CN103435051A - 一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺 - Google Patents
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Abstract
一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺，通过合理控制反应过程及工艺参数，得到了一种分散性极高的白炭黑，采用的技术方案是，所述工艺是以液体硅酸钠和硫酸为主要原料、以硫酸盐为辅料，在反应釜中控制反应温度反应生成所得混合物，并进行提纯及造粒。本发明在现有生产装置基础上，不增加设备投入，不增加人员，不改变原料、只是调整反应参数的情况下进行。生产的产品具有分散效果好，产品外观微珠状均匀，环保无粉尘。生产过程稳定，可实现大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种白炭黑的制作工艺，特别是一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺。
背景技术
白炭黑是现代工业一种新型的精细化工产品，随着科技的进步，它的性能不断被认识，用途不断在扩大，尤其在汽车轮胎制品中，被广泛应用。这是因为，随着对轮胎绿色、环保、安全、乘坐舒适性的要求越来越高，轮胎企业就必须在轮胎中加入更多的白炭黑，尤其是分散性能更好的白炭黑才能满足以上要求。冬季轮胎要求对冰面的抓着力更优秀，减小冬季冰路面轮胎打滑的现象发生。目前我国白炭黑水平尚未达到轮胎企业对此要求的高分散白炭黑的要求，其主要原因是，由于白炭黑的制作工艺的限制，使得白炭黑在橡胶混炼中很难分散开，因此白炭黑对轮胎的改性效果并不是很明显。
现有技术中，白炭黑的生产方法有物理法与化学法，要想得到活性好、补强性高的无定形白炭黑需要采用化学法。化学法分为干法热解和湿法沉淀两种。干法热解分为气相法和电弧法；湿法沉淀分为硫酸、盐酸、硝酸和二氧化碳沉淀法等。目前，白炭黑生产主要采用气相法和硫酸、盐酸沉淀法两种生产工艺。
气相法白炭黑因其生产装置投资量大，一套装置产能一般在5000 吨以下；加之气相法白炭黑的生产能耗及综合成本太高，且未经改性处理，粉体应用领域窄，由于受原材料、能耗、成本、应用领域、产能、技术等诸多方面因素的影响，因此气相法白炭黑粉体制备具有局限性。
而沉淀法制得的白炭黑，常常因为表面含有硅醇基，造成白炭黑的表面极性较大，易被水浸润，而与有机物、烃类聚合物的相容性不好，极大地降低了使用性能和使用范围，所以常常需要对其改性，制得改性白炭黑，以增强其性能、扩大其使用范围。
从现有沉淀法白炭黑的合成机理分析，可以将沉淀法白炭黑制备过程归纳为两类动力学过程：一是沉淀白炭黑的晶核的生长过程，二是晶核的增长聚集过程。目前，液相沉淀法白炭黑的生产在国内均采用稀硫酸两步法进行：第一步反应生成稀硅溶胶、停置熟化一段时间，在稀硅溶胶中逐渐形成晶核，作为第二反应的晶种；第二步即用含晶种的溶液作为聚集生长的母液，按一定速度加水玻璃及稀硫酸进行沉淀反应，反应一定时间后，停加水玻璃，只加稀硫酸进行酸化处理，当反应液pH 值达一定值时，停止加酸，陈化一定时间，然后过滤并用水清洗，脱除Na2SO4 后，送干燥、粉碎后得到产品。最后，一般采用干法改性法，对制得的白炭黑进行改性，制得改性白炭黑。
现有的这种工艺，由于反应工艺参数控制不合理，导致得到的白炭黑产品分散性能较差，不能满足绿色轮胎对高分散白炭黑的要求。
发明内容
本发明提供了一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺，通过合理控制反应过程及工艺参数，得到了一种分散性极高的白炭黑，可广泛应用到防滑及抓地性能要求高的冬季轮胎中。
本发明为实现发明目的采用的技术方案是，一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺，所述工艺是以液体硅酸钠和硫酸为主要原料、以硫酸盐为辅料，在反应釜中控制反应温度反应生成所得混合物，并进行提纯及造粒，关键是：所述在反应釜中生成所得混合物的具体步骤包括：
A、原料调配：调配密度为1.150~1.250g/cm3的硅酸盐溶液、稀释后密度为1.030~1.060 g/cm3的硫酸溶液和密度为1.01~1.08g/cm3的硫酸盐溶液，备用；
B、将上述A中所列密度的硅酸钠溶液、硫酸盐溶液及温度为40~60℃的热水调配成密度为1.1~1.15 g/cm3，之后加入到反应釜中，并搅拌直至反应结束形成第一混合溶液；
C、升温：将上述第一混合溶液加热至70~85℃；
D、将步骤A中调配好的硫酸溶液加入到反应釜内并搅拌，直至反应釜内形成PH值为7.0~8.5的第二混合溶液；
E、再升温：将上述第二混合溶液加热至85~95℃；
F、在反应釜中同时加入步骤A中调配好的硅酸钠溶液和硫酸溶液并搅拌，且保持整个加入过程中，反应釜内的混合物PH值为7.5~9.0，直至加入和上述B中加入硅酸钠的量的比值为1：（12~18）；
G、在反应釜中继续加入硫酸溶液，直至反应釜内生成PH值为3.4~5.8的反应产物。
本发明的关键是：通过本发明生产的产品具有特殊的形态、粒径和孔隙率（BET/CTAB），具有良好的在聚合物中的分散能力，在冬季轮胎的应用中可以极大提高轮胎的防滑与抓地性能。
本发明的有益效果是：本发明在现有生产装置基础上，不增加设备投入，不增加人员，不改变原料、只是调整反应参数的情况下进行。生产的产品具有分散效果好，产品外观微珠状均匀，环保无粉尘。生产过程稳定，可实现大规模生产。
本发明绿色轮胎用高分散白炭黑采用独特的生产工艺，控制白炭黑的原生粒子，生成白炭黑的特殊结构，使其在和橡胶混炼时能更容易的和橡胶分子结合，以达到分散效果好，混炼后的橡胶性能好。在轮胎中能起到降低滚动阻力，其滚动阻力可降低20-30%，能节油3%-5%，降低噪音提高乘坐舒适性，满足了绿色轮胎对高分散白炭黑的要求。
具体实施方式
一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺，所述工艺是以液体硅酸钠和硫酸为主要原料、以硫酸盐为辅料，在反应釜中控制反应温度反应生成所得混合物，并进行提纯及造粒，关键是：所述在反应釜中生成所得混合物的具体步骤包括：
A、原料调配：调配密度为1.150~1.250g/cm3的硅酸盐溶液、稀释后密度为1.030~1.060 g/cm3的硫酸溶液和密度为1.01~1.08g/cm3的硫酸盐溶液，备用；
B、将上述A中所列密度的硅酸钠溶液、硫酸盐溶液及温度为40~60℃的热水调配成密度为1.1~1.15 g/cm3，之后加入到反应釜中，并搅拌直至反应结束形成第一混合溶液；
C、升温：将上述第一混合溶液加热至70~85℃；
D、将步骤A中调配好的硫酸溶液加入到反应釜内并搅拌，直至反应釜内形成PH值为7.0~8.5的第二混合溶液；
E、再升温：将上述第二混合溶液加热至85~95℃；
F、在反应釜中同时加入步骤A中调配好的硅酸钠溶液和硫酸溶液并搅拌，且保持整个加入过程中，反应釜内的混合物PH值为7.5~9.0，直至加入和上述B中加入硅酸钠的量的比值为1：（12~18）；
G、在反应釜中继续加入硫酸溶液，直至反应釜内生成PH值为3.4~5.8的反应产物。
所述步骤D搅拌进行的时间是2600~3000秒。
所述工艺步骤中的提纯具体包括：经压滤洗涤、液化得到固体含量为20~24%的乳状白炭黑料浆，百分号为重量百分比。
所述工艺步骤中的造粒具体包括：将提纯步骤中得到的乳状白炭黑浆料经高压泵进行压力喷雾，并进入干燥塔干燥得到白炭黑颗粒。
所述压滤步骤采用的设备是隔膜压滤机。
控制干燥后的白炭黑颗粒水分为4~8%，平均粒径为250~300μm。
所述硫酸盐是硫酸钾、或硫酸钙、或硫酸盐。
本发明在具体实施时，实施例1：
A、原料调配：调配密度为1.15g/cm3的硅酸盐溶液、稀释后密度为1.03 g/cm3的硫酸溶液和密度为1.01g/cm3的硫酸盐溶液，备用；
B、将上述A中所列密度的硅酸钠溶液、硫酸盐溶液及温度为40℃的热水调配成密度为1.1g/cm3，之后加入到反应釜中，并搅拌直至反应结束形成第一混合溶液；
C、升温：将上述第一混合溶液加热至70℃；
D、将步骤A中调配好的硫酸溶液加入到反应釜内并搅拌，直至反应釜内形成PH值为7.0的第二混合溶液；
E、再升温：将上述第二混合溶液加热至85℃；
F、在反应釜中同时加入步骤A中调配好的硅酸钠溶液和硫酸溶液并搅拌，且保持整个加入过程中，反应釜内的混合物PH值为7.5，直至加入和上述B中加入硅酸钠的量的比值为1：12；
G、在反应釜中继续加入硫酸溶液，直至反应釜内生成PH值为3.4的反应产物。
之后经过提纯与造粒过程制成白炭黑。
实施例2：
A、原料调配：调配密度为1.250g/cm3的硅酸盐溶液、稀释后密度为1.060 g/cm3的硫酸溶液和密度为1.08g/cm3的硫酸盐溶液，备用；
B、将上述A中所列密度的硅酸钠溶液、硫酸盐溶液及温度为60℃的热水调配成密度为1.15 g/cm3，之后加入到反应釜中，并搅拌直至反应结束形成第一混合溶液；
C、升温：将上述第一混合溶液加热至85℃；
D、将步骤A中调配好的硫酸溶液加入到反应釜内并搅拌，直至反应釜内形成PH值为8.5的第二混合溶液；
E、再升温：将上述第二混合溶液加热至95℃；
F、在反应釜中同时加入步骤A中调配好的硅酸钠溶液和硫酸溶液并搅拌，且保持整个加入过程中，反应釜内的混合物PH值为9.0，直至加入和上述B中加入硅酸钠的量的比值为1：18；
G、在反应釜中继续加入硫酸溶液，直至反应釜内生成PH值为5.8的反应产物。
之后经过提纯与造粒过程制成白炭黑。
实施例3：
A、原料调配：调配密度为1.2g/cm3的硅酸盐溶液、稀释后密度为1.04g/cm3的硫酸溶液和密度为1.05g/cm3的硫酸盐溶液，备用；
B、将上述A中所列密度的硅酸钠溶液、硫酸盐溶液及温度为50℃的热水调配成密度为1.18 g/cm3，之后加入到反应釜中，并搅拌直至反应结束形成第一混合溶液；
C、升温：将上述第一混合溶液加热至80℃；
D、将步骤A中调配好的硫酸溶液加入到反应釜内并搅拌，直至反应釜内形成PH值为7.8的第二混合溶液；
E、再升温：将上述第二混合溶液加热至90℃；
F、在反应釜中同时加入步骤A中调配好的硅酸钠溶液和硫酸溶液并搅拌，且保持整个加入过程中，反应釜内的混合物PH值为8，直至加入和上述B中加入硅酸钠的量的比值为1：15；
G、在反应釜中继续加入硫酸溶液，直至反应釜内生成PH值为5的反应产物。
之后经过提纯与造粒过程制成白炭黑。
本发明中雪地用的高分散白炭黑的指标如下：
| 项目 | 指标 |
| BET （m2/g） | 140-180 |
| CTAB （m2/g） | 145-175 |
| 吸油值 （cm3/g） | 2.00-3.50 |
| 加热减量 % | 4.0-8.0 |
| 灼烧减量 % | ≤7.0 |
| 二氧化硅含量 % | ≥90 |
| 水可溶物 % | ≤2.0 |
| PH值 | 5.0-8.0 |
| 外观 | 微珠 |
Claims (7)
1. 一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺，所述工艺是以液体硅酸钠和硫酸为主要原料、以硫酸盐为辅料，在反应釜中控制反应温度反应生成所得混合物，并进行提纯及造粒，其特征在于：所述在反应釜中生成所得混合物的具体步骤包括：
A、原料调配：调配密度为1.150~1.250g/cm3的硅酸盐溶液、稀释后密度为1.030~1.060 g/cm3的硫酸溶液和密度为1.01~1.08g/cm3的硫酸盐溶液，备用；
B、将上述A中所列密度的硅酸钠溶液、硫酸盐溶液及温度为40~60℃的热水调配成密度为1.1~1.15 g/cm3，之后加入到反应釜中，并搅拌直至反应结束形成第一混合溶液；
C、升温：将上述第一混合溶液加热至70~85℃；
D、将步骤A中调配好的硫酸溶液加入到反应釜内并搅拌，直至反应釜内形成PH值为7.0~8.5的第二混合溶液；
E、再升温：将上述第二混合溶液加热至85~95℃；
F、在反应釜中同时加入步骤A中调配好的硅酸钠溶液和硫酸溶液并搅拌，且保持整个加入过程中，反应釜内的混合物PH值为7.5~9.0，直至加入和上述B中加入硅酸钠的量的比值为1：（12~18）；
G、在反应釜中继续加入硫酸溶液，直至反应釜内生成PH值为3.4~5.8的反应产物。
2.根据权利要求1所述的一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺，其特征在于：所述步骤D搅拌进行的时间是2600~3000秒。
3.根据权利要求1所述的一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺，其特征在于：所述工艺步骤中的提纯具体包括：经压滤洗涤、液化得到固体含量为20~24%的乳状白炭黑料浆，百分号为重量百分比。
4.根据权利要求3所述的一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺，其特征在于：所述工艺步骤中的造粒具体包括：将提纯步骤中得到的乳状白炭黑浆料经高压泵进行压力喷雾，并进入干燥塔干燥得到白炭黑颗粒。
5.根据权利要求3所述的一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺，其特征在于：所述压滤步骤采用的设备是隔膜压滤机。
6.根据权利要求4所述的一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺，其特征在于：控制干燥后的白炭黑颗粒水分为4~8%，平均粒径为250~300μm。
7.根据权利要求1所述的一种绿色轮胎用的高分散性白炭黑的制作工艺，其特征在于：所述硫酸盐是硫酸钾、或硫酸钙、或硫酸盐。
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