于120cm3/100g，低结构炭黑低于80 cm3/100g。
白炭黑是一种补强效果仅次于相应炉法炭黑的白色补强剂，具有强度高、伸长率大，撕裂强度高、硬度高、绝缘性好等优点。白炭黑对各种橡胶都有十分显著的补强作用，其中对硅橡胶的补强效果尤为突出。按照国家标准，用做橡胶填料的白炭黑比表面积一般小于200 m2/g，DBP吸收值一般为2.0-3.5 cm3/g。由于炭黑和白炭黑各有其优点，为了获得更好的综合性能，人们将炭黑和白炭黑并用，因此出现了炭黑-白炭黑双相填充剂。
稻壳是稻米加工业的主要副产物，约占稻谷籽粒重量的18%-22%，我国年产稻壳约0.4亿吨。稻壳的体积很大，如不及时处理，不仅影响环境卫生，而且堆积时间过长还有自燃的危险，因此国内外对稻壳的处理和利用都引起了高度关注。稻壳的主要成分是木质纤维素，此外还含有11%-22%的灰分（主要是二氧化硅）。根据稻壳的组成特点，美国、日本等发达国家研究了利用稻壳燃烧发电的技术，并利用含硅高的稻壳灰进一步制成各种含硅产品，如水玻璃、白炭黑等。国内对于稻壳的利用也主要是制备水玻璃、白炭黑以及活性炭，对于稻壳为原料制备碳/硅复合物用于橡胶添加剂的未见报道。
关于稻壳燃烧后残留的稻壳灰用作橡胶填料的研究曾有泰国和巴西的学者有过相关的报道。但这些研究所利用的稻壳灰都是在有氧燃烧条件下获得的，其含碳量少，主要是二氧化硅，其产物受燃烧条件的影响，性能波动很大。而且这些研究的主要目的是探讨稻壳灰与商用橡胶填料对比对于橡胶性能的影响，这些研究成果证明稻壳灰对于橡胶的补强性能和加工性能都有不同程度的改善，是一种替代炭黑和白炭黑潜在的橡胶填料，这些研究也为本发明提供了理论依据。
发明内容
本发明的目的在于充分利用廉价的稻壳，采用真空炭化工艺，制备一种性能稳定的稻壳基碳/硅复合物以替代炭黑或白炭黑用作橡胶添加剂。
本发明的技术方案：一种用作橡胶填料的稻壳基碳/硅复合物，以产品的含硅量高低分为两种规格；
产品（a）、原料稻壳先经马弗炉低温预炭化，稻壳中的水分及易挥发物质被去除，体积减小；然后在真空烧结炉中炭化，控制烧结条件得到含硅量高的稻壳基碳/硅复合物，其碳含量为稻壳基碳/硅复合物总重量的65%-75%，氮吸附BET比表面积为12-75m2/g，DBP吸收值为1.7-3.8 cm3/g；
或产品（b）、将产品（a）含硅量高的稻壳基碳/硅复合物再用氢氧化钠或氢氧化钾溶液处理，将大部分二氧化硅溶出，得到含硅量低的稻壳基碳/硅复合物，其碳含量为稻壳基碳/硅复合物总重量的85%-98%，氮吸附BET比表面积为120-196 m2/g，DBP吸收值为2.1-3.0 cm3/g。
用作橡胶填料的稻壳基碳/硅复合物的制备方法，具体步骤如下：
（1）真空烧结制备产品（a）含硅量高的稻壳基碳/硅复合物
将除杂后稻壳在马弗炉中200-300℃预炭化处理1h，然后将预炭化的稻壳粉碎后置于真空烧结炉中，真空度为0.1-1Pa，控制升温速度5-10℃/min，烧结温度450-900℃，达到烧结温度后保温10min-60min，保温结束后冷却至室温，得到产品（a）含硅量高的稻壳基碳/硅复合物；其碳含量为稻壳基碳/硅复合物总重量的65%-75%，氮吸附BET比表面积为12-75m2/g，DBP吸收值为1.7-3.8 cm3/g；
（2）碱处理制备产品（b）含硅量低的稻壳基碳/硅复合物
在步骤（1）所得产品（a）含硅量高的稻壳基碳/硅复合物中，加入质量浓度5%-10%的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，其中碳/硅复合物与氢氧化钠或氢氧化钾溶液的质量比1︰20-30，90-100℃加热回流1-2h，过滤后洗涤至中性，干燥得产品（b）含硅量低的稻壳基碳/硅复合物；其碳含量为稻壳基碳/硅复合物总重量的85%-98%，氮吸附BET比表面积为120-196 m2/g，DBP吸收值为2.1-3.0 cm3/g。
本发明的有益效果：
（1）充分利用全稻壳资源制备碳/硅复合物，资源损耗少；与现有的制备橡胶添加剂炭黑或白炭黑相比，制备工艺简单、成本低廉。
（2）制备的稻壳基碳/硅复合物，比表面积和结构度（DBP吸收值）都适宜用作橡胶添加剂，而且是优异的双相填充剂。
（3）采用马弗炉预炭化稻壳，有利于先去除水分等易挥发物质，减少对真空烧结设备的损害，同时也减小了稻壳体积并方便粉碎处理。
（4）经预炭化后的稻壳采用真空烧结炭化处理有利于炭化反应生成的小分子物质挥发，生成具有一定多孔结构的碳/硅复合物，有利于填料与橡胶基体的共混。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明
实施例1
将100g稻壳除杂后在马弗炉中220℃预处理1h，使稻壳预炭化；然后将预炭化的稻壳粉碎后置于真空烧结炉中，真空度为0.1-1Pa，控制升温速度10℃/min，烧结温度500℃，达到烧结温度后保温时间20min，冷却至室温后，将产物转移至反应釜，加入10%的氢氧化钠溶液，固液比为1/20，加热至90℃回流1h，过滤洗涤至中性，将固形物干燥得到含碳量90%，比表面积为120 m2/g，DBP吸收值为2.8cm3/g的含硅量低的稻壳基碳/硅复合物。
实施例2
将100g稻壳除杂后在马弗炉中220℃预处理1h，使稻壳预炭化；然后将预炭化的稻壳粉碎后置于真空烧结炉中，真空度为0.1-1Pa，控制升温速度10℃/min，烧结温度600℃，达到烧结温度后保温时间20min,冷却至室温后，将产物转移至反应釜，加入10%的氢氧化钠溶液，固液比为1/30，加热至90℃回流1h，过滤洗涤至中性，将固形物干燥得到含碳量95%，比表面积为137 m2/g，DBP吸收值为2.7cm3/g的含硅量低的稻壳基碳/硅复合物。
实施例3
将100g稻壳除杂后在马弗炉中220℃预处理1h，使稻壳预炭化；然后将预炭化的稻壳粉碎后置于真空烧结炉中，真空度为0.1-1Pa，控制升温速度10℃/min，烧结温度500℃，达到烧结温度后保温时间20min,冷却至室温后，将产物转移至反应釜，加入10%的氢氧化钠溶液，固液比为1/30，加热至90℃回流2h，过滤洗涤至中性，将固形物干燥得到含碳量98%，比表面积为160 m2/g，DBP吸收值为2.5cm3/g的含硅量低的稻壳基碳/硅复合物。
实施例4
将100g稻壳除杂后在马弗炉中250℃预处理1h，使稻壳预炭化；然后将预炭化的稻壳粉碎后置于真空烧结炉中，真空度为0.1-1Pa，控制升温速度5℃/min，烧结温度450℃，达到烧结温度后保温时间30min,冷却至室温后得到含碳量70%，比表面积为57 m2/g，DBP吸收值为3.8cm3/g的含硅量高的稻壳基碳/硅复合物。
实施例5
将100g稻壳除杂后在马弗炉中250℃预处理1h，使稻壳预炭化；然后将预炭化的稻壳粉碎后置于真空烧结炉中，真空度为0.1-1Pa，控制升温速度5℃/min，烧结温度500℃，达到烧结温度后保温时间20min，冷却至室温后得到含碳量70%，比表面积为50 m2/g，DBP吸收值为3.5cm3/g的含硅量高的稻壳基碳/硅复合物。
实施例6
将100g稻壳除杂后在马弗炉中250℃预处理1h，使稻壳预炭化；然后将预炭化的稻壳粉碎后置于真空烧结炉中，真空度为0.1-1Pa，控制升温速度10℃/min，烧结温度600℃，达到烧结温度后保温时间20min,冷却至室温后得到含碳量68%，比表面积为65 m2/g，DBP吸收值为3.0cm3/g的含硅量高的稻壳基碳/硅复合物。
实施例7
对比将100g稻壳除杂后在马弗炉中250℃预处理1h，使稻壳预炭化；然后将预炭化的稻壳粉碎后置于真空烧结炉中，真空度为0.1-1Pa，控制升温速度10℃/min，烧结温度700℃，达到烧结温度后保温时间20min,冷却至室温后得到含碳量65%，比表面积为47 m2/g，DBP吸收值为2.1cm3/g的含硅量高的稻壳基碳/硅复合物。
实施例8
将100g稻壳除杂后在马弗炉中250℃预处理1h，使稻壳预炭化；然后将预炭化的稻壳粉碎后置于真空烧结炉中，真空度为0.1-1Pa，控制升温速度10℃/min，烧结温度800℃，达到烧结温度后保温时间10min,冷却至室温后得到含碳量65%，比表面积为19 m2/g，DBP吸收值为1.8cm3/g的含硅量高的稻壳基碳/硅复合物。
实施例9
将100g稻壳除杂后在马弗炉中250℃预处理1h，使稻壳预炭化；然后将预炭化的稻壳粉碎后置于真空烧结炉中，真空度为0.1-1Pa，控制升温速度10℃/min，烧结温度900℃，达到烧结温度后保温时间10min，冷却至室温后得到含碳量65%，比表面积为12 m2/g，DBP吸收值为1.7cm3/g的含硅量高的稻壳基碳/硅复合物。
实施例10
将100g稻壳粉碎后在马弗炉中220℃预处理1h，使稻壳粉预炭化；然后将预炭化的稻壳粉置于真空烧结炉中，控制升温速度10℃/min，烧结温度500℃，达到烧结温度后保温时间10min，冷却至室温后得到含碳量65%，比表面积为48 m2/g，DBP吸收值为3.0cm3/g的含硅量高的稻壳基碳/硅复合物。
应用实施例1
将含硅量低的稻壳基碳/硅复合物用做天然橡胶添加剂，按照如下原料配方（按重量份数计）进行混炼，天然橡胶100份，含硅量低的稻壳基碳/硅复合物50份，氧化锌5份，硬脂酸2份，促进剂CBS 1.5份，聚乙二醇2份，硫磺2份，橡胶混炼工艺按照GB/T 3780.18-2007操作。
应用实施例2
将含硅量高的稻壳基碳/硅复合物用做天然橡胶添加剂，按照如下原料配方（按重量份数计）进行混炼，天然橡胶100份，含硅量高的稻壳基碳/硅复合物55份，氧化锌5份，硬脂酸2份，促进剂CBS 1.8份，聚乙二醇2份，硫磺2.4份，橡胶混炼工艺按照GB/T 3780.18-2007操作。
Claims (4)
1.一种用作橡胶填料的稻壳基碳/硅复合物产品（a），其特征在于，原料稻壳先经马弗炉低温预炭化，温度控制在200摄氏度~300摄氏度，稻壳中的水分及易挥发物质被去除，体积减小；然后在真空烧结炉中炭化，控制烧结条件为：真空度为0.1-1Pa，控制升温速度5-10摄氏度/min，烧结温度为450-900摄氏度，达到烧结温度后保温时间为10-60min，冷却至室温，得到含硅量高的稻壳基碳/硅复合物，其碳含量为稻壳基碳/硅复合物总重量的65%-75%，氮吸附BET比表面积为12-75平方米/克，DBP吸收值为1.7-3.8立方厘米/克。
2.一种用作橡胶填料的稻壳基碳/硅复合物产品（b)，其特征在于，原料稻壳先经马弗炉低温预炭化，温度控制在200摄氏度~300摄氏度，稻壳中的水分及易挥发物质被去除，体积减小；然后在真空烧结炉中炭化，控制烧结条件为：真空度为0.1-1Pa，控制升温速度5-10摄氏度/min，烧结温度为450-900摄氏度，达到烧结温度后保温时间为10-60min，冷却至室温，得到含硅量高的稻壳基碳/硅复合物；将含硅量高的稻壳基碳/硅复合物再用氢氧化钠或氢氧化钾溶液处理，处理条件为：加入5%-10%的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，固液比为1/30-1/20，加热至90-100摄氏度回流1-2h，过滤洗涤至中性，将大部分二氧化硅溶出，得到含硅量低的稻壳基碳/硅复合物，其碳含量为稻壳基碳/硅复合物总重量的85%-98%，氮吸附BET比表面积为120-196平方米/克, DBP吸收值为2.1-3.0立方厘米/克。
3.一种制备用作橡胶填料的稻壳基碳/硅复合物产品（a）的方法，其特征在于，具体步骤如下：
将除杂后稻壳在马弗炉中200-300摄氏度预炭化处理1h，然后将预炭化的稻壳粉碎后置于真空烧结炉中，真空度为0.1-1Pa，控制升温速度5-10摄氏度/min，烧结温度450-900摄氏度，达到烧结温度后保温10min-60min，保温结束后冷却至室温，得到产品（a）含硅量高的稻壳基碳/硅复合物；其碳含量为稻壳基碳/硅复合物总重量的65%-75%，氮吸附BET比表面积为12-75平方米/克，DBP吸收值为1.7-3.8立方厘米/克。
4.一种制备用作橡胶填料的稻壳基碳/硅复合物产品（b）的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将除杂后稻壳在马弗炉中200-300摄氏度预炭化处理1h，然后将预炭化的稻壳粉碎后置于真空烧结炉中，真空度为0.1-1Pa，控制升温速度5-10摄氏度/min，烧结温度450-900摄氏度，达到烧结温度后保温10min-60min，保温结束后冷却至室温，得到含硅量高的稻壳基碳/硅复合物；
(2）在步骤（1）所得含硅量高的稻壳基碳/硅复合物中，加入质量浓度的5%-10%的氢氧化钠或氢氧化钾溶液，其中碳/硅复合物与氢氧化钠或氢氧化钾溶液的质量比1 ：20-30，90-100摄氏度加热回流1-2h，过滤后洗涤至中性，干燥得产品（b）含硅量低的稻壳基碳/硅复合物；其碳含量为稻壳基碳/硅复合物总重量的85%-98%，氮吸附BET比表面积为120-196平方米/克, DBP吸收值为2.1-3.0立方厘米/克。
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