專利名稱：一種白碳黑的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種白碳黑的制備方法。
背景技術(shù)：
白碳黑是一種由一次粒徑為數(shù)十個納米的無定形二氧化硅納米顆粒，通過分子間 作用或其他物理化學(xué)作用形成微米級的二次顆粒，無數(shù)二次顆粒堆積而成的質(zhì)輕、蓬松粉 末。由于一次粒徑細(xì)達(dá)納米量級，白碳黑又被稱為納米白碳黑。白碳黑有納米級的一次粒 徑，具有極大的比表面積、極高的純度，從而表現(xiàn)出許多性能卓越的補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性、觸變 性、消光性、分散性、絕緣性等等。在橡膠、塑料、涂料、油漆、醫(yī)藥、造紙、電子、日化等行業(yè)有 廣泛的應(yīng)用。 目前白碳黑的制備方法主要有氣相法和液相沉淀法，這些制備方法普遍存在原料 價格昂貴、設(shè)備要求高、工藝復(fù)雜等缺陷。 氣相法是以四氯化硅、氯硅烷或硅氧烷等有機(jī)硅化合物和氫氣、氧氣混合物發(fā)生
燃燒反應(yīng)，生產(chǎn)納米尺寸的二氧化硅顆粒，經(jīng)分離、脫酸得到氣相法白碳黑。這種方法投資
巨大，設(shè)備和技術(shù)要求很高，能耗和污染都很大，得到的氣相法白碳黑成本很高。 液相法主要采用各種方法制備的水玻璃(即硅酸鈉)作為原料，經(jīng)過除雜質(zhì)、加酸
酸化發(fā)生沉淀、老化、過濾、洗滌、粉碎等工藝步驟。這種方法也存在工藝復(fù)雜、反應(yīng)設(shè)備要
求高、制備的白碳黑粒徑分布范圍大、粒子容易團(tuán)聚等不足之處。 中國專利公報公布了公開號為CN101332994A、發(fā)明名稱為"一種補(bǔ)強(qiáng)白碳黑的制 備方法"的申請文件，它介紹了一種白碳黑的制備方法，使用硅酸鈉作為原料，制備過程包 括加硫酸反應(yīng)，老化，加熱攪拌，調(diào)節(jié)PH值，再次加熱反應(yīng)，過濾，打漿，干燥等步驟得到白 碳黑，工藝十分復(fù)雜。 中國專利公報公布了另一份公開號為CN1424362A、發(fā)明名稱為"用硅溶膠制備納 米白碳黑的方法"的申請文件，它介紹了一種用硅溶膠來制備白碳黑的方法，通過在硅溶膠 中加入乙醇或異丙醇，調(diào)節(jié)酸堿度后得到二氧化硅的膠狀沉淀物，再經(jīng)溶劑交換、干燥等步 驟后制得納米白碳黑。該方法使用了有機(jī)溶劑，溶劑回收困難，得到的二氧化硅膠狀沉淀干 燥不易，也存在成本較高，工藝復(fù)雜的缺點。 總之，目前國內(nèi)外仍然沒有找到簡單易行、成本低廉的高純、超細(xì)白碳黑的制備方 法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單、成本低廉、投資低的白碳黑的制備方法。
本發(fā)明使用硅溶膠為原料，通過先冷凍再解凍的簡單物理方法將硅溶膠中的納米 顆粒分離出來，從而制備出白碳黑。
該方法的工藝過程如下 (1)選取原料硅溶膠，其配分以重量百 比計算
選取pH為2. 0 12、比重為1. 14 1.3g/cm3、 Si02含量為20% 40%、含水量 為59. 6% 79. 96%、 Na20含量為0. 04% 0. 40%、 Si02膠體顆粒的粒徑在5 40nm之 間的硅溶膠為原料； (2)通過先冷凍再解凍的方法將Si02從硅溶膠中分離 將硅溶膠裝入容器，放在冷凍室內(nèi)冷卻到整體完全結(jié)冰，然后將盛有硅溶膠結(jié)冰 體的容器移出冷凍室并解凍，待完全解凍后，水合Si(^即和水分離，以透明片狀顆粒的形式 沉積在容器底部，然后通過過濾的方法將該片狀沉積物分離出來； (3)采用濕法磨細(xì)或干法粉碎所述水合Si02的透明片狀顆粒沉積物得到白碳黑。
當(dāng)水合Si02的透明片狀顆粒沉積物中鈉離子含量較高時需進(jìn)行浸泡純化處理
將先冷凍再解凍得到的水合Si02的透明片狀顆粒沉積物用純凈水浸泡、過濾處理 以除去被水合Si(^夾帶著一同從水中分離出的少量鈉離子，浸泡、過濾次數(shù)根據(jù)需要而定。
可以采用濕法磨細(xì)水合Si02的透明片狀顆粒沉積物得到白碳黑 將得到的水合si(^的透明片狀顆粒沉積物和水按i : 5 5 : i的質(zhì)量比混合，
用球磨機(jī)或攪拌球磨機(jī)研磨成水分散體漿料，然后將該漿料進(jìn)行噴霧干燥，得到白碳黑。
也可以采用干法粉碎得到白碳黑 將得到的水合Si02的透明片狀顆粒沉積物經(jīng)過90 105t:干燥后，利用干法球磨
機(jī)或干法攪拌球磨機(jī)進(jìn)行干法粉碎，得到白碳黑。 所述原料硅溶膠可以采用下列三種不同酸堿度的硅溶膠，其配分以重量百分比計 算 ①硅溶膠pH為9 11、比重為1. 14 1. 30g/cm3、Si02含量為20 % 40%、Na20 含量為0. 40%、水含量為59. 6% 79. 6%、 Si02膠體顆粒的粒徑在8 35nm之間。
②硅溶膠pH為6. 5 8. 5、比重為1. 14 1. 30g/cm3、 Si02含量為20 40%，水 含量為59. 96 79. 96%、 Na20含量為0. 04%、 Si02膠體顆粒的粒徑在8 35nm之間。
③硅溶膠pH為2 3、比重為1. 14 1. 2g/cm3、Si02含量為20 30%、水含量為 69. 96 79. 96% 、 Na20含量為0. 04% 、 Si02膠體顆粒的粒徑在8 35nm之間。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著效果 (1)用本發(fā)明的方法制備白碳黑，其工藝簡單、成本低廉。本方法采用簡單、獨 創(chuàng)的先冷凍再解凍的工藝將納米二氧化硅顆粒從硅溶膠中分離，只需要簡單易行的冷凍、 解凍過程就可以使硅溶膠中分散懸浮的二氧化硅納米粒子和硅溶膠中的水完全、徹底地 分離，分離后經(jīng)過簡單的研磨處理就可以得到白碳黑。而現(xiàn)有的以硅酸鈉為原料的化學(xué)
法制備白碳黑的方法，例如發(fā)明專利"一種補(bǔ)強(qiáng)白碳黑的制備方法"(中國專利公開號為 CN101332994A)所公開的一種白碳黑制備方法，它使用硅酸鈉作為原料，制備過程包括加硫 酸反應(yīng)、老化、加熱攪拌、調(diào)節(jié)pH值，再次加熱反應(yīng)，過濾，打漿，干燥等步驟得到白碳黑，工 藝十分復(fù)雜。中國專利公告號為CN1424362A，所公開的用硅溶膠制備納米白碳黑的方法中， 也存在復(fù)雜的工藝過程，包括外加有機(jī)溶劑、調(diào)節(jié)pH值、溶劑交換等過程，原料消耗多，溶 劑回收困難，工藝及設(shè)備復(fù)雜，成本較高。而本發(fā)明僅需要簡單的先冷凍再解凍一個物理過 程就可以將納米二氧化硅分離出來，使白碳黑制備的中間步驟大大減少，從而大大地降低 了成本，穩(wěn)定了白碳黑的性能。 (2)用本發(fā)明方法制備的白碳 的純度完全可以通過原料硅溶膠的純度來控制。也就是說可以使用純度較低、含有較多鈉離子含量的硅溶膠作為原料，通過純凈水多次浸 泡洗滌水合Si(^的透明片狀顆粒沉積物的方法來降低白碳黑中的雜質(zhì)鈉離子的含量，達(dá)到 白碳黑的質(zhì)量要求。
具體實施例方式
通過下面實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)闡述。 實施例1 :選用市售的堿性硅溶膠作為原料來制備白碳黑，其硅溶膠的理化參數(shù) 為pH值為10. 5，比重為1. 3g/cm3，Si02含量為40X，Na20含量為0. 40%，水含量為59. 6%， Si02膠體顆粒的粒徑在8 35nm之間，粒度分布均勻，顏色透明澄清透淡藍(lán)光。將此硅溶 膠盛入容器內(nèi)，放入冷凍室內(nèi)冷凍直到硅溶膠完全凍結(jié)成冰狀固體。然后，將該凍結(jié)物連同 容器一起移出冷凍室進(jìn)行解凍。隨解凍過程的進(jìn)行，可以觀察到容器底部逐漸沉積越來越 多的透明片狀固體顆粒，解凍完成后，硅溶膠中的二氧化硅膠體顆粒全部以透明片狀固體 顆粒的形式沉積在容器底部，而且該片狀固體顆粒之間無粘連，濾水性好。通過過濾將二氧 化硅的透明片狀固體顆粒和水分開。將透明片狀固體顆粒用純凈水浸泡，然后過濾，又重復(fù) 浸泡，過濾，這樣重復(fù)4次，得到的二氧化硅片狀固體顆粒中鈉離子的含量可以降到0. 04% 以下。得到的二氧化硅片狀固體顆粒經(jīng)90-105t:干燥后用干法球磨機(jī)球磨5小時，得到本 發(fā)明的白碳黑。 實施例2 :按實施例1得到的二氧化硅透明片狀固體顆粒加入同等質(zhì)量的水混合， 用濕法球磨機(jī)研磨5小時，得到均勻的水分散體漿料，然后進(jìn)行噴霧干燥，得到白碳黑。
實施例3 :選用中性硅溶膠為原料制備白碳黑，其硅溶膠理化參數(shù)為pH為7，比重 為1. 14g/cm3， Si(^含量為20%，化20含量為0. 04%，水含量為79.96%， Si02膠體顆粒的 粒徑在5-40nm之間，粒度分布均勻，顏色透明澄清透淡藍(lán)光。將此硅溶膠盛入容器內(nèi)，放入 冷凍室內(nèi)冷凍直到硅溶膠完全凍結(jié)成冰狀固體。然后，將該凍結(jié)物連同容器一起移出冷凍 室進(jìn)行解凍。隨解凍過程的進(jìn)行，可以觀察到容器底部逐漸沉積越來越多的透明片狀固體 顆粒，解凍完成后，硅溶膠中的二氧化硅顆粒全部以透明片狀固體顆粒的形式沉積在容器 底部，而且該片狀固體顆粒之間無粘連，濾水性好。過濾將二氧化硅的透明片狀固體顆粒和 水分開。得到的水合二氧化硅片狀固體顆粒經(jīng)過90-105t:干燥后，用干法攪拌球磨極粉碎 5小時，得到白碳黑。 實施例4:按實施例3得到的水合二氧化硅透明片狀固體顆粒和水按1 : 5的質(zhì) 量比進(jìn)行混合，用球磨機(jī)研磨5小時，得到均勻的水分散體漿料，然后進(jìn)行噴霧干燥，得到
白碳黑。 實施例5 :選酸性硅溶膠為原料制備白碳黑，其硅溶膠理化參數(shù)為pH值為2. 2，比 重為1. 2g/cm Si02含量為30%，化20含量為0. 1%，水含量為69. 90%， Si02膠體顆粒的粒 徑在8 35nm之間，粒度分布均勻，顏色透明澄清透淡藍(lán)光。將此硅溶膠盛入容器內(nèi)，放入 冷凍室內(nèi)冷凍直到硅溶膠完全凍結(jié)成冰狀固體。然后，將該凍結(jié)物連同容器一起移出冷凍 室進(jìn)行解凍。隨解凍過程的進(jìn)行，可以觀察到容器底部逐漸沉積越來越多的透明片狀固體 顆粒，解凍完成后，硅溶膠中的二氧化硅顆粒絕大部分以透明片狀固體顆粒的形式沉積在 容器底部，而且該片狀固體顆粒之間無粘連，濾水性好。過濾將二氧化硅的透明片狀固體顆 粒和水分開。將透明片狀固體顆粒用純凈水浸泡，然后過濾，又重復(fù)浸泡、過濾，這樣重復(fù)6
5次，得到的二氧化硅片狀固體顆粒中鈉離子的含量可以降到0. 04%以下。得到的水合二氧 化硅片狀固體顆粒經(jīng)過90-105t:干燥后，用干法球磨機(jī)球磨5小時，得到白碳黑。
實施例6 :按實施例5得到的二氧化硅透明片狀固體顆粒和水按5 : 1的質(zhì)量比 進(jìn)行混合，用攪拌球磨機(jī)球磨5小時，得到均勻水分散體漿料，然后進(jìn)行噴霧干燥，得到白碳黑。
權(quán)利要求
一種白碳黑的制備方法，其特征在于該制備方法步驟為(1)選取原料硅溶膠，其配方以重量百分比計算選取pH為2.0～12、比重為1.14～1.3g/cm3、SiO2含量為20％～40％、含水量為59.6％～79.96％、Na2O含量為0.04％～0.40％、SiO2膠體顆粒的粒徑在5～40nm之間的硅溶膠為原料；(2)通過先冷凍再解凍的方法將SiO2從硅溶膠中分離將所述硅溶膠裝入容器，放在冷凍室內(nèi)冷卻到整體完全結(jié)冰，然后將盛有結(jié)冰硅溶膠的容器移出冷凍室并解凍，待完全解凍后，水合SiO2即和水分離，以透明片狀顆粒的形式沉積在容器底部，然后經(jīng)過過濾將透明片狀顆粒沉積物分離出來；(3)通過干法或濕法磨細(xì)水合SiO2的透明片狀顆粒沉積物得到白碳黑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述白碳黑的制備方法，其特征在于所述硅溶膠pH為9 11、比重為1. 14 1. 30g/cm3、Si02含量為20% 40% 、Na20含 量為0. 40%、水含量為59. 6% 79. 6%、Si02膠體顆粒的粒徑在8 35nm之間，其配分以 重量百分比計算。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述白碳黑的制備方法，其特征在于所述硅溶膠pH為6. 5 8. 5、比重為1. 14 1. 30g/cm3、 Si02含量為20 40%，水含 量為59. 96 79. 96%、 Na20含量為0. 04%、 Si02膠體顆粒的粒徑在8 35nm之間，其配 分以重量百分比計算。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述白碳黑的制備方法，其特征在于所述硅溶膠pH為2 3、比重為1. 14 1. 2g/cm3、 Si02含量為20 30%、水含量為 69. 96 79. 96%^&20含量為0. 04%、Si02膠體顆粒的粒徑在8 35nm之間，其配分以重 量百分比計算。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述白碳黑的制備方法，其特征在于將先冷凍再解凍得到的水合Si02的透明片狀顆粒沉積物用純凈水多次浸泡、過濾處 理，將鈉離子在白碳黑中的含量降低至0. 04%以下。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述白碳黑的制備方法，其特征在于將得到的水合Si(^的透明片狀顆粒沉積物和水按l : 5 5 : l的質(zhì)量比混合，用球 磨機(jī)、或攪拌球磨機(jī)研磨成水分散體漿料，然后將該漿料進(jìn)行噴霧干燥，得到白碳黑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述白碳黑的制備方法，其特征在于將得到的水合Si02的透明片狀顆粒沉積物經(jīng)過90-105t:干燥后，用干法球磨機(jī)或干法 攪拌球磨機(jī)進(jìn)行干法粉碎，得到白碳黑。
全文摘要
一種白碳黑的制備方法，是以pH為2.0～12、比重為1.14～1.3g/cm3、SiO2含量為20％～40％、水含量為59.6％～79.96％、Na2O含量為0.04％～0.40％、SiO2膠體顆粒的粒徑在5～40nm之間的硅溶膠為原料，首先將硅溶膠裝入容器，放入冷凍室內(nèi)冷卻到整體完全結(jié)冰，然后隨容器取出解凍，解凍完成后，容器底部出現(xiàn)一層透明近似片狀的水合二氧化硅固體沉積物，容器上部為水，將容器底部的固體分離出來，經(jīng)磨細(xì)、干燥，得到白碳黑。本發(fā)明工藝簡單，成本低廉，設(shè)備通用、投資少，3得到的片狀二氧化硅固體物純度高、容易磨細(xì)。
文檔編號C01B33/12GK101792148SQ201010106489
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者桂勁寧, 陸偉鋒 申請人:佛山市博奧科技材料有限公司