白炭黑

背景及概述^[1]

白炭黑是一种硅系增强粉体物质，是一种外观呈白色、具有多孔隙的材料，主成分是二氧化硅，内部结构及其聚集状态与炭黑极为相似，因而在橡胶添加剂市场上能够替代炭黑，广泛应用于橡胶制品、化妆品、油漆、食品等领域。

白炭黑因为其独特的结构和性能，在橡胶领域具有广泛的应用，尤其是经过改性之后，应用更加广泛。随着科技的发展，安全、舒适和节能环保型绿色轮胎将越来越受到人们的关注，这将促进白炭黑应用研究的进一步发展。白炭黑可以单独使用，也可以与其他补强剂并用。今后应该进一步加强白炭黑补强机理及其影响因素的理论研究，降低生产成本，扩大应用范围。重点加强白炭黑与其他补强剂并用对合成橡胶性能影响的应用研究，以进一步改善合成橡胶的力学、热学和电学等性能，满足实际生产的需求，提升我国合成橡胶的整体技术水平。

性质^[1]

物理性质

白炭黑呈白色，无毒无味无臭，有着稳定的物理性质，不燃，绝缘性良好，粒径小，多孔，具有较好的分散性能，比表面积大，质地较轻，密度为2.318~2.653mg·cm-3，耐高温，熔点为1750℃。

化学性质

白炭黑是无定形的二氧化硅带少量结晶水（即SiO2·nH2O），能在氢氧化钠和氢氟酸中溶解，但不能在水、一般溶剂和普通的酸中溶解。新制备的白炭黑性质活泼，能与空气中的水分结合在一起，形成小颗粒。

应用^[1]

白炭黑的应用范围十分广阔。白炭黑的功能强大，可以当作添加剂，起到使稀溶液增稠、橡胶补强、在易结块材料中抗结块等作用。因其功能的特殊性，可用于输送信号电流的电缆材料、日常皮肤护理的化妆品、建筑材料的油漆、食品等领域，还可充当补强剂用于橡胶制品中，在橡胶产业中替代炭黑。除此之外，还可用作医药、农药等产品的分散剂和载体，用作饲料和农药的载体或助流剂，在造纸行业中作为填充剂等。

制备方法^[1]

白炭黑的制备原料不同，制备方法也各有不同。一种是沉淀法制取白炭黑，制备原料通常为工业水玻璃；另一种是气相法制取白炭黑。制备方法有物理法和化学法两种。物理法所制备的白炭黑，产品质量不太理想，因此该法的使用范围不是很广。化学法又分为气相法和液相法，其中沉淀法、解离法和溶胶凝胶法属于液相法。沉淀法的能量消耗高，对环境条件的要求苛刻，产品活性不好，补强性能差；解离法和溶胶凝胶法的原料易得且成本较低，因此受到人们的重视。

1、沉淀法

沉淀法制取白炭黑的硅源以硅酸盐为主。硅源与无机酸发生酸碱中和反应，生成沉淀物，沉淀物即水合硅酸。以硅酸钠和硫酸为例，主要反应为：

Na2SiO3+H2SO4=Na2SO4+SiO2· nH2O

将水合硅酸进一步分解、沉淀、分离、干燥，得到SiO2 即白炭黑。可根据不同的工艺条件，选择不同的无机酸和反应温度等，制备具有不同活性的白炭黑。根据无机酸的不同，沉淀法可分为盐酸法、硝酸法及碳化分离沉淀法等。

2、解离法

解离法与传统沉淀法的不同之处，在于传统沉淀法的硅源大多来自水玻璃，而解离法的硅源则不再局限于水玻璃。解离法以非金属矿作为硅源，从非金属矿中解离出硅。具体工艺如下：非金属矿经破碎、酸浸、碱浸，制备出水玻璃，再将水玻璃按照传统沉淀法制备，得到白炭黑。由非金属矿制备的白炭黑，在很多领域都有应用，例如不饱和聚酯树脂、胶黏剂、电缆料及硅橡胶等，能起到增稠、补强等作用。非金属矿里的的某些成分，还会与产品的某些成分形成复合材料，在保持各自性能的同时，又能起到很好的协同作用。

3、溶胶-凝胶法

溶胶凝胶法是制备纳米级 SiO2 的主要方法。该法以金属硅盐为硅源，经水解形成硅胶，再经过滤去除有机溶剂、干燥去除水分后得到白炭黑。主要反应如下：

nSi(OR)4+2nH2O→(SiO2)n+4nROH

该方法制备的产品具有比表面积大、易分散、悬浮性能好、纯度高、活性高、反应条件温和等优点，缺点是在白炭黑的干燥过程中，由于水和溶剂的挥发，材料会发生收缩及团聚现象，因此要经过其他操作才能获得纳米粒子。

4、气相法

到目前为止，国际上唯一能够大规模批量生产的纳米材料是气相法白炭黑。目前全世界产量已经突破了 1 万 t· a-1。世界上可以生产气相二氧化硅的国家有德国、美国、日本和比利时，主要制造商有美国的 Cabot 公司和德国的 Degusa 公司。化学沉淀法是气相法的常用方法，是氯化物在气化状态下高温水解形成白炭黑。反应原理如下：

SiCl4+2H2+O2→SiO2+4HCl

该技术有两个步骤：1）进入合成水解炉之前，原料中的氢气和氧气必须进行加压，然后再经过分离、冷却、脱水、硅胶干燥、除尘和过滤等一系列操作。 2）四氯化硅通过蒸馏塔进行蒸馏，并在蒸发器中进行加热和蒸发等操作。干燥和过滤后的空气被用作载体。高温气化后，原料在高温下进行反应。高温反应生成的白炭黑十分细小，收集不方便。由于生成了气溶胶，因此要借助其他附加操作使其形成较大的颗粒，以利于收集。颗粒最后进入脱酸炉中，经过洗涤后得到白炭黑。

参考文献

[1]龙金芬,金肖肖,黄桥风,杨家欣,张加程,陈呈,吴蜜,孔德顺.白炭黑制备的研究进展[J].化工技术与开发,2021,50(11):35-37.