沉淀法白炭黑介绍
白炭黑的应用(详细)
白炭黑一、简介白炭黑的主要成份是SiO2，因其为白色，且主要物性及用途与炭黑相似而得名。
白炭黑按生产方法的不同可分为沉淀白炭黑（沉淀水合二氧化硅）和气相法白炭黑（气相二氧化硅），两种产品的生产方法不同，性质及用途也有很大区别，以下介绍的产品是用硫酸沉淀法生产的，也即沉淀法白炭黑，以下所涉及的白炭黑均为沉淀法白炭黑。
二、名称定义及分子式白炭黑的学名为：沉淀水合二氧化硅。
定义：沉淀水合二氧化硅是从可溶性硅酸盐水沉液中沉淀而获得的无定形粒子组成的材料。
化学分子式：SiO2〃nH2O三、主要性质1、物理性质外观：白色粉末或粒状或不规则造块。
真密度：约2.0g/ml假密度：约0.2g/ml（普通产品）。
耐高温、不燃烧；电绝缘性好。
2、化学性质：能与烧碱发生反应SiO2nH2O+2NaOH=Na2SiO3+（n+1）H2O1能与氢氟酸发生反应SiO2nH2O+4HF=SiF4+（n+2）H2O2、主要化学指标SiO2含量（干品）≥90%筛余物（4.5цm）≤0.5%加热减量：4.0-8.0%灼烧减量：（干品）≤7.0%PH值：5.0-8.0总铜含量：≤30mg/kg总锰含量：≤50mg/kg总铁含量：≤1000mg/kgDBP吸收值：2.00-3.50cm3/g比表面积：不同用途有不同范围，我厂产品控制145-165m2/g（HT2#）165-185m2/g（HT1#）200-300m2/g（HT3#）3、主要物理性能（配合橡胶品）拉伸强度≥17.0Mpa500%定伸强度≥6.3Mpa 扯断伸长度≥675%四、生产原理水玻璃和硫酸反应生成水合硅酸Na2O·mSiO2+H2SO4+nH2o-加热→Na2SO4+mSiO2·（n+1）H2O↓反应完成液经压滤脱水，洗涤、并通过打浆制得白炭黑料浆，经喷2雾干燥得白炭黑成品。
五、工艺简图白炭黑料浆固体水玻璃液体水玻璃反应溶解硫酸+水压滤白炭黑滤饼成品白炭黑白炭黑料浆打浆包装干燥洗涤六、主要用途白炭黑产品自20世纪40年代工业化生产以来，以过60多年的不断发展与完善，已广泛应用于各行各业，除被广泛应用于橡胶制品中作补强剂外，还可用于医药行业、农药、油墨、油漆、涂料、牙膏、纸张、食品、饲料、化妆品、蓄电池等各种行业。
沉淀法白炭黑的质量标准
沉淀法白炭黑的质量标准
沉淀法白炭黑的质量标准主要包括以下几个方面：
1. 外观：应呈现纯净的白色粉末状，不得有杂质、结块或结团现象。
2. 化学成分：主要成分为二氧化硅，但也可能含有少量的杂质。
质量标准对关键杂质的含量有明确要求，如铁、铅、砷等重金属元素的含量应达到合理的限制范围，以确保白炭黑的环境友好性。
3. 理化性质：
水分含量：≤%。
灼烧残余量：≤%。
PH值：6-8。
比表面积：㎡/g。
碳含量：≥%。
4. 其他物理性质：如平均粒径和油吸收值等。
平均粒径直接影响着白炭黑在应用过程中的增塑效果。
油吸收值反映了白炭黑的分散稳定性和增塑性能，对于不同的应用领域，其要求也有所不同。
以上信息仅供参考，具体的质量标准可能会因用途、生产工艺的差异而有所差别。
沉淀法白炭黑质量标准的制定，对于生产企业和用户都具有重要意义。
生产企业可以根据质量标准来指导生产过程，确保产品的稳定性和一致性。
而用户则能根据质量标准来选择合适的产品，确保其所需应用效果。
白炭黑资料整理
白炭黑整理资料一、简介白炭黑的主要成份是SiO2，因其为白色，且主要物性及用途与炭黑相似而得名。
白炭黑按生产方法的不同可分为沉淀白炭黑（沉淀水合二氧化硅）和气相法白炭黑（气相二氧化硅），两种产品的生产方法不同，性质及用途也有很大区别，以下介绍的产品是用硫酸沉淀法生产的，也即沉淀法白炭黑，以下所涉及的白炭黑均为沉淀法白炭黑。
二、名称定义及分子式白炭黑的学名为：沉淀水合二氧化硅。
定义：沉淀水合二氧化硅是从可溶性硅酸盐水沉液中沉淀而获得的无定形粒子组成的材料。
化学分子式：SiO2•nH2O三、主要性质1、物理性质外观：白色粉末或粒状或不规则造块。
真密度：约2.0g/ml 假密度：约0.2g/ml（普通产品）。
耐高温、不燃烧；电绝缘性好。
2、化学性质：能与烧碱发生反应SiO2nH2O+2NaOH=Na2SiO3+（n+1）H2O能与氢氟酸发生反应SiO2nH2O+4HF=SiF4+（n+2）H2O3、主要化学指标DBP吸收值：2.00-3.50cm3/g比表面积：不同用途有不同范围四、主要用途白炭黑产品自20世纪40年代工业化生产以来，以过60多年的不断发展与完善，已广泛应用于各行各业，除被广泛应用于橡胶制品中作补强剂外，还可用于医药行业、农药、油墨、油漆、涂料、牙膏、纸张、食品、饲料、化妆品、蓄电池等各种行业。
各指标在实际应用中的作用1、比表面积白炭黑补强作用的大小，主要取决于它的比表面一般随比表面积增大，橡胶制品的各项强度指标均增大，但回弹性降低，撕裂强度降低，且不耐磨，混炼时分散困难，生热高，胶料门尼粘度大，易焦烧，因此，不同配方，不同用途，要求比表面积也不一样，比表面积对硫化橡胶物理机械性能的影响不是始终如一的。
2、吸油值吸油值大小体现的是结构度的高低，吸油值大，结构度小，硫化胶的拉伸强度一般较大，抗张强度和硬度较大，特别是耐磨耗较小，但伸长率较低。
3、灼烧减量表现的是表面羟基过多时，易造成橡胶复合材料的结构化，使材料变脆。
白炭黑常见制备方法
白炭黑常见制备方法摘要：本文介绍了白炭黑的常见制备方法及其产品应用。
关键词：白炭黑；气相法；沉淀法；解离法基金项目：黑龙江工程学院大学生创新训练项目（202211802211）白炭黑常见的制备方法主要有三种：气相法、沉淀法和离解法。
工业上制备方法一般是这三种方法，或者是这三种方法的组合或改良。
1.气相法气相法通常称为化学气相沉积法，又被称为热解法。
一般是在高温条件下加入氧气、四氯化硅和氢气进行反应从而制备出烟雾状的白炭黑[1]。
具体步骤为：将空气和氢气通过增加压力、分离、采用冷却的方式进行脱水、再放入硅胶中进行干燥、最后经过除尘过滤等一系列的步骤后送入合成的水解炉中。
将原料SiCl4送至精馏塔精馏后，在蒸发器中使之蒸发，并用干燥、过滤后的空气用作载体，将处理后的产物送至合成水解炉中。
在高温下SiCl4被气化，将其与一定量的氢气和氧气的混合气体在高温下进行气相水解。
生成的气相SiO2颗粒非常小，与气体很容易形成气溶胶，从而不容易被捕集，因此需要使其先在聚集器中先聚集成较大颗粒，然后用旋风分离器进行收集，最后送入脱酸炉中进行脱酸处理，通过含氨空气吹洗气相二氧化硅至pH为4～6便可得到最终产品。
用这种方法生产制备的白炭黑产品，其比表面积、粒径大小、结构性能和表面性质都和三种气体的配制比例、二氧化硅核在燃烧室中处理的时间、燃烧温度等因素有关。
得到的产品一般是球形颗粒，粒径在10-40nm之间，化学纯度大，比较面积高。
气相法的优点是所得的产品纯度非常高，分散性非常好，颗粒小并呈球形，白炭黑表面具有较少的羟基，补强性能十分优异。
缺点是技术设备要求比较高，所用的原料也相对比较贵，制备工艺也比较复杂。
2.沉淀法我国市场上生产白炭黑的主要方法就是采用沉淀法来生产白炭黑[2]。
沉淀法又被称为硅酸钠酸化法，沉淀法一般是将硫酸或盐酸与水玻璃作用,第一步先生成硅酸,然后生成的硅酸进一步分解而制得白炭黑。
沉淀法之所以在我国能作为白炭黑的主要生产方法是因为沉淀法的生产技术和设备相对来说都比较简单。
沉淀法白炭黑
沉淀法白炭黑
一、产品特性：
沉淀法白炭黑（简称白炭黑）是橡胶工业常用的补强剂，它的化学名称是水合二氧化硅（Si O₂）或称胶体二氧化硅。
因为它在橡胶中有类似炭黑的补强性而且是白色粉末或细小粒子。
所以人们又称它为白炭黑。
目前白炭黑的制法大多数是采用硫酸溶液与硅酸钠溶液进行化学反应的方法。
因此法制得的白炭黑性能优良、成本也较低廉。
二、使用范围：
白炭黑在橡胶工业中应用最广，在制作胶鞋中它是彩色橡胶或透明鞋底的最佳补强剂。
在轮胎制作中常用它提高胶料对骨架材料或纤维的粘性。
在胶辊制作中它不仅能提高硫化胶的硬度和耐磨性，而且能提高胶料与金属辊芯的粘着力。
白炭黑绝大部分用于橡胶工业，只有一小部分用于其它工业，例如作农药辅料，还有油墨、油漆、塑料、日用化工产品也常用白炭黑，但用量不大。
三、参数指标（HG/T3061-1999）：。
沉淀白炭黑用途说明
沉淀白炭黑用途说明沉淀白炭黑(二氧化硅)用途说明型号应用范围一般性质WL-180、橡胶、鞋底、电缆具有特殊的物理化学性质，使之在以橡胶为基体的共混物配方中成为最佳的透明性补强的添加剂，可以大大提高硫化橡胶的拉伸强度和耐磨性，Una-180 减少了橡胶的用量，降低了成本。
WL-180具有较强的亲和力，使之在生胶中具有较大的分散能力，白炭黑的粒子与橡胶分子形成的物理性，在增强硫化橡胶的机械强度和撕力的补强性方面优于炭黑，是橡胶的高补强的填充剂。
Una-180E 饲料作为一种精选特殊饲料原材料，重金属含量符合欧洲饲料工业规定值，无毒无害，并拥有较大的比表面积和更强的吸附能力，能作为各种饲料添加剂的载体和分散剂，在转换各种水和油到固体状态时有良好的表现。
Una-700 纺织染整、消泡剂、润滑油、主要将一般亲水性二氧化硅在适当条件下与硅烷偶联剂反应而成，制得一种表面具有聚硅氧烷( polysiloxane )接枝的固体粉末状二氧化硅，不饱和聚酯树脂、粉末灭火其疏水接触角可达70至150，不仅具有良好疏水性，同时还有消泡功能。
剂、硅橡胶Una-100 饲料小颗粒白炭黑，主要用于饲料行业，增加饲料流动性，防止结块，并且颗粒外形能在生产过程中起到一定的防尘作用。
Una-100Gr 浅色、彩色及透明橡胶造粒状白炭黑，具有WL-180白炭黑的所有优点，同时改变了粉状白炭黑使用中造成粉尘污染的影响。
具有高的分散性，高的粘结强度，很容易与橡胶混合。
YH-200 硅橡胶、涂料、造纸、农药更高品质、多孔、超细的二次粒子，亲水性、吸附、稀释等作用，使产品更加稳定。
Una-205 高级透明橡胶制品、涂料、具有高的比表面积和吸油值，能部分替代气相法白炭黑用于硅橡胶制品，使得产品具有很好的拉伸强度和耐磨性，而且制品的通明性好，拉伸油墨、造纸不返白不变型。
另可用于涂料、油墨、饲料、农药、洗衣粉行业。
Una-350 透明橡胶、涂料、油墨更高比表面积和吸油值，同WL-180相比较，在硫化橡胶中具有更高的透明度和物理性能，可部分替代气相法白炭黑。
沉淀白炭黑用途说明
沉淀白炭黑用途说明沉淀白炭黑(二氧化硅)用途说明型号应用范围一般性质WL-180、橡胶、鞋底、电缆具有特殊的物理化学性质，使之在以橡胶为基体的共混物配方中成为最佳的透明性补强的添加剂，可以大大提高硫化橡胶的拉伸强度和耐磨性，Una-180 减少了橡胶的用量，降低了成本。
WL-180具有较强的亲和力，使之在生胶中具有较大的分散能力，白炭黑的粒子与橡胶分子形成的物理性，在增强硫化橡胶的机械强度和撕力的补强性方面优于炭黑，是橡胶的高补强的填充剂。
Una-180E 饲料作为一种精选特殊饲料原材料，重金属含量符合欧洲饲料工业规定值，无毒无害，并拥有较大的比表面积和更强的吸附能力，能作为各种饲料添加剂的载体和分散剂，在转换各种水和油到固体状态时有良好的表现。
Una-700 纺织染整、消泡剂、润滑油、主要将一般亲水性二氧化硅在适当条件下与硅烷偶联剂反应而成，制得一种表面具有聚硅氧烷( polysiloxane )接枝的固体粉末状二氧化硅，不饱和聚酯树脂、粉末灭火其疏水接触角可达70至150，不仅具有良好疏水性，同时还有消泡功能。
剂、硅橡胶Una-100 饲料小颗粒白炭黑，主要用于饲料行业，增加饲料流动性，防止结块，并且颗粒外形能在生产过程中起到一定的防尘作用。
Una-100Gr 浅色、彩色及透明橡胶造粒状白炭黑，具有WL-180白炭黑的所有优点，同时改变了粉状白炭黑使用中造成粉尘污染的影响。
具有高的分散性，高的粘结强度，很容易与橡胶混合。
YH-200 硅橡胶、涂料、造纸、农药更高品质、多孔、超细的二次粒子，亲水性、吸附、稀释等作用，使产品更加稳定。
Una-205 高级透明橡胶制品、涂料、具有高的比表面积和吸油值，能部分替代气相法白炭黑用于硅橡胶制品，使得产品具有很好的拉伸强度和耐磨性，而且制品的通明性好，拉伸油墨、造纸不返白不变型。
另可用于涂料、油墨、饲料、农药、洗衣粉行业。
Una-350 透明橡胶、涂料、油墨更高比表面积和吸油值，同WL-180相比较，在硫化橡胶中具有更高的透明度和物理性能，可部分替代气相法白炭黑。
沉淀白炭黑生产工艺
沉淀白炭黑生产工艺
沉淀白炭黑是一种二氧化硅或碳黑的一种变体，具有高白度、细小的粒径、高吸附性能和光学性能等优点，被广泛应用于橡胶、塑料、油墨、涂料等行业。
下面是沉淀白炭黑生产工艺的一般步骤。
1. 原料选择：沉淀白炭黑的主要原料是硅酸钠和盐酸，可以选择工业级的硅酸钠和盐酸。
2. 摩尔比计算：根据所需的硅酸钠浓度和产量目标，计算摩尔比。
一般来说，硅酸钠和盐酸的摩尔比是1:2。
3. 溶解硅酸钠：将硅酸钠逐渐加入到适量的水中，在搅拌下慢慢溶解，直到完全溶解。
4. 加入盐酸：将适量的盐酸加入到溶解好的硅酸钠溶液中，保持搅拌。
5. 沉淀过程：在搅拌的同时，缓慢加入盐酸，使反应溶液的
pH值控制在1-2之间，同时观察溶液的变化。
随着盐酸的加入，溶液中会出现白色的沉淀，即沉淀白炭黑。
6. 沉淀回收：将沉淀的白炭黑通过离心、过滤等方式进行回收，烘干后得到干燥的白炭黑产品。
7. 洗涤：将干燥的白炭黑产品进行洗涤，以去除残留的盐酸和其他杂质。
洗涤的方法可以采用酸洗、漂洗等步骤。
8. 烘干：将洗涤后的白炭黑产品进行烘干，以去除水分，并保持其稳定的化学性质。
9. 包装和储存：将烘干的白炭黑产品装入适当的包装袋中，并进行密封，以防止湿气和杂质的侵入。
储存在干燥、通风的环境中，避免阳光直射。
总的来说，沉淀白炭黑的生产过程主要包括原料选择、摩尔比计算、溶解硅酸钠、加入盐酸、沉淀过程、沉淀回收、洗涤、烘干和包装储存等步骤。
通过合理的控制和操作，可以得到高品质的沉淀白炭黑产品。
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Silica A Silica B Silica C
N 774
N 550 N 220 N 110
沉淀法白炭黑真实光学显微照片
( X60倍放大)
微珠状 => 具有良好的分散性 & 较低的作用力
标准的粉未状 => 具有较小的阻力 & 较高的污染
沉淀白炭黑结构模型与真实电镜照片
电镜照片
模型
沉淀白炭黑的比表面积
38 16.5 14 14
79 56 21 18
初始颗粒大小
DBP-值 g/100g
170 205 180 240
72 121 114 113
湿度 %
5.5 5.5 5.5 6.0
<1 <1 <1 <1
商标名
Ultrasil 360 Ultrasil VN2 GR Ultrasil VN3 GR Ultrasil 7000 GR
白碳黑表面 硅胶偶联剂
RO
OH RO Si RO
4－乙氧基硅烷
丙基链
橡胶偶联剂 橡胶
S–X
含S功能团
共混时交联
硫化时交联
白碳黑与硅烷偶联剂共混
偶联反应机理
RO
O RO Si R' S i OH RO
白炭黑 = 沉淀法水合二氧化硅
外观, 结构和组成 比表面积 多孔性 表面化学 颗粒度 分散性
沉淀白炭黑特征性能
外观, 结构和组成: 粉状, 大颗粒, 微珠 比表面积: CTAB, BET 多孔性: BET-CTAB 表面化学: -H, -OH 基团, 水分, 灼烧减量 颗粒度: 颗粒大小, (基本粒子, 聚集体, 附聚体) 和分布 分散性: 传统, 高分散 白炭黑
• 分六个等级；(BET) 比表面积g/m2
•A
201—260
•B
166—200
•C
136—165
•D
101—135
•E
51—100
•F
20—30
白碳黑比表面积对橡胶产品性能
的影响
粘度
硫化速率
拉伸
表面积 耐磨性
表面积 模量
表面积 制品透明度
表面积
表面积
表面积
沉淀白炭黑的表面化学和水份
表面化学性能
沉淀法白炭黑的基本特征性能 1) 比表面积
比表面积决定于基本粒子的尺寸大小
基本粒子: 球形 (半径 R)
半径 R
表面积 : S = 4 p R 体积 : V = 4/3 p R3
质量 : M = Vxd (d : density = 2)
比表面积就是每克白炭黑的表面积:
SSA
1 =
3
dR
SSA = S M
Na2O•SiO2 + CO2
Stage 2 : 白碳黑 Na2O•SiO2 + H2SO4
SiO2 + Na2SO4 + H2O
沉淀法白炭黑工业生产工艺
硫酸
石英砂 碳酸钠
混合
1400°C
泡花碱
溶解
稀释
液体泡花碱
水
沉淀反应
料浆 过滤 洗涤
SiO2 + H2O 滤饼
液化
粉状SiO2
干燥
储存
橡胶用白炭黑的性能特点
(m2/g)
沉淀白炭黑的比表面积
特别对于橡胶来说, 比表面积是指白炭黑的外比表面积(CTAB)或总比表面积 (BET)
---BET
总比表面积
橡胶不能延伸 至而橡胶助剂 可以进入的表 面
....CTAB 外比表面积 橡胶分子可触表面
内孔度 = BET - CTAB m²/g
国际标准ISO/DIS5794/3
白炭黑的聚集体粒径与炭 黑的对比
品名
Silica A Silica B Silica C Silica D
N 774 N 550 N 220 N 110
BET比表面积 CTAB 比表面积
/ m²/g
/ m²/g
50
50
125
120
170
165
170
160
29
29
42
42
119
111
138
127
粒径 / nm
沉淀白炭黑表观特征, 颗粒结构和组成
外观
大颗粒
500 µm to few mm
MP 微珠
附聚体 :
高剪切应力下可以分 散开
结构
聚集体: 机械力不能分散
基本粒子 单个纳米级粒子
50 à 300 µm
研磨颗粒
1 à 100 µm
1 à 50 µm
50 à 200 nm
5 à 25 nm
组成
SiO2 (不定型) , 表面含水合基团
n
失重 (%)
物理吸附水
H
H
O
HH
OO
缩合水
HH H OOO
O
HO
Si OH
自由水
O
Ca+ Si Na Na
H
H
O OOOOO
HO Al+
O
O
TGA分析显示水分分两步蒸发
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Al Si Si Si Si
O O O O O O O O O O O O O OO OO OO OO OOOO OO OO
BULK
缩合水
自由水和物理吸附水
10
9
8
7
6
5
4
3
5°C/min.
2 1
0
0
200
400
600
800
1000
温度 (°C)
表面形态
各类硅羟基及水合过程
O HH
Si
间位
独立
邻位
沉淀法白炭黑的 多孔性
cumulated porous volume (ml/g)
通过水银孔容计测量
3.5
内孔容
3
2.5
2
1.5
对补强来说,只有第二 步吸附是有效的
(小于1 µm的孔)
1000
100
粒子间孔容
10
1
0.1
0.01
孔直径 (µm)
1
0.5
0 0.001
用表面活性剂进行配方优化调整
➢ 目的
▪ 补偿因白炭黑多孔性(BET - CTAB)被吸附的橡胶助剂,特别是促进 剂. ▪ 降低填料间的相互作用 ▪ 提高填料-橡胶间的相互作用
沉淀法白炭黑介绍
沉淀法白炭黑生产-- SiO2的形态变化
➢将二氧化硅从结晶态转变为无定型态
纯净结晶石英砂
沉淀白炭黑
沉淀白炭黑 的来源
结晶二氧化硅
agglomerate
aggregate
无定型水合二氧化硅
沉淀法白碳黑化学反应式
Stage 1 : 水玻璃 SiO2 + Na2CO3
> 1000 oC
白炭黑与橡胶的润湿/相容性 -活化剂的作用
Rubber SiO2
用 PEG 4000改性的橡胶包容白 炭黑
Rubber SiO2
橡胶与白炭之间的相 互作用不是物理作用
Rubber
.. .
SiO2
..
...
产生的化学界面作用
用硅烷偶联剂改性白碳黑
Si 69
硅胶－硅烷－橡胶偶联剂作用机理
➢ 可以达到
✓提高工艺性能 ✓优化硫化性能 ✓提高补强性能
白炭黑与橡胶基体的润湿合相容性
白炭黑
相容
相容
差
聚合物
佳
用 PEG, RT1987, 作为白炭黑的表面必改性剂
能改善白炭黑表面与聚合物的相容性。
能更好地改善白炭黑与橡胶的亲和性，降低白炭黑与白炭黑 之间的作用力。
能降低白炭黑的亲水性，减少白炭黑对促进剂的吸符作用， 从而使橡胶的硫化速度加快。