白炭黑的制备技术与应用技术进展

白炭黑的制备技术与应用技术进展

（中国/杜高翔）

一、白炭黑的重要用途

白炭黑（下称元定形二氧化硅）的重要成分是二氧化硅，由于其

在制备的过程中反应速度很快而来不及结晶，为无定型状态。由于白炭

黑具有化学性质稳定、比表面积大、吸附性强、颗粒为球状等等特点，

在橡胶、塑料、造纸、油墨、催化等各个领域中有着广泛的用途。

橡胶行业是无定型二氧化硅的重要应用领域，它可以提高橡胶的

性能，从而可以代替碳黑。高档超细和纳米二氧化硅已经在硅橡胶和特

种功能橡胶中应用。由于添加到轮胎胎面中后可显著地降低轮胎滚动阻

力，加强其抗撕裂和抗切割性及强度、耐磨性，保持轮胎的抗冰和润滑

性，由此制得的轮胎被称之绿色轮胎。在轮胎橡胶工业中，白炭黑可以

代替碳黑作为补强填料。轮胎中重要用于子午胎的带束层中以加添钢丝

和胶料的粘着力。白炭黑在载重子午线轮胎中重要用于胎面和钢丝带束

层胶料中，与碳黑并用，可提高胎面的性能，是提高钢丝与橡胶的粘合

性能不可缺少的材料；在子午胎胎面胶配方中白炭黑和炭黑并用对硫化

胶的定伸应力、拉伸强度、撕裂强度和抗割口增长性均有积极的影响。

白炭黑与弹性体材料搭配广泛用于鞋底材料的制备，可提高鞋底

的耐磨性、硬度、拉伸强度和撕裂强度。白炭黑在塑料中作为添加剂，

同样可以改善制品的一些性能。白炭黑加入聚氯乙稀中，用于生产高压

电线，能改善绝缘性能；在各种塑料薄膜中加入白炭黑，可以更改薄膜

的表面性能，使薄膜易于张口，不会粘结；白炭黑还可以在多种树脂中

作光敏涂料的载体；此外，白炭黑还可作为不饱和树脂的触变剂等。

白炭黑用于掌控印刷油墨的流量，还用于掌控打印机油墨的流量,

使它不能任意流动或流挂，以获得清楚的打印；气相法白炭黑还在复印

机和激光打印机的墨盒调色中用作分散剂和流量掌控剂。

由于白炭黑的化学性质稳定且在1000℃以上才能熔融，因此被广

泛的用作二氧化钛、镁等催化剂的载体，应用于催化加氢、光催化反应

等等领域。国内外专家对无定型二氧化硅用作载体进行了大量的试验讨

论。

超细高比表面积二氧化硅和纳米二氧化硅在硅橡胶、特种功能橡

胶、电子信息材料、功能化纤材料、高级陶瓷和特种耐火材料、新型塑

料材料、树脂复合材料，彩色喷墨打印纸以及医药、农药、精细化工等

领域多有应用。目前国内生产无定型二氧化硅（白炭黑）的重要生产企

业所生产的一般白炭黑，基本能充足国内市场需求，亦有出口。但是，

由于受到相对落后的传统生产工艺和设备装置限制，产品粒径在100m〜

10m的范围内，品种又少，1m以下的超微细和纳米粒级产品产量很小，

而这一尺寸段的产品，正是改造相关产业传统产品和开发高技术功能材

料所急需的。目前，国内市场需要的高档超细和纳米二氧化硅重要靠进

口。

超细无定型二氧化硅在高档涂料中可以作为消光剂使用。涂料行

业是超细和纳米二氧化硅的紧要且有巨大潜力的应用领域。现仅高级涂

料，每年就需要超细和纳米二氧化硅消光剂0.7万t。另外，在电子塑

封材料、精细抛光材料、化学功能纤维、高级陶瓷、特种耐火材料、粘

结剂、密封剂、日用化工等领域还有侧紧要的应用。

由此可见，超纽和纳米二氧化硅，具有广阔的市场空间，既可以充

足国内市场需要，也可以替代进口产品。

二、白炭黑的制备

目前，国内外生产白炭黑的现行工艺已实现工业化的重要有两种。

一是以水玻璃为原材料的沉淀法，二是以四氯化硅为原材料的气相法。

气相法白炭黑的生产工艺重要为化学气相沉积（CVD）法，该工艺

又称热解法、干法或燃烧法。其原材料一般为四氯化硅、氧气（或空气）

和氢气，它们在高温下反应而成。气相法的优点在于易掌控反应条件，

产品纯度高，适合高纯白炭黑的合成。其缺点是表面存在活性硅羟基、

吸附水及制备工艺导致其表面显现酸区，使白炭黑呈亲水性，在窄机相

中难以浸润和分散，应用范围小且产率低。

沉淀法制备白炭黑的传统方法是硅酸钠酸化法，即采纳水玻璃溶

液与酸反应，经沉淀、过滤、洗涤、干燥和煨烧而得到沉淀白炭黑。近

年来，国内外很多学者讨论出了制备白炭黑的新方法，即以非金属矿为

硅源，采纳沉淀法制备白炭黑。使用的酸一般为稀硫酸、盐酸，少量使

用碳酸。

徐峰等人以水玻璃和盐酸为原材料，对白炭黑的生产技术进行了

试验讨论。LiweiWANG等以水玻璃和盐酸为原材料，使用一种非离子型

表面活性剂为分散剂制备了多孔无定型二氧化硅。所得样品具有比表面

积高达1000m2/go但是样品的比表面积随着表面活性剂的用量而变化。

用水玻璃和硫酸制备白炭黑，具有比盐酸法成本低的特点。同时,

盐酸的强挥发性对工作环境的影响也使得人们较多的选择使用硫酸作为

沉淀剂。李国庭等人介绍了硫酸沉淀法制取高补强白炭黑的工艺过程，

并以反应温度、分散剂浓度、晶型掌控剂、水玻璃浓度作为四个重要影

响因素进行正交试验，得出了最佳工艺条件。经对产品的物理性能检测,

产品的扯断力达12

胡庆福等人开发了C02沉淀法制取高补强白炭黑的新工艺。该工

艺以C02混合气体和水玻璃为原材料，并在反应中引入助剂来掌控白炭

黑粒子的微观结构。试验对工艺条件进行了探究，得出最佳试验条件为:

水玻璃浓度35g/L,反应温度70C,助剂量0.7%,反应时间60min。

在浩繁的非金属矿物中，有硅藻土、蛋白石等的重要成分是无定

型的二氧化硅，而且一些硅酸盐，如硅灰石、蛇纹石等在与酸进行反应

后的残渣重要成分也是无定型二氧化硅。它们可以与强碱在低温下进行

反应生成硅酸钠。然后再在肯定的条件下进行二氧化硅的析出。这样不

仅具有成本低廉，而且可以开发出非金属矿物新的具有高附加值的用途。

由于工业上所用硅酸钠重要从石英与碳酸钠的在高温下（90（rc左右）

反应制得，不仅需要大量的燃料和能源，而且对环境造成危害。因此，

使用非金属矿生产白炭黑具有成本低和环保的特点。

近年来我国利用硅藻土、膨润土、高岭土、硅灰石等制取白炭黑

都取得了肯定的进展。郑水林等人近年来对利用硅藻土制备水玻璃以及

进一步生产高比表面积活性白炭黑进行了较多的试验讨论，制备出了纳

米级高白度白炭黑。赵华文进行了酸浸硅藻土制取白炭黑的讨论。但是

该工艺所得白炭黑白度、粒度、比表面积等都不高，不能作为高档白炭

黑使用U

在水玻璃与酸反应生成白炭黑的机理以及生成白炭黑的粒度与分

散性掌控方面，讨论者进行了大量的探究。

P.H.Bolt等使用小角度X—射线衍射仪对水玻璃与酸反应过程中

反应体系中的二氧化硅的量、颗粒大小以及团聚状态进行了检测。试验

采纳每间隔5〜lOmin取样进行分析的方法°试验结果表明，在整个反

应过程中，二氧化硅的颗粒大小几乎不变，尽管反应初期生成的二氧化

硅颗粒在长大。另外，由于生成的二氧化硅颗粒在不断发生团聚，体系

中的二氧化硅的颗粒总数是在渐渐削减。陈化处理对于提高白炭黑的分

散性有侧紧要的作用。

TeofilJesionowski等对使用二氧化碳和硅酸钠制备白炭黑并使用

粒子隔绝剂提高二氧化硅产品分散性以及硅烷改性二氧化硅进行了深入

的讨论。试验中以甘油为隔绝剂，用量为水质量的5.0%,制得高分散二

氧化硅产品。反应后使用硅烷对白炭黑进行了改性试验，其中硅烷A一

174的改性处理可以提高粉体的分散性并制得表面疏水的产品。通过使

用近红外光谱测定改性后样品表面的硅烷基团的含量，并对产品进行了

zeta电位、原始粒径分布、团聚颗粒粒径分布及团聚颗粒形貌等分析，

指出影