CN102337047A - 一种包覆型超水分散性炭黑产品的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包覆型超水分散性炭黑产品的生产方法，选取一定质量比的原料炭黑和阴离子表面活性剂，其比例为100∶0.5～30，将两者在搅拌釜中进行充分搅拌，最后将搅拌后的物料引入气流式粉碎机，在粉碎机的高速、高压、气流的作用下，炭黑与炭黑颗粒之间、炭黑与粉碎机壁之间相互挤压、冲击、剪切、摩擦，阴离子表面活性剂的亲油端吸附到微细炭黑颗粒的表面，形成均匀的包覆层，就形成了新的炭黑产品。本发明方法工艺简单、成本低廉、无环境污染，产品投入水中，无需搅拌分散，就会产生“溶解”于水的现象，清水变黑以后，分散状态可以保持数月稳定不变。

Description

一种包覆型超水分散性炭黑产品的生产方法

技术领域

本发明涉及的炭黑产品的生产方法，该产品可以使用于水性涂料、油墨、建筑水泥、造纸等领域，是一种会产生“溶解”于水现象的色素炭黑新产品。

背景技术

炭黑是一种常用的着色剂，由于炭黑颗粒细小，普通的色素炭黑的粒径只有8～100纳米，粒子表面能高，易自聚，难润湿，是颜料中最难分散的品种。解决普通色素炭黑难以分散的方案有两类：

1.对炭黑进行氧化处理，以增加炭黑表面含氧官能团的种类和数量，提高表面活性和极性。

氧化的方法有：硝酸氧化、双氧水氧化、高锰酸钾氧化、次氯酸钠氧化、溴水氧化、臭氧氧化、二氧化氮氧化，以伽马射线照射炭黑或用等离子技术处理炭黑，也能增加炭黑表面的含氧化学基团。

对炭黑进行氧化处理的方法，设备投入较高，可能产生化学污染，很难工业化。

2.采用化学接枝技术使聚合物链牢固地结合在炭黑表面，从而改善炭黑在体系里的分散性。

炭黑又是亲油憎水的，难以在水性的涂料、油墨体系中稳定地分散。随着环保意识的逐渐增强，水性涂料及油墨这种节约能源、少污染的产品越来越受到人们的重视。为了解决普通的色素炭黑难以在水性的涂料、油墨体系里稳定分散的问题，前人做了大量的研究工作。以产品生产的工艺特点分类，开发出的适用产品大体有以下几种：

第一，以水为介质，在炭黑的表面接枝水溶性聚合体，再将接枝后的炭黑烘干，制得水性炭黑产品。

这种接枝可以选择合适的单体进行聚合，，再吸附到炭黑的表面以实现接枝。美国专利4530961就介绍了这种方法。

还可以利用炭黑表面的活性功能团，在适当条件下引发单体在炭黑表面进行接枝聚合。日本专利特开平2-24268，美国专利5952429就介绍了这种方法。

第二，在搅拌的条件下，将溶有水溶性有机化合物的水溶液喷到炭黑的表面，烘干后，得到表面吸附有有机化合物的炭黑产品。中国专利200610025016.3就介绍了这种方法。

第三，以水为介质，对炭黑进行接枝处理，得到一个改性炭黑的浓水分散体。日本东海碳素在中国申请的专利200680040067.1就介绍了这种方法。

一般来说，对炭黑采用聚合、接枝水溶性聚合体的方法仍然存在设备投入较高，可能产生化学污染，很难工业化的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种包覆型超水分散性炭黑产品的制备方法。该方法工艺简单、成本低廉、无环境污染，产品投入水中，无需搅拌分散，就会产生“溶解”于水的现象，清水变黑以后，分散状态可以保持数月稳定不变。

为了实现以上目的，本发明的技术方案的特点在于，选用炭黑作为基础原料，然后在炭黑的周围通过一层阴离子表面活性剂将炭黑完全包覆，而形成一种全新的炭黑产品，其具体步骤为：

首先：选取原料：

炭黑原料可以选用气法、炉法、乙炔黑等粒状商品炭黑中的任意一种；

阴离子表面活性剂可以选N-酰基肌氨酸钠、邻苯二甲酸单十二醇酯钠、邻苯二甲酸单月桂醇聚氧乙烯醚酯钠、顺丁烯二酸单月桂醇聚氧乙烯醚酯钠、烷基磺氨乙酸钠、a-烯基磺酸盐、a-磺基脂肪酸甲酯钠、二丁基萘磺酸钠、N-油酰甲基牛磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基萘磺酸钠、十二醇硫酸钠、十二烷基硫酸钠、聚氧乙烯醚磷酸酯盐等的一种或几种；

将炭黑与阴离子表面活性剂按质量比提取为：100∶0.5～30；

其次：加工过程：

将炭黑原料与阴离子表面活性剂按配方的质量比投入搅拌釜，充分搅拌混合，搅拌混合的时间是5～30分钟；

再将搅拌混合后的物料引入气流式粉碎机，在粉碎机的高速、高压、气流的作用下，炭黑与炭黑颗粒之间、炭黑与粉碎机壁之间相互挤压、冲击、剪切、摩擦，阴离子表面活性剂的亲油端吸附到微细炭黑颗粒的表面，形成均匀的包覆层；

最后：产品包装：

经过包覆处理的炭黑产品是粉状的，根据需求，也可以经过造粒，将本发明产品制成粒状，从外观上看，所述的炭黑产品与普通的色素炭黑没有区别。

作为优选，所述的阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠和十二烷基萘磺酸钠；

作为优选，所述的炭黑与阴离子表面活性剂的质量比为100∶5～20；

所述的粉碎机采用WFQ系列流化床式气流粉碎机，粉碎压力在0.65～0.95Mpa，分级转速在2300～2900r/min，空气量在10～13M³/min；

经过包覆处理的炭黑产品投入水中，无需搅拌分散，就会产生“溶解”于水的现象，表现出与普通炭黑产品完全不一样的水分散性。

经过包覆处理的炭黑产品与普通炭黑产品完全不一样的水分散性可以用“水性炭黑分散性透光率”检测指标来定量表示。试验的方法是：首先称取2g水性炭黑，放入烘箱，在105±2℃下干燥1h，然后放在干燥器中冷却至室温备用；再称取以上炭黑试样0.05g(精确到千分位)，置入100ml蒸馏水中，静置24h，取上层清液备用；再调节722s型可见光分光光度计，选择可见光波长为425nm，使蒸馏水透射比达100％；再吸取大烧杯中部的水性炭黑分散液移入玻璃比色皿，测量其透射比三次，取其平均值。当绝对误差大于0.2时，实验重做。

经过包覆处理的炭黑产品与普通炭黑产品完全不一样的水分散性还可以用“水性炭黑分散性的粒径分布”检测指标来定量表示。试验的方法是：首先称取10g水性炭黑，放入烘箱，在105±2℃下干燥1h，然后放在干燥器中冷却至室温备用；再用量筒量取200ml蒸馏水，置于大烧杯中，再取以上水性炭黑1.0g投入其中，在室温下静置4小时；再吸取大烧杯中部的水性炭黑分散液备用；再用蒸馏水校正激光粒度仪；最后用激光粒度仪测分散液的粒度分布。

本发明的技术基础在于：1.阴离子表面活性剂的分子中具有溶解性或极性不同的两个官能团，它们分别是亲油基团(非极性基团)和亲水基团(极性基团)，其相对比率或化学平衡称为HLB值。阴离子表面活性剂通过其基团在粒子表面的吸附，在水中分散的炭黑颗粒表面吸附表面活性剂后，疏水基(亲油基)在炭黑表面吸附，亲水基团与水相亲和，在水相中产生扩展构象，从而在粒子周围形成保护层，使悬浮粒子的分散状态稳定化。2.包覆，也称涂覆或涂层，包覆改性与局部化学改性法不同，它是利用无机物或有机物(主要是表面活性剂、水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等)对粉体表面进行包覆以达到改性的目的，表面改性时，表面活性剂与粉体粒子之间无化学反应，包覆物与粉体粒子间依靠物理吸附或Van der Waais力而连接。3.新一代的超微气流粉碎机是一个系统工程，这个系统由气源部分，加料部分，主机部分和产品收集部分组成。其中，主机部分是整个系统的心脏，在那里，预混合后的粒状炭黑与表面活性剂在螺杆加料器的推动下由料仓进入进料室、在重力作用下落入粉碎室。粉碎室四周和设有相向排列的经特殊设计的高压进气喷嘴。经过净化和干燥的压缩空气自喷嘴射出，形成超声气流。物料在高速气流交点中心发生碰撞，瞬间内被粉碎。经粉碎的粒子随气流上升至分级室，合格的粒子随气流进入旋风分离器，最终获得所需产品，尾气进入除尘器排出。较大的颗粒在分级机的作用下，重新回落粉碎室，再次被粉碎，直至获得合格产品。

在高速、高压的条件下，预混合的粒状炭黑与表面活性剂受到挤压、冲击、剪切、摩擦等机械力作用，表面活性剂在炭黑微细颗粒的表面渗入和扩散，形成包覆。

本发明方法的优点是

1)处理时间短，过程容易控制，无化学污染；

2)成本低廉、设备要求不高；

3)可以用于工业生产、大量产出；

4)本发明产品具有优异的水分散性能。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应理解为本发明上述主题的范围仅限于下属实施例。

实施例一

一种包覆型超水分散性炭黑产品及制备方法，依次包括以下步骤：

1.选择安徽省勇锋化工有限责任公司的粒状色素炭黑产品BB 6316F9.2份，取十二烷基苯磺酸钠0.8份，质量比为：100∶8.7，将上述两种原料投入搅拌釜；

2.开动搅拌机，搅拌时间13分钟；

3.采用WFQ系列流化床式气流粉碎机，预混合后的粒状炭黑与阴离子表面活性剂在螺杆加料器的推动下由料仓进入进料室、在重力作用下落入粉碎室，粉碎室四周和设有相向排列的经特殊设计的高压进气喷嘴，经过净化和干燥的压缩空气自喷嘴射出，形成超声气流，物料在高速气流交点中心发生碰撞，瞬间内被粉碎、包覆。

流化床式气流粉碎机的粉碎压力在0.7Mpa；分级转速在200r/min；空气量在12.5M³/min。

经粉碎的粒子随气流上升至分级室，合格的粒子随气流进入旋风分离器，最终获得所需产品，尾气进入除尘器排出。较大的颗粒在分级机的作用下，重新回落粉碎室，再次被粉碎，直至获得合格产品。

4.质量检测：

表1-1炭黑BB 6316F包覆前后的质量比较

表1-2BB 6316F炭黑包覆前后的应用品质比较

通过检测可以发现，经水性包覆以后，炭黑产品表现出“溶解”于水的现象，在油性国标体系里很多指标变差，但在水性的应用体系里表现出明显的优越性。

实施例二

一种包覆型超水分散性炭黑产品及制备方法，依次包括以下步骤：

1.选择安徽省勇锋化工有限责任公司的粒状色素炭黑产品BB 5319F9份，取十二烷基萘磺酸钠1份，质量比为：100∶11.11，将上述两种原料投入搅拌釜；

2.开动搅拌机，搅拌时间15分钟；

3.采用WFQ系列流化床式气流粉碎机，预混合后的粒状炭黑与表面活性剂在螺杆加料器的推动下由料仓进入进料室、在重力作用下落入粉碎室。粉碎室四周和设有相向排列的经特殊设计的高压进气喷嘴。经过净化和干燥的压缩空气自喷嘴射出，形成超声气流。物料在高速气流交点中心发生碰撞，瞬间内被粉碎、包覆。流化床式气流粉碎机的粉碎压力在0.65Mpa；分级转速在2600r/min；空气量在12M³/min。

经粉碎的粒子随气流上升至分级室，合格的粒子随气流进入旋风分离器，最终获得所需产品，尾气进入除尘器排出。较大的颗粒在分级机的作用下，重新回落粉碎室，再次被粉碎，直至获得合格产品。

4.质量检测：

表2-1炭黑BB 5319F包覆前后的质量比较

表2-2BB 5319F炭黑包覆前后的应用品质比较

通过检测可以发现，经水性包覆以后，炭黑产品表现出“溶解”于水的现象，在油性国标体系里很多指标变差，但在水性的应用体系里表现出明显的优越性。

实施例三

一种包覆型超水分散性炭黑产品及制备方法，依次包括以下步骤：

1.选择安徽省勇锋化工有限责任公司的粒状色素炭黑产品BB 2429G8.8份，取十二烷基萘磺酸钠1.2份，按量比为：100∶13.6，将上述两种原料投入搅拌釜；

2.开动搅拌机，搅拌时间16分钟；

3.采用WFQ系列流化床式气流粉碎机，预混合后的粒状炭黑与表面活性剂在螺杆加料器的推动下由料仓进入进料室、在重力作用下落入粉碎室。粉碎室四周和设有相向排列的经特殊设计的高压进气喷嘴。经过净化和干燥的压缩空气自喷嘴射出，形成超声气流。物料在高速气流交点中心发生碰撞，瞬间内被粉碎、包覆。流化床式气流粉碎机的粉碎压力在0.68Mpa；分级转速在2700r/min；空气量在12.5M³/min。

经粉碎的粒子随气流上升至分级室，合格的粒子随气流进入旋风分离器，最终获得所需产品，尾气进入除尘器排出。较大的颗粒在分级机的作用下，重新回落粉碎室，再次被粉碎，直至获得合格产品。

4.质量检测：

表3-1炭黑BB 2429G包覆前后的质量比较

表3-2BB 2429G炭黑包覆前后的应用品质比较

通过检测可以发现，经水性包覆以后，炭黑产品表现出“溶解”于水的现象，在油性国标体系里很多指标变差，但在水性的应用体系里表现出明显的优越性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种包覆型超水分散性炭黑产品的生产方法，其具体步骤为：

首先：选取原料：

炭黑原料可以选用气法、炉法、乙炔黑等粒状商品炭黑中的任意一种；

阴离子表面活性剂可以选N-酰基肌氨酸钠、邻苯二甲酸单十二醇酯钠、邻苯二甲酸单月桂醇聚氧乙烯醚酯钠、顺丁烯二酸单月桂醇聚氧乙烯醚酯钠、烷基磺氨乙酸钠、a-烯基磺酸盐、a-磺基脂肪酸甲酯钠、二丁基萘磺酸钠、N-油酰甲基牛磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基萘磺酸钠、十二醇硫酸钠、十二烷基硫酸钠、聚氧乙烯醚磷酸酯盐等的一种或几种；

将炭黑与阴离子表面活性剂按质量比提取为：100∶0.5～30；

其次：加工过程：

将炭黑原料与阴离子表面活性剂按配方的质量比投入搅拌釜，充分搅拌混合，搅拌混合的时间是5～30分钟；

再将搅拌混合后的物料引入气流式粉碎机，在粉碎机的高速、高压、气流的作用下，炭黑与炭黑颗粒之间、炭黑与粉碎机壁之间相互挤压、冲击、剪切、摩擦，阴离子表面活性剂的亲油端吸附到微细炭黑颗粒的表面，形成均匀的包覆层；

最后：产品包装：

经过包覆处理的炭黑产品是粉状的，根据需求，也可以经过造粒，将本发明产品制成粒状，从外观上看，所述的炭黑产品与普通的色素炭黑没有区别。

2.根据权利要求1所述的一种包覆型超水分散性炭黑产品的生产方法，其特征在于：作为优选，所述的阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠和十二烷基萘磺酸钠。

3.根据权利要求1所述的一种包覆型超水分散性炭黑产品的生产方法，其特征在于：作为优选，所述的炭黑与阴离子表面活性剂的质量比为100∶5～20。

4.根据权利要求1所述的一种包覆型超水分散性炭黑产品的生产方法，其特征在于：所述的粉碎机采用WFQ系列流化床式气流粉碎机，粉碎压力在0.65～0.95Mpa，分级转速在2300～2900r/min，空气量在10～13M³/min。