CN108584966A - 一种高分散高补强性白炭黑的制备方法 - Google Patents

一种高分散高补强性白炭黑的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高分散高补强性白炭黑的制备方法，包括以下步骤：配制硅酸钠溶液，向所述硅酸钠溶液中加入硫酸和偶联剂，反应结束后，对浆料进行压滤，所得滤饼经清洗、干燥、磨粉，即得。该方法在硫酸法制备白炭黑中加入少量的偶联剂KH550，能够减小白炭黑的粒径，增加比表面积和分散性，KH550的亲油基团与橡胶中的大分子发生链缠绕式反应，使白炭黑具有高的补强性。

Description

一种高分散高补强性白炭黑的制备方法
技术领域
本发明属于白炭黑生产制备技术领域，具体涉及一种高分散高补强性白炭黑的制备方法。
背景技术
白炭黑是白色粉末状X-射线无定形硅酸和硅酸盐产品的总称，主要是指沉淀二氧化硅、气相二氧化硅和超细二氧化硅凝胶，也包括粉末状合成硅酸铝和硅酸钙等，其组成可用SiO2·nH2O表示，其中nH2O是以表面羟基的形式存在。
沉淀法白炭黑是指以硫酸、盐酸、CO2与水玻璃为基本原料生产的二氧化硅，以无定型的微孔粉体形式存在，具有较大的比表面积，是一种重要的化工原料，由于其具有良好的吸附、阻燃、绝缘、悬浮、振动液化、触变、光散射、表面接枝改性等特性，在橡胶工业中作为补强剂广泛应用。在沉淀法白炭黑制备过程中，硅酸分子的自聚和聚合度的程度决定了白炭黑产品的粒子大小，粒径越大分散性越差，粒径越小分散性越好，补强性越好。现有沉淀法白炭黑制备过程中普遍存在白炭黑粒径大、分散性和补强性不高的问题，用于橡胶中会降低橡胶产品的扯断强度、撕裂强度等性能。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种高分散高补强性白炭黑的制备方法，依该方法生产的白炭黑产品比表面积大，用于橡胶原料中具有高的分散性和补强性。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种高分散高补强性白炭黑的制备方法，包括以下步骤：
配制硅酸钠溶液，向所述硅酸钠溶液中加入硫酸和偶联剂，反应结束后，对浆料进行压滤，所得滤饼经清洗、干燥、磨粉，即得。
进一步的，所述方法具体包括以下步骤：
(1)硅酸钠溶液的配制
将固体硅酸钠放入水中，加热使固体硅酸钠溶解，过滤，加水稀释，得硅酸钠溶液；
(2)反应
向步骤(1)得到的硅酸钠溶液中滴加硫酸，当反应体系的pH值≤9.0时开始滴加偶联剂，当反应体系的pH值≤7时停止加入硫酸，继续反应，反应过程一直搅拌；
(3)压滤
步骤(2)反应结束后停止搅拌，待浆料冷却后进行压滤，得滤饼；
(4)后处理
将步骤(3)得到的滤饼用水清洗，然后进行干燥、研磨成分，即得白炭黑。
更进一步的，所述步骤(1)中，用于溶解固体硅酸钠的水与固体硅酸钠的重量比为1:1，所述加热的温度控制在60-70℃，溶解固体硅酸钠的时间在1h以上；
稀释后硅酸钠溶液的浓度为16-17wt％。
更进一步的，所述步骤(2)中，所述硫酸的浓度为20wt％，硫酸的滴加时间控制在2h以上；
所述偶联剂为KH550，偶联剂的添加量为步骤(1)中固体硅酸钠重量的0.1-0.15％，偶联剂的滴加时间控制在0.5-1h。
更进一步的，所述步骤(2)中，继续反应的时间为2-2.5h，搅拌速率为25rpm，整个反应过程控制体系的温度在60-80℃之间。
更进一步的，所述步骤(3)中，料浆冷却至30℃以下开始压滤。
硅酸钠在硫酸作用下，硅酸根离子水解得到硅酸，硅酸脱水得到二氧化硅分子，二氧化硅聚合得到聚合态的二氧化硅粒子。本发明在反应体系中加入少量的偶联剂KH550，氨基官能团与硅酸分子键合，减小了硅酸分子脱水后二氧化硅分子的聚合度，从而提高了产品的比表面积，增强了其分散性。KH550同时具有亲水和亲油基团，当所得白炭黑用于橡胶生产时，亲油基团可以通过与高分子链缠绕的方式发生反应，提高了橡胶的强度。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的高分散高补强性白炭黑的制备方法，在硫酸法制备白炭黑中加入少量的偶联剂KH550，能够减小白炭黑的粒径，增加比表面积和分散性，KH550的亲油基团与橡胶中的大分子发生链缠绕式反应，使白炭黑具有高的补强性。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的各原料均为市场可得产品。
实施例1
一种沉淀白炭黑的制备方法，称取10kg固体硅酸钠置于10kg水中，加热至60-70℃使固体充分溶解，溶解时间90min。过滤，加水调节硅酸钠水溶液的浓度到16-17wt％之间。将硫酸稀释到20wt％，滴加到硅酸钠水溶液中，当反应体系pH值≤9.0时滴加偶联剂KH550，KH550的用量为10g，用水稀释后滴加。当反应体系pH值≤7时停止加入硫酸。整个反应过程以25rpm的速率进行搅拌，控制反应体系的温度在60-80℃之间，硫酸的滴加时间控制在2h以上，KH550的滴加时间为30min。停止滴加硫酸后继续搅拌反应2.5h。反应后停止搅拌，待浆料冷却至30℃以下进行压滤，得滤饼。将所得滤饼用水反复清洗，去除滤饼中的硫酸钠等杂质，然后进行干燥，研磨成粉，即得白炭黑。
按照HG/T3073-1999《橡胶配合剂沉淀水合二氧化硅比表面积的测定氮吸附方法》规定的方法测定产物的SBET为188㎡/g。
实施例2
一种沉淀白炭黑的制备方法，称取10kg固体硅酸钠置于10kg水中，加热至60-70℃使固体充分溶解，溶解时间90min。过滤，加水调节硅酸钠水溶液的浓度到16-17wt％之间。将硫酸稀释到20wt％，滴加到硅酸钠水溶液中，当反应体系pH值≤9.0时滴加偶联剂KH550，KH550的用量为13g，用水稀释后滴加。当反应体系pH值≤7时停止加入硫酸。整个反应过程以25rpm的速率进行搅拌，控制反应体系的温度在60-80℃之间，硫酸的滴加时间控制在2h以上，KH550的滴加时间为45min。停止滴加硫酸后继续搅拌反应2h。反应后停止搅拌，待浆料冷却至30℃以下进行压滤，得滤饼。将所得滤饼用水反复清洗，去除滤饼中的硫酸钠等杂质，然后进行干燥，研磨成粉，即得白炭黑。
按照HG/T3073-1999《橡胶配合剂沉淀水合二氧化硅比表面积的测定氮吸附方法》规定的方法测定产物的SBET为196㎡/g。
实施例3
一种沉淀白炭黑的制备方法，称取10kg固体硅酸钠置于10kg水中，加热至60-70℃使固体充分溶解，溶解时间90min。过滤，加水调节硅酸钠水溶液的浓度到16-17wt％之间。将硫酸稀释到20wt％，滴加到硅酸钠水溶液中，当反应体系pH值≤9.0时滴加偶联剂KH550，KH550的用量为15g，用水稀释后滴加。当反应体系pH值≤7时停止加入硫酸。整个反应过程以25rpm的速率进行搅拌，控制反应体系的温度在60-80℃之间，硫酸的滴加时间控制在2h以上，KH550的滴加时间为60min。停止滴加硫酸后继续搅拌反应2h。反应后停止搅拌，待浆料冷却至30℃以下进行压滤，得滤饼。将所得滤饼用水反复清洗，去除滤饼中的硫酸钠等杂质，然后进行干燥，研磨成粉，即得白炭黑。
按照HG/T3073-1999《橡胶配合剂沉淀水合二氧化硅比表面积的测定氮吸附方法》规定的方法测定产物的SBET为195㎡/g。
对比例
一种沉淀白炭黑的制备方法，称取10kg固体硅酸钠置于10kg水中，加热至60-70℃使固体充分溶解，溶解时间90min。过滤，加水调节硅酸钠水溶液的浓度到16-17wt％之间。将硫酸稀释到20wt％，滴加到硅酸钠水溶液中。当反应体系pH值≤7时停止加入硫酸。整个反应过程以25rpm的速率进行搅拌，控制反应体系的温度在60-80℃之间，硫酸的滴加时间控制在2h以上。停止滴加硫酸后继续搅拌反应2h。反应后停止搅拌，待浆料冷却至30℃以下进行压滤，得滤饼。将所得滤饼用水反复清洗，去除滤饼中的硫酸钠等杂质，然后进行干燥，研磨成粉，即得白炭黑。
按照HG/T3073-1999《橡胶配合剂沉淀水合二氧化硅比表面积的测定氮吸附方法》规定的方法测定产物的SBET为132㎡/g。
性能测试
将本发明实施例1-3及对比例的白炭黑作为橡胶补强剂，与天然橡胶、丁苯橡胶、滑石粉、偶联剂、促进剂等按比例进行混炼，硫化成型。测试所得橡胶产品的性能。
使用电脑系统拉力试验机(GT-TCS-2000)测试扯断强度、扯断延伸率和撕裂强度。
使用AKRON耐磨试验机(GT-7012-A)测试磨耗。
测试结果见下表。
扯断强度MPa 扯断延伸率％ 撕裂强度kN/m 磨耗cm3/1.61km
实施例1 32.4 671 195 0.08
实施例2 35.8 710 210 0.08
实施例3 34.6 695 198 0.09
对比例 24.4 566 138 0.17
由实施例1-3、对比例的比表面积及上表可见，本发明实施例的白炭黑相比普通的沉淀白炭黑具有更大的比表面积，分散性好，用于橡胶补强剂能够明显提高橡胶的力学性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高分散高补强性白炭黑的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
配制硅酸钠溶液，向所述硅酸钠溶液中加入硫酸和偶联剂，反应结束后，对浆料进行压滤，所得滤饼经清洗、干燥、磨粉，即得。
2.根据权利要求1所述的高分散高补强性白炭黑的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
(1)硅酸钠溶液的配制
将固体硅酸钠放入水中，加热使固体硅酸钠溶解，过滤，加水稀释，得硅酸钠溶液；
(2)反应
向步骤(1)得到的硅酸钠溶液中滴加硫酸，当反应体系的pH值≤9.0时开始滴加偶联剂，当反应体系的pH值≤7时停止加入硫酸，继续反应，反应过程一直搅拌；
(3)压滤
步骤(2)反应结束后停止搅拌，待浆料冷却后进行压滤，得滤饼；
(4)后处理
将步骤(3)得到的滤饼用水清洗，然后进行干燥、研磨成分，即得白炭黑。
3.根据权利要求2所述的高分散高补强性白炭黑的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，用于溶解固体硅酸钠的水与固体硅酸钠的重量比为1:1，所述加热的温度控制在60-70℃，溶解固体硅酸钠的时间在1h以上；
稀释后硅酸钠溶液的浓度为16-17wt％。
4.根据权利要求2所述的高分散高补强性白炭黑的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述硫酸的浓度为20wt％，硫酸的滴加时间控制在2h以上；
所述偶联剂为KH550，偶联剂的添加量为步骤(1)中固体硅酸钠重量的0.1-0.15％，偶联剂的滴加时间控制在0.5-1h。
5.根据权利要求2所述的高分散高补强性白炭黑的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，继续反应的时间为2-2.5h，搅拌速率为25rpm，整个反应过程控制体系的温度在60-80℃之间。
6.根据权利要求2所述的高分散高补强性白炭黑的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，料浆冷却至30℃以下开始压滤。
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