CN112724711A - 一种高色素炭黑的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高色素炭黑的制备方法，其特征在于：包括将混合气体和炭黑进行氧化反应的步骤；所述的混合气体包括臭氧和其他气体；所述的臭氧和其他气体的体积比为1:100‑100:1；所述的混合气体的流速为0.01L/min‑50L/min；所述的氧化反应的反应温度为0℃‑100℃；所述的氧化反应的反应时间为10min‑20h。

Description

一种高色素炭黑的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高色素炭黑的制备方法及其制备装置，特别地，涉及一种通过包含臭氧和其他气体的混合气体对炭黑进行氧化的方法及装置。
背景技术
在古代，人们通过焚烧动植物油、松树枝，收集形成黑灰(最早的炭黑)，用于墨和黑色颜料的配制。1872年，世界上首次出现了炭黑的规模工业生产，同时形成了“CarbonBlack"(炭黑)这个术语。
色素炭黑是指用于印刷油墨、涂料、塑料等产品生产的炭黑，占非橡胶用炭黑的90％左右。对于色素炭黑的分类，国际上通常根据炭黑的着色能力，分为三类，即高色素炭黑、中色素炭黑和低色素炭黑。
涂料、油漆和印刷油墨的基料通常有极性，而普通炭黑表面官能团很少，本身没有极性，所以很难在溶剂中均匀分散。因此，需要对炭黑进行氧化处理，增加炭黑表面含氧官能团，从而增加炭黑表面极性，使其易于在溶剂中分散。
目前国内外使用的氧化改性技术分为液相氧化、气相氧化及等离子体氧化等。液相氧化使用硝酸、高锰酸钾、次氯酸钠等作为氧化剂，技术较为成熟，一般要经过氧化、水洗、干燥等过程，产生较多的废酸及废水，污染严重。等离子体氧化和催化剂氧化对实验条件要求高，所需成本也高。气相氧化使用的氧化剂主要有臭氧、氧气、空气和二氧化碳等，其中臭氧氧化炭黑技术具有氧化效率高、反应条件温和、绿色环保、成本低等优点。
Xu Chen等利用空气和臭氧氧化炭黑，XPS结果显示空气氧化使其表面的含氧量变为原来的7.3倍，臭氧处理后的表面含氧量是以前的10倍(Xu Chen,Mark Farber,etal.Mechanisms of surfactant adsorption on non-polar,air-oxidized and ozone-treated carbon surfaces[J]Carbon 2003，41(8)：1489-1500)。普通炭黑经过臭氧氧化处理后其挥发分提高，pH值由8.25变为3-4(尹献林，王海英，臭氧氧化炭黑表面改性的研究[J]，河北化工，2006，29(7)：17-19)。通过实验发现随着臭氧氧化时间的增加，炭黑的pH值下降、挥发份增加、流动度增加(吴海华,炭黑的氧化工艺以及氧化炭黑制备水性色浆研究[D].华东理工大学.2017:31-45)。
US2682448中的臭氧氧化装置采用滚筒装置以及废气再利用装置对炭黑进行氧化，使得氧化后炭黑pH值从9-10降低至2.9-7。US3353980和CN202509026中的臭氧氧化装置采用流化床装置对炭黑进行氧化。US3245820采用搅拌床将低结构炉黑(E.M.表面积在120-150m2/g之间，BET比表面积在100-170m2/g，吸油值在7-14gal/100lbs之间)与含有臭氧的气流接触，得到高流动高色素油墨。US3333979通过设备研磨炭黑，破坏炭黑的团聚结构，同时通入气体(空气、氧气、臭氧等)，增加炭黑化学活性，将制备的炭黑应用于丁基橡胶，可提高拉伸强度、延伸率、模量和耐磨性。CN201842796和CN1958145均是单独的物料混合氧化设备。US9388300为液相氧化装置，需要后续对炭黑进行干燥处理。
为便于实现工业化，本发明设计了一套反应高效、节能的气相氧化炭黑的方法和设备，设备包含内置抄板的臭氧氧化炭黑装置，可以加快物料混合，降低反应时间；包含尾气再利用装置，不仅能重复利用未反应的臭氧，还能够分离物料和尾气，不损害设备。
发明内容
本发明涉及一种高色素炭黑的制备方法，其特征在于：包括将混合气体和炭黑进行氧化反应的步骤；所述的混合气体包括臭氧和其他气体；所述的臭氧和其他气体的体积比为1:100-100:1；所述的混合气体的流速为0.01L/min-50L/min；所述的氧化反应的反应温度为0℃-100℃；所述的氧化反应的反应时间为10min-20h。
本发明所使用的炭黑没有特别限制，可以是粒料或者粉料。
优选地，所述的臭氧和其他气体的体积比为1:100-100:1，优选为1:50-90:1。
所述的其他气体为空气、氧气、循环尾气中的一种或其混合物。
所述的循环尾气为经气固分离设备处理后又经尾气再过滤设备过滤后得到的尾气。
优选地，所述混合气体流速为0.01L/min-50L/min，优选为0.1/min-30L/min。
优选地，所述反应温度为0℃-100℃，优选为10℃-80℃。
优选地，所述反应时间为10min-20h，优选为30min-10h。
本发明还公开了一种高色素炭黑的制备装置，包括臭氧发生设备、物料混合设备、气固分离设备和尾气分解设备，其特征在于，所述物料混合设备包含筒体、物料进口、物料出口、气体进口和尾气出口；所述的物料出口经阀体与物料罐连接；所述的气体进口与所述的臭氧发生设备连接；所述的尾气出口与所述的气固分离设备相连；所述的气固分离设备可与所述的尾气分解设备相连；所述的筒体可以转动。
优选地，所述筒体的转速在0-10r/min，优选为1-8r/min，可变频调速。
优选地，还包括尾气再过滤设备，所述尾气再过滤设备包含依次连接的空气过滤器和精密过滤器。
所述臭氧发生设备的进气口可通入空气，所述臭氧发生设备出气口与所述的物料混合设备相连。
所述臭氧发生设备的进气口也可与所述的尾气再过滤设备相连，通入循环尾气。
所述物料混合设备采用不锈钢材质，内置若干抄板，所述抄板与筒壁的夹角在30°-120°；优选为50°-100°。
所述气固分离设备为一个或多个旋风分离器，所述的固气分离设备与所述的尾气分解设备和/或所述的尾气再过滤设备连接。
所述尾气分解设备可以采用高温或催化剂破坏尾气中的臭氧。
所述尾气再过滤设备包含依次连接的空气过滤器和精密过滤器，尾气经尾气再过滤设备被进一步去除粉尘，防止粉尘通过尾气再利用管道进入臭氧发生器。
通过本发明的方法所获得的炭黑，所述的炭黑的流动度大于20mm，pH值小于6，反射率小于30。
本发明还公开了所述的炭黑在油墨、涂料、电池、塑料、造纸中的应用。
本发明目的在于提供一种高色素炭黑制备方法及装置，该方法简便易行，成本低，有利于制备高色素炭黑，同时装置结构简单，易于操作，可回收再利用尾气。
本发明所选用的炭黑可以是粒料或者粉料，通过控制臭氧浓度、气流量、压力、反应温度和滚筒的转速等工艺条件，改变炭黑的pH值、流动度和黑度等指标，所制备的炭黑具有流动度高，pH值低，黑度反射率低等特点。
本发明中的用语“包含”、“包括”、“含有”、“有”等表示不排除没有在本发明中列举的其他成分或步骤。
附图说明
图1为本发明的高色素炭黑制造装置的结构示意图。
附图标记说明：1-臭氧发生器；2-筒体；3-物料进口；4-物料出口；5-物料罐1；6-电机；7-物料罐2；8-旋风分离器1；9-物料罐3；10-旋风分离器2；11-尾气分解设备；12-空气过滤器；13-精密过滤器。
具体实施方式
实施例1
结合附图1，对本发明的设备描述如下：
炭黑从物料进口进入筒体，电机通过轴承带动筒体匀速转动，臭氧发生器制备的臭氧和空气的混合气体通过气体进口进入筒体，筒体内部含有若干抄板，使得炭黑能够与混合气体充分接触进行氧化反应，经过充分氧化的炭黑通过物料出口进入物料罐1进行收集，尾气通过筒体的气体出口进入旋风分离器1，在旋风分离器1中进行气固分离，分离后的炭黑进入物料罐2，将从旋风分离器1出来的尾气通入旋风分离器2，再次进行气固分离，分离后的炭黑进入物料罐3，尾气通过三通管，可以直接进入尾气分解器设备进行尾气处理，也可以通过空气过滤器及精密过滤器作为气源进入臭氧发生器。
实施例2
臭氧由空气源臭氧发生器产生，臭氧与空气的体积比为10:1，气体流速5L/min，滚筒转速1r/min，反应温度40℃，炭黑氧化1h时，产出炭黑的主要技术指标如表一所示：
表一氧化前后炭黑性能指标
处理前 处理后 参考国标
pH 8.9 3.0 GB/T7045
流动度/mm 16.5 28.5 GB/T7052
黑度(反射率) 37.8 25.1 GB/T7048
实施例3
臭氧由空气源臭氧发生器产生，臭氧与氧气的体积比为1:1，气体流速10L/min，滚筒转速6r/min，反应温度20℃，炭黑氧化0.5h时，生产出炭黑的主要技术指标如表二所示：
表二氧化前后炭黑性能指标
处理前 处理后 参考国标
pH 8.9 2.3 GB/T7045
流动度/mm 16.5 30.6 GB/T7052
黑度(反射率) 37.8 22.1 GB/T7048
实施例4
臭氧由空气源臭氧发生器产生，臭氧与循环尾气的体积比为1:5，气体流速2L/min，滚筒转速3r/min，反应温度30℃，炭黑氧化2h时，生产出炭黑的主要技术指标如表三所示：
表三氧化前后炭黑性能指标
Figure BDA0002891314950000041
Figure BDA0002891314950000051

Claims (4)

1.一种高色素炭黑的制备方法，其特征在于，包括将混合气体和炭黑进行氧化反应的步骤；所述的混合气体包括臭氧和其他气体；所述的臭氧和其他气体的体积比为1:100-100:1；所述的混合气体的流速为0.01L/min-50L/min；所述的氧化反应的反应温度为0℃-100℃；所述的氧化反应的反应时间为10min-20h。
2.一种高色素炭黑的制备方法，其特征在于，所述的其他气体为空气、氧气、循环尾气中的一种或其混合物。
3.一种根据权利要求1所述的方法获得的炭黑，其特征在于，所述的炭黑的流动度大于20mm，pH值小于6，反射率小于30。
4.根据权利要求3所述的炭黑在油墨、涂料、电池、塑料、造纸中的应用。
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