CN106865557A - 一种冬季轮胎用白炭黑的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冬季轮胎用白炭黑的制备方法，采用硅酸钠与浓硫酸反应，经压滤、洗涤、制浆、压力喷雾干燥后得到用于冬季轮胎的高分散微珠状白炭黑；操作时先精制硅酸钠溶液，再用凝胶‑溶胶法进行合成反应，反应前按(23～28):1比例预加水与硅酸钠，反应过程pH值10～11，反应时间是90～120min，反应结束经陈化‑酸化‑陈化后再移至中间槽，进而进行反应浆料的固、液分离及洗涤，随后滤饼制浆，再通过压力喷雾干燥获得粉尘少、流动性好的三维网状结构的微珠状白炭黑，最后经流化床二次烘干合格后进入微珠产品料仓包装、入库。本发明解决了现有白炭黑作为橡胶补强剂应用于冬季轮胎中存在的牵引力以及抗冰滑能力不足的问题。

Description

一种冬季轮胎用白炭黑的制备方法
技术领域
本发明涉及无机功能材料白炭黑的制备方法，具体涉及一种冬季轮胎用白炭黑的制备方法。
背景技术
沉淀水合二氧化硅又称白炭黑，是一种高活性的补强填充材料，广泛应用于橡胶领域。由于其具有的独特补强性能，在轮胎工业中的应用越来越广，添加量也越来越大。随着人们生活水平的提高，对汽车的需求日益增大，汽车安全性和舒适性越来越受到重视，这对轮胎生产厂家来说必须要重视轮胎的开发与应用，而且为了提高车辆在冰雪路面上的操控安全性及稳定性，必须要开发抗冰雪、抗湿滑性的冬用轮胎，基于此背景下要求我们开发一种冬季轮胎用高分散微珠状白炭黑产品。
发明内容
本发明目的是提供一种冬季轮胎用白炭黑的制备方法，以提高轮胎在冰雪路面的牵引力和抗冰滑能力。
为实现以上目的，本发明一种冬季轮胎用白炭黑的制备方法采用硅酸钠与浓硫酸进行反应，经压滤、洗涤、制浆、压力喷雾干燥后得到用于冬季轮胎的凝胶-溶胶法白炭黑；具体操作步骤和工艺参数为：
第一步、精制硅酸钠溶液：将模数在3.35～3.45的固体水玻璃与40～60℃水按质量比1:3的比例进行配置，加入静压釜中，通入热蒸汽，在0.5～0.8MPa压力下溶解，保压3～5h后出料至储槽沉淀，取上部清液配制成质量比浓度为20～30％的硅酸钠溶液，经板框过滤合格后备用；
第二步、凝胶-溶胶法白炭黑的合成反应：预先加入体积比为(23～28):1的水与第一步制备的硅酸钠溶液于反应釜中，设定反应搅拌频率，并升温至86～96℃，设定硅酸钠溶液和浓硫酸的流率，采用酸碱并流方式进行中和反应，反应时间控制在90～120min，反应过程的pH值控制在10～11，反应结束后陈化10～20min，然后加浓硫酸调节pH值至4.5～5.0，继续陈化30～60min，再移至中间槽；
第三步、反应浆料的固液分离及洗涤：陈化后的稀浆料采用隔膜式压滤机进行固液分离，形成滤饼后用水洗涤至硫酸盐含量≤1.5％；
第四步、滤饼制浆：滤饼输送至制浆系统中，经高速剪切搅拌形成浓浆液，浆料质量比浓度19～25％，为压力喷雾干燥提供均匀的浆料；
第五步、压力喷雾干燥及产品收集：浆料采用压力喷雾干燥的方式，以获得粉尘少、流动性好的三维网状结构的微珠状白炭黑产品，再经流化床二次烘干合格后得到冬季轮胎用白炭黑，进入微珠产品料仓包装、入库。
所述第二步凝胶溶胶法白炭黑的合成反应的pH值每隔8～12min监控一次。
上述冬季轮胎用白炭黑的制备方法在第二步凝胶溶胶法白炭黑的合成反应中为了调整白炭黑孔径分布，将反应开始时预加水与硅酸钠比例控制在(23～28):1，合成反应时间是90～120min，反应过程的pH值控制在10～11；为了形成发达的支链结构以提高白炭黑在橡胶中的交联密度，在反应结束后陈化10～20min，调节pH值至4.5～5.0后继续陈化30～60min，再移至中间槽；为了获得粉尘少、流动性好的三维网状结构的微珠状白炭黑产品，采用干燥方式为压力喷雾干燥。
本发明一种冬季轮胎用白炭黑的制备方法具有以下技术特点和有益效果：
一是通过调整预加硅酸钠和预加水的比例以及反应的pH，控制白炭黑一次粒径的大小，使之形成均匀的孔结构；二是通过调节反应时间和反应结束后的两次陈化时间，使之形成发达的支链结构，有利于提高白炭黑在橡胶中的补强效果；三是通过压力喷雾干燥以获得微珠状产品，与传统粉状产品相比具有减少粉尘污染以及流动性好的特点。此外，本发明原料易得，过程易控制，不需增加设备，在原有白炭黑生产装置上就可生产，并能满足冬季轮胎对白炭黑的要求，具有很好的经济效益和社会效益。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明一种冬季轮胎用白炭黑的制备方法做进一步详细说明。
实施例1
本发明一种冬季轮胎用白炭黑的制备方法具体操作如下：
1、硅酸钠溶液的精制：取模数为3.35～3.45的固体硅酸钠在静压釜溶解，静置澄清后，取上层清液配成质量浓度为28％硅酸钠溶液，经板框压滤机过滤合格后备用。
2、合成反应：在120m3反应釜加入60.00m3的水，同时加入28％的硅酸钠溶液2～3m3，升温至93℃，待温度稳定后开始反应，设定搅拌频率，同时加入硅酸钠溶液和浓硫酸，硅酸钠流率为17.0±0.5m3/h，浓硫酸流率为0.9±0.2m3/h，每隔10min监控一次pH值使之保持在10～11，反应105min结束，继续搅拌15min后加酸至pH为4.5～5.0，再搅拌40min后放入稀浆槽。
3、过滤、洗涤：将陈化的反应稀浆料通过隔膜式压滤机压滤形成滤饼，用水洗涤60～80min，直至浆料硫酸盐含量在质量比1.5％以下。
4、制浆：将洗涤好的滤饼通过螺旋输送机送入制浆机中，高速搅拌使滤饼均匀液化。
5、压力喷雾干燥及产品收集：将均匀液化的浆料经过过滤器泵入浆料储槽中，物料经螺杆泵均匀泵入压力喷雾干燥塔中进行干燥，干燥后经流化床二次烘干合格后得到冬季轮胎用白炭黑，进入微珠产品料仓后包装、入库。
实施例2
本发明一种冬季轮胎用白炭黑的制备方法具体操作如下：
1、硅酸钠溶液的精制：取模数为3.35～3.45的水玻璃在静压釜溶解，静置澄清后，取上层清液配成质量浓度为28％硅酸钠溶液，经板框过滤合格后备用。
2、合成反应：在120m3反应釜加入60.00m3水，同时加入28％浓度的硅酸钠溶液2～3m3，升温至90℃，待温度稳定后开始反应，在设定搅拌强度条件下，同时加入硅酸钠和浓硫酸，硅酸钠加入流率为17.0±0.5m3/h，浓硫酸加入流率为0.9±0.2m3/h，每隔10min监控一次pH值使之保持在10～11，反应115min结束，搅拌15min，继续加酸调节pH值至4.5～5.0，再搅拌40min后放入稀浆槽。
3、过滤、洗涤：将陈化的反应稀浆料通过隔膜压滤机压滤后，用水洗涤60～80min，直至硫酸盐含量在质量比1.5％以下。
4、制浆：将洗涤好的滤饼通过螺旋输送机送入制浆机中，高速搅拌液化形成浓浆料。
5、压力喷雾干燥及产品收集：将搅拌均匀的浓浆料经过过滤器泵入浆料储槽中，物料经螺杆泵均匀泵入压力喷雾干燥塔中进行干燥，干燥后经流化床二次烘干合格后得到冬季轮胎用白炭黑，进入微珠产品料仓后包装、入库。
通过调整反应时间和反应温度来实施以上两个例子，制得的白炭黑产品化学指标与索尔维1115MP白炭黑的对比分析见表1:
表1各产品综合指标对比
项目 实施例1 实施例2 1115MP
106 119 117
2.26 2.29 2.31
pH(5％悬浮物) 6.9 6.8 6.8
硫酸钠，％ 1.3 1.2 1.5
加热减量，％ 5.6 5.9 6.5
灼烧减量，％ 10.4 10.8 11.4
注：1、目前国内外轮胎市场应用最多的是索尔维和赢创生产的高分散白炭黑，应用于冬季轮胎的方面，索尔维的1115MP白炭黑占有一定份额，我们通过自主创新，研发出抗冰雪、抗湿滑性的冬用轮胎用白炭黑，并和索尔维1115MP白炭黑进行对比分析。
2、以上三种白炭黑产品测试条件相同
从表1可知，实施例2的综合化学指标更接近索尔维1115MP白炭黑，因此选择实施例2与索尔维1115MP白炭黑进行静态性能和动态性能对比，见表2：
表2产品性能指标对比
注：通常采用-30℃的tanδ表征抗冰滑性，-30℃的tanδ值越高则抗冰滑性越好；0℃tanδ表征抗湿滑性，0℃tanδ越高抗湿滑性越好；60℃tanδ表征滚动阻力，60℃的tanδ越低则滚动阻力越低。
实施例2与1115MP的静态性能相比拉伸强度、拉断伸长率以及撕裂强度指标优于1115MP产品，其他指标接近1115MP产品。从动态性能看，实施例2与1115MP相比，其中阿克隆磨耗低于后者，表明实施例2产品具有更好的耐磨性，0℃的tanδ值高于后者，表明实施例2具有更好的抓地力，而-30℃与60℃二者的tanδ值很接近，表明二者具有相似的抗冰滑性和滚动阻力。
从上述两个对比表可以看出，实施例2为最佳实施例。本发明在凝胶-溶胶法白炭黑反应过程中通过调整预加硅酸钠和预加水的比例以及反应的pH来调整白炭黑的孔径；通过调整反应时间和陈化时间，来调整白炭黑的支链结构。此白炭黑颗粒相对均匀，孔径分布范围集中，在橡胶中可以进行良好的分散，有利于提高其在橡胶制品中的补强性和轮胎的抗冰滑能力。

Claims (2)

1.一种冬季轮胎用白炭黑的制备方法，采用硅酸钠与浓硫酸进行反应，经压滤、洗涤、制浆、压力喷雾干燥后得到用于冬季轮胎的凝胶-溶胶法白炭黑；具体操作步骤和工艺参数如下：
第一步、精制硅酸钠溶液：将模数在3.35～3.45的固体水玻璃与40～60℃水按质量比1:3的比例进行配置，加入静压釜中，通入蒸汽，在0.5～0.8MPa压力下溶解，保压3～5h后出料至储槽沉淀，取上部清液配制成质量比浓度为20～30％的硅酸钠溶液，经板框过滤合格后备用；
第二步、凝胶-溶胶法白炭黑的合成反应：将水与硅酸钠溶液按设定的体积比预先加入反应釜中，设定反应搅拌频率并升温至86～96℃后，设定硅酸钠溶液和浓硫酸的流率，酸碱并流进行合成反应，控制反应过程的pH值，反应结束后陈化，然后加浓硫酸调节pH值，继续陈化后移至中间槽；
第三步、反应浆料的固、液分离及洗涤：陈化后的稀浆料采用隔膜式压滤机进行固液分离，形成滤饼后用水洗涤至硫酸盐含量≤1.5％；
第四步、滤饼制浆：滤饼输送至制浆系统中，经高速剪切搅拌形成浓浆液，浆料质量比浓度19～25％，为压力喷雾干燥提供均匀的浆料；
第五步、喷雾干燥及产品收集：浆料经喷雾干燥和流化床二次烘干合格后进入产品料仓包装、入库；
其特征是：所述第二步凝胶溶胶法白炭黑的合成反应中为了调整白炭黑孔径分布，将反应开始时预加水与硅酸钠比例控制在(23～28):1，合成反应时间是90～120min，反应过程的pH值控制在10～11；为了形成发达的支链结构以提高白炭黑在橡胶中的交联密度，所述第二步在反应结束后陈化10～20min，调节pH值至4.5～5.0后继续陈化30～60min，再移至中间槽；所述第五步喷雾干燥及产品收集中为了获得粉尘少、流动性好的三维网状结构的微珠状白炭黑产品，所述喷雾干燥采用压力喷雾干燥。
2.根据权利要求1所述冬季轮胎用白炭黑的制备方法，其特征是：所述第二步凝胶溶胶法白炭黑的合成反应的pH值每隔10min监控一次。
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