[发明专利]一种低模数水玻璃碳化沉淀法制备白炭黑的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低模数水玻璃碳化沉淀法制备白炭黑的方法。

背景技术

白炭黑是白色粉末状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、超细二氧化硅凝胶和气凝胶，也包括粉末状合成硅酸铝和硅酸钙等。白炭黑是多孔性物质，其组成可用SiO₂·nH₂O表示，其中nH₂O是以表面羟基的形式存在，能溶于苛性碱和氢氟酸，不溶于水、溶剂和酸（氢氟酸除外），耐高温、不燃、无味、无嗅、具有很好的电绝缘性，由于其具有一系列优越性，使它能够广泛应用于许多领域。

传统白炭黑按生产方法大体分为气相法白炭黑和沉淀法白炭黑。气相法主要为化学气相沉积（CAV）法，又称热解法、干法或燃烧法。气相法白炭黑在常态下为白色无定形絮状物，是半透明胶状纳米粒子，有巨大的比表面积，产品纯度可达99%，粒径在10～20nm范围内，但制备工艺复杂，价格昂贵；气相白炭黑主要用作硅橡胶的补强剂、涂料和不饱和树脂增稠剂；超细二氧化硅凝胶和气凝胶主要用作涂料消光剂、增稠剂、塑料薄膜开口剂等。沉淀法白炭黑又分为传统沉淀法白炭黑和特殊沉淀法白炭黑，前者是指以硫酸、盐酸、CO₂与水玻璃为基本原料生产的二氧化硅，后者是指采用超重力技术、溶胶～凝胶法、化学晶体法、二次结晶法或反相胶束微乳液法等特殊方法生产的二氧化硅。沉淀白炭黑主要用作天然橡胶和合成橡胶的补强剂、牙膏摩擦剂等。

制备白炭黑的传统方法是利用硅酸钠、四氯化硅、正硅酸乙酯做硅源，除硅酸钠以外，其它成本都很高，因此，一般情况下都以工业水玻璃为原料。现有技术中有采用廉价的非金属矿作为硅源，采用沉淀法制备白炭黑，有利于降低白炭黑的生产成本。其技术关键是将结晶的二氧化硅和硅酸盐转变成非晶态二氧化硅。原料主要有硅灰石、蛋白石、埃洛石、橄榄石、蛇蚊石、高岭土、硬质高岭土、煤矸石、粉煤灰等。最具代表性的工艺技术如下：

（1）以高岭土或硬质高岭土为原料

先将高岭土或硬质高岭土粉碎至50～60目，然后在500～600℃高温下焙烧2小时，再将焙烧土与浓度30%的工业盐酸按1：2.5（重量）配料，在90℃左右酸浸7小时，经中和、过滤、洗涤、干燥得到白炭黑，产品质量符合GB10507～89标准；同时得到高效净水剂聚合氯化铝。焙烧及酸浸反应式如下：

焙烧：Al₂O₃·2Si0₂·2H₂0—>Al₂O₃·2Si0₂+2H₂0

酸浸：Al₂O₃·2Si0₂+6HCl+9H₂0—>2AlCl₃·6H₂0+2SiO₂

（2）以煤矸石或粉煤灰为原料

先将煤矸石或粉煤灰粉碎至粒度小于120目，然后分两步：

第一步生产硅酸钠：将粉碎的煤矸石或粉煤灰与纯碱按重量比1：50混合均匀，经高温冶融（1400～1500℃，1小时）、水萃浸溶（100℃以上，4～5小时）、过滤去杂质、浓缩滤液到45～46波美度即得到硅酸钠。

第二步生产白炭黑：先将硅酸钠配成水玻璃溶液（模数为2.4～3.6，SiO₂含量为4～10%），然后在5～20%的硫酸中酸浸（28～32℃，8～16小时），再升温至80℃，调节PH值为5～7，熟化20分钟，再经过滤洗涤、干燥、分选，得到白炭黑。

由于沉淀法原料易得、工艺简单、生产成本低，易于针对不同原料，提出创新性的技术方法。如CN1094696公开的一种沉淀法白炭黑的一种新生产方法，是采用精选后的高岭土代替传统的水玻璃法生产沉淀法白炭黑，简化了工艺，降低了原料消耗和成本。又如CN1911800公开的一种用粉煤灰制备白炭黑和纯沸石分子筛的方法，其特征在于选用含SiO₂为30～65％的高硅粉煤灰为原料，和碳酸钠一起在830℃下焙烧，恒温1小时，高硅粉煤灰和碳酸钠的重量比为1∶1～1.5，得到以硅酸钠和硅铝酸钠为主的焙烧产物，制备硅酸钠，向硅酸钠溶液中通入CO₂，通过沉淀法制备白炭黑产品。