CN107603281A - 一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，将水玻璃溶解在热水中，并预处理，然后向反应釜内注入得到的水玻璃和浓硫酸合成白炭黑，白炭黑经压滤洗涤、滤饼打浆、改性后干燥分离即成。本发明在白炭黑的生产过程中干燥前添加硅烷偶联剂，只需在搅拌打浆的过程中，将硅烷偶联剂溶液通过喷洒的方式添加到打浆罐中，更加节能，生产工艺更加简单；由于使用的设备数量较于其他工艺更少，投资更少；使用过程一般都是使用水作为溶剂，只用到少量的乙醇，生产过程对于操作人员更加安全，对于环境基本上没有污染，产品生产速度快、原料易得、节能环保。

Description

一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法

技术领域

本发明涉及改性白炭黑技术领域，尤其涉及一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法。

背景技术

白炭黑又名水合二氧化硅，因其具有粒径小、比表面积大、耐高温和化学性能稳定等一系列的优良特性而有着十分广阔的应用前景，在橡胶、塑料、涂料和造纸等领域发挥出其独特的作用。目前白炭黑常规生产方法主要有气相法和沉淀法，沉淀法白炭黑普遍采用硅酸钠与硫酸中和沉淀反应的方法来制取，生成水合二氧化硅沉淀后，根据成品要求，在辊筒压滤机或板块压滤机中经过滤、洗涤除去多余的水分和反应副产物，得到白炭黑滤饼，再经干燥得到成品。但是由于白炭黑内部的聚硅氧键和外表存在的活性硅醇基及其吸附水，使其呈亲水性，在有机相中难以浸润和分散。在橡胶中作为补强剂时，其与烃类橡胶相容性较差，大量填充胶料粘度较大，加工性能随贮存时间的延长而变差。贮存后胶料硬化、挤出困难、成型粘性差，填充胶料时还容易产生静电积累。

中国专利CN 10513331A公开了一种改性白炭黑的制备方法，其采用干法改性，将白炭黑、改性剂和偶联剂加入到高速混合机中，在60-70 ^oC下混合8-10分钟，冷却至室温。这种方法制得的白炭黑虽然能改善轮胎等橡胶制品的力学性能，但其工艺复杂，且添加到橡胶中作为补强剂的力学性能还有待进一步提高。

中国专利CN 103627040A公开了一种预处理白炭黑/天然橡胶复合材料的制备方法，将白炭黑和水搅拌混合，滴加偶联剂改性，再与天然橡胶混合，干燥后得白炭黑/天然橡胶纳米复合材料。这种方法得到的改性白炭黑虽然分散均匀，但是工艺复杂，条件苛刻，偶联剂用量大，处理时间长，且当偶联剂用量大于8%时，需要配合表面活性剂共同使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，其能够在保证改性白炭黑以及利用其生产的轮胎的质量前提下，生产工艺简单、节能，以解决上述技术问题。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，包括如下步骤：

S1、化料：将水玻璃溶解在热水中，所述水玻璃的水溶液密度为1.1～1.5g/cm³；

S2、预处理：将步骤S1得到的水玻璃溶液进行沉淀、过滤后移入高位槽；

S3、白炭黑合成，向反应釜内同时注入浓硫酸和步骤S2中得到的水玻璃溶液，其中浓硫酸和水玻璃溶液的流量比为1: 10～20；

S4、白炭黑压滤洗涤：将步骤S3得到的混合物进行压滤洗涤，洗涤过程中监测洗涤水电导率，直至洗涤水电导率小于4.0 mS/cm，向滤饼吹高压风3～5min；

S5、滤饼打浆：将步骤S4得到的滤饼用皮带输送到打浆罐中，加入水进行打浆，滤饼与水的质量比为4～1.2:1；

S6、白炭黑改性：将硅烷偶联剂溶液加入到步骤S5得到的混合物中搅拌，其中硅烷偶联剂与白炭黑的质量比为0.1%～2%；

S7、产品干燥：将步骤S6得到的浆液由螺杆泵输送到喷雾干燥塔，喷雾干燥后经大袋滤器和小袋滤器除尘分离，即成。

作为本发明进一步的方案：在步骤S1中，向热水中通入水蒸汽。

作为本发明进一步的方案：在步骤S1中，水玻璃的水溶液密度为1.3～1.4g/cm³。

作为本发明进一步的方案：步骤S3中浓硫酸和水玻璃的流量比为1: 15～16。

作为本发明进一步的方案：在步骤S4中采用的洗涤水温度为40～55^oC。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S6中硅烷偶联剂溶液中溶剂为乙醇，硅烷偶联剂为KH580。

作为本发明进一步的方案：乙醇与KH580的质量比为0.5～2:1。

作为本发明进一步的方案：在步骤S6中，将硅烷偶联剂溶液通过喷淋器喷淋到打浆罐中的浆料上，喷淋过程中对浆料进行持续搅拌，搅拌速率30～80r/min，搅拌时间3～60min。

作为本发明进一步的方案：步骤S6中，搅拌速率40～70r/min，搅拌时间10～20min。

作为本发明进一步的方案：步骤S6中硅烷偶联剂与干基白炭黑的质量比为0.3%～0.7%。

本发明的有益效果是：在白炭黑的生产过程中干燥前添加硅烷偶联剂，只需在搅拌打浆的过程中，将硅烷偶联剂溶液通过喷洒的方式添加到打浆罐中，更加节能，生产工艺更加简单；由于使用的设备数量较于其他工艺更少，投资更少；使用过程一般都是使用水作为溶剂，只用到少量的乙醇，生产过程对于操作人员更加安全，对于环境基本上没有污染；产品生产速度快、原料易得、节能环保。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，包括如下步骤：

S1、化料，将水玻璃溶解在热水中，所述水玻璃的水溶液密度为1.1～1.5g/cm³；

S2、预处理，将S1得到的水玻璃溶液进行沉淀、过滤后移入高位槽；

这两步是为了让固体的水玻璃溶解成液体，然后经过两次过滤得到液体水玻璃，在调试过程中通过化验室化验浓度和密度，然后再根据需要的浓度和密度加水或者水玻璃进行配制。

S3、白炭黑合成，同时向反应釜内注入S2中得到的水玻璃和浓硫酸，浓硫酸和水玻璃的流量比为1: 10～20；

S4、白炭黑压滤洗涤，将S3得到的混合物进行压滤洗涤，采用的洗涤水温度为35～45^oC，洗涤过程中监测洗涤水电导率，直至洗涤水电导率小于4.0 mS/cm；本步中，洗涤过程是去除硫酸钠的过程，而硫酸钠在水中的最大溶解度是40 ^oC时，所以采用35～45^oC温水洗涤，目的是以尽量少的水、尽可能多的去除硫酸钠，缩短洗涤时间，减少用水量。电导率用电导仪进行测量，可以采用在线的方式进行检测，也可以在洗涤即将结束的时候，用烧杯取少量排放水，测电导率，若低于4.0 mS/cm，则洗涤结束。

S5、滤饼打浆：将S4得到的滤饼用皮带输送到打浆罐中，加入水进行打浆，滤饼与水的质量比为4～1.2:1；

S6、白炭黑改性：将硅烷偶联剂溶液加入到S5得到的混合物中搅拌，硅烷偶联剂与白炭黑的质量比为0.1%～2%，搅拌速率30～80r/min，搅拌时间3～60min；

S7、产品干燥：将S6得到的混合物进行干燥。

在S1中，向热水中通入水蒸汽。通入水蒸气加热有助于进行水玻璃溶解，而且水蒸气与溶液换热速率快，所以水玻璃的溶解速度也得到了一定的增强。

在S3中，所述浓硫酸为发烟硫酸，发烟硫酸为98%的硫酸，能够加快白炭黑的生成速率。

所述硅烷偶联剂为KH580。KH580为γ-巯丙基三乙氧基硅烷。此种硅烷偶联剂含硫基团，硅烷偶联剂的一端的烷氧基与白炭黑表面的硅醇基产生化学键合，降低白炭黑表面的羟基数量，提高白炭黑的疏水性。另外，将此改性白炭黑用于橡胶中作为补强剂时，在硫化过程中，偶联剂分子的另一端的含硫官能团可以参与橡胶的硫化反应。

所述硅烷偶联剂溶液中溶剂为乙醇，乙醇与KH580的质量比为0.5～2:1。乙醇对环境没有污染，对人体也没有伤害，而且对KH580有较好的分散作用，喷洒到浆料中后与水可以互溶，且沸点较低，易于蒸发。

在S7中，将S6中得到的浆液由螺杆泵输送到喷雾干燥塔，喷雾干燥后经大袋滤器和小袋滤器除尘分离。大袋滤器起到气固分离的作用。因为本发明采用的干燥方式是在喷雾干燥塔中用热风进行干燥，所以需要进行气固分离，气体通过烟气引风机抽走，固体白炭黑吸附在大袋滤器外侧，然后经过一定时间的喷吹作用，降落下来，经风管送到小袋滤器进行二次过滤，然后到料仓收集。

在S4中，监测到洗涤水电导率小于4.0 mS/cm后，向滤饼吹高压风3～5min。用高压风吹扫后，利于S5中将S4得到的滤饼放入到打浆罐中的操作。

在S6中，将硅烷偶联剂溶液通过喷淋器喷淋到打浆罐中的浆料上，喷淋过程中对浆料进行持续搅拌，采用喷淋的方式进行硅烷偶联剂的布置，能够促进硅烷偶联剂与浆料的混合，加上持续搅拌，为本发明得到一种符合要求的白炭黑提供了保证。

实施例1

S1、化料，将水玻璃溶解在热水中，所述水玻璃的水溶液密度为1.1g/cm³；

S2、预处理，将S1得到的水玻璃溶液进行沉淀、过滤后移入高位槽；

S3、白炭黑合成，同时向反应釜内注入S2中得到的水玻璃和浓硫酸，浓硫酸和水玻璃的流量比为1: 10；

S4、白炭黑压滤洗涤，将S3得到的混合物进行压滤洗涤，采用的洗涤水温度为35^oC，洗涤过程中监测洗涤水电导率，直至洗涤水电导率小于4.0 mS/cm；

S5、滤饼打浆：将S4得到的滤饼用皮带输送到打浆罐中，加入水进行打浆，滤饼与水的质量比为4:1；

S6、白炭黑改性：将硅烷偶联剂溶液加入到S5得到的混合物中搅拌，硅烷偶联剂与白炭黑的质量比为0.1%，搅拌速率30r/min，搅拌时间3min；

S7、产品干燥：将S6中得到的浆液由螺杆泵输送到喷雾干燥塔，喷雾干燥后经大袋滤器和小袋滤器除尘分离。得到的产品标号为1#。

实施例2

S1、化料，将水玻璃溶解在热水中，所述水玻璃的水溶液密度为1.5g/cm³；

S2、预处理，将S1得到的水玻璃溶液进行沉淀、过滤后移入高位槽；

S3、白炭黑合成，同时向反应釜内注入S2中得到的水玻璃和浓硫酸，浓硫酸和水玻璃的流量比为1: 20；

S4、白炭黑压滤洗涤，将S3得到的混合物进行压滤洗涤，采用的洗涤水温度为45^oC，洗涤过程中监测洗涤水电导率，直至洗涤水电导率小于4.0 mS/cm；

S5、滤饼打浆：将S4得到的滤饼用皮带输送到打浆罐中，加入水进行打浆，滤饼与水的质量比为1.2:1；

S6、白炭黑改性：将硅烷偶联剂溶液加入到S5得到的混合物中搅拌，硅烷偶联剂与白炭黑的质量比为2%，搅拌速率80r/min，搅拌时间60min；

S7、产品干燥：将S6中得到的浆液由螺杆泵输送到喷雾干燥塔，喷雾干燥后经大袋滤器和小袋滤器除尘分离。得到的产品标号为2#。

实施例3

S1、化料，将水玻璃溶解在热水中，所述水玻璃的水溶液密度为1.1～1.25g/cm³；

S2、预处理，将S1得到的水玻璃溶液进行沉淀、过滤后移入高位槽；

S3、白炭黑合成，同时向反应釜内注入S2中得到的水玻璃和浓硫酸，浓硫酸和水玻璃的流量比为1: 15.6；

S4、白炭黑压滤洗涤，将S3得到的混合物进行压滤洗涤，采用的洗涤水温度为40^oC，洗涤过程中监测洗涤水电导率，直至洗涤水电导率小于4.0 mS/cm；

S5、滤饼打浆：将S4得到的滤饼用皮带输送到打浆罐中，加入水进行打浆，滤饼与水的质量比为2:1；

S6、白炭黑改性：将硅烷偶联剂溶液加入到S5得到的混合物中搅拌，硅烷偶联剂与白炭黑的质量比为0.5%，搅拌速率50r/min，搅拌时间15min；

S7、产品干燥：将S6中得到的浆液由螺杆泵输送到喷雾干燥塔，喷雾干燥后经大袋滤器和小袋滤器除尘分离。得到的产品标号为3#。

实施例4

S1、化料，将水玻璃溶解在热水中，所述水玻璃的水溶液密度为1.1～1.25g/cm³；

S2、预处理，将S1得到的水玻璃溶液进行沉淀、过滤后移入高位槽；

S3、白炭黑合成，同时向反应釜内注入S2中得到的水玻璃和浓硫酸，浓硫酸和水玻璃的流量比为1: 15.6；

S4、白炭黑压滤洗涤，将S3得到的混合物进行压滤洗涤，采用的洗涤水温度为40^oC，洗涤过程中监测洗涤水电导率，直至洗涤水电导率小于4.0 mS/cm；

S5、滤饼打浆：将S4得到的滤饼用皮带输送到打浆罐中，加入水进行打浆，滤饼与水的质量比为2:1；

S6、产品干燥：将S5中得到的浆液由螺杆泵输送到喷雾干燥塔，喷雾干燥后经大袋滤器和小袋滤器除尘分离。得到的产品标号为4#。

将上述四个实施例得到的产品标号为1、2、3、4的白炭黑按照行业标准HG/T 2404-2008测试白炭黑对橡胶性质的影响，利用1、2、3、4的白炭黑得到的橡胶的标号分别为1# 、2#、3#、4#；测定的橡胶的物理性能，结果如下表：

测试项目	标准	1#	2#	3#	4#
						拉伸强度MP	≥17.0	18.7	18.4	21.6	17.3
500%定伸应力MP	≥6.3	8.60	8.3	9.1	6.8
						扯断伸长率%	≥675	682.70	723.5	763.4	678.6

橡胶1#样品、2#样品、3#样品与4#样品相比，拉伸强度、500%定伸应力和扯断伸长率均有所提高。尤其4#样品，利用的是采用的较优合成参数合成的白炭黑作为添加剂，橡胶4#样品的参数，拉升强度提升25%，500%定伸应力提升34%，扯断伸长率提升13%。效果提升显著。

本发明系统化的改进了白炭黑生产工艺来提升生产的速度和产品的质量，其中包括：采用在步骤S1向热水中通入水蒸汽的方式来提升加速的速率，从而使水玻璃的溶解速度增快；在白炭黑合成中，直接加入浓硫酸，增快反应速率；在白炭黑的改性过程中，采用在搅拌打浆的过程中，将硅烷偶联剂溶液通过喷洒的方式添加到打浆罐中，更加节能，生产工艺更加简单。这些都大大缩短了生产的时间。由于工艺简单，所以使用的设备数量较于其他工艺更少，投资更少。使用过程基本都是使用水作为溶剂，只用到非常少量的乙醇，而乙醇对环境没有污染，对人体也没有伤害，而且对KH580有较好的分散作用，喷洒到浆料中后与水可以互溶，且沸点较低，易于蒸发，所以整个生产过程对于操作人员安全性非常好，而且对于环境基本上没有污染。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、化料：将水玻璃溶解在热水中，所述水玻璃的水溶液密度为1.1～1.5g/cm³；

S2、预处理：将步骤S1得到的水玻璃溶液进行沉淀、过滤后移入高位槽；

S3、白炭黑合成，向反应釜内同时注入浓硫酸和步骤S2中得到的水玻璃溶液，其中浓硫酸和水玻璃溶液的流量比为1: 10～20；

S4、白炭黑压滤洗涤：将步骤S3得到的混合物进行压滤洗涤，洗涤过程中监测洗涤水电导率，直至洗涤水电导率小于4.0 mS/cm，向滤饼吹高压风3～5min；

S5、滤饼打浆：将步骤S4得到的滤饼用皮带输送到打浆罐中，加入水进行打浆，滤饼与水的质量比为4～1.2:1；

S6、白炭黑改性：将硅烷偶联剂溶液加入到步骤S5得到的混合物中搅拌，其中硅烷偶联剂与白炭黑的质量比为0.1%～2%；

S7、产品干燥：将步骤S6得到的浆液由螺杆泵输送到喷雾干燥塔，喷雾干燥后经大袋滤器和小袋滤器除尘分离，即成。

2.根据权利要求1所述的一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，其特征在于：在步骤S1中，向热水中通入水蒸汽。

3.根据权利要求1所述的一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，其特征在于：在步骤S1中，水玻璃的水溶液密度为1.3～1.4g/cm³。

4.根据权利要求1所述的一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，其特征在于：步骤S3中浓硫酸和水玻璃的流量比为1: 15～16。

5.根据权利要求1所述的一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，其特征在于：在步骤S4中采用的洗涤水温度为40～55^oC。

6.根据权利要求1所述的一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，其特征在于：所述步骤S6中硅烷偶联剂溶液中溶剂为乙醇，硅烷偶联剂为KH580。

7.根据权利要求6所述的一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，其特征在于：乙醇与KH580的质量比为0.5～2:1。

8.根据权利要求1所述的一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，其特征在于：在步骤S6中，将硅烷偶联剂溶液通过喷淋器喷淋到打浆罐中的浆料上，喷淋过程中对浆料进行持续搅拌，搅拌速率30～80r/min，搅拌时间3～60min。

9.根据权利要求8所述的一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，其特征在于：步骤S6中，搅拌速率40～70r/min，搅拌时间10～20 min。

10.根据权利要求1所述的一种用硅烷偶联剂改性白炭黑的快速制备方法，其特征在于：步骤S6中硅烷偶联剂与干基白炭黑的质量比为0.3%～0.7%。