彭迎慧,徐旺生(武漢工程大學(xué)湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430073)

摘　要:以碳酸氫銨和水玻璃為原料,制備出高比表面積的納米白炭黑。制備工藝與傳統(tǒng)酸法相比較,可以在回收碳酸鈉的同時(shí)減少?gòu)U水排放。主要考察了加料方式、反應(yīng)溫度、陳化時(shí)間、水玻璃密度、有機(jī)分散劑用量對(duì)白炭黑的比表面積和吸油值的影響。在最佳工藝條件下,制得的產(chǎn)品的BET比表面積為235 m2/g, DBP吸油值為3. 43 mL/g。

關(guān)鍵詞:白炭黑;碳酸氫銨;水玻璃

中圖分類號(hào):TQ127. 2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào): 1006-4990(2008)06-0030-02

Study on the process ofwhite carbon black from ammonium bicarbonate

PengYinghu,i XuWangsheng

(HubeiKeyLaboratory ofNovelReactor and Green ChemicalTechnology,Wuhan Institute ofTechnology,Wuhan430073,China)

Abstract:The nano-sized white carbon black with high surface area has been prepared with ammonium bicarbonateand soluble glass as rawmaterials.Compared to traditional acidmethod,with the new process notonly the sodium carbonatecan be recovered from the production butalso the discharge ofwaste liquid can be reduced.The influences ofprocess condi-tions, such as the feedingway, reaction temperature, aging time, density of soluble glass and dosage oforganic dispersantonthe BET surface area and DBP oil absorption value ofwhite carbon black were mainly investigated. BET surface area andDBP oil absorbtion value ofprepared products are 235 m2/g and 3. 43 mL/g respectively under the optimum process condi-tions.

Key words:white carbon black; ammonium bicarbonate; soluble glass

與普通白炭黑相比,納米白炭黑具有粒徑小、比表面積大、化學(xué)純度高、分散性能好等特性,因此具有十分廣闊的應(yīng)用前景。納米白炭黑能增強(qiáng)固態(tài)體系的內(nèi)聚力,常用作膠粘劑、密封劑、橡膠制品的補(bǔ)強(qiáng)劑;在液態(tài)體系中能控制和提高液體的粘度,且具有極高的觸變性、光散射性;在橡膠、塑料、涂料、油墨等領(lǐng)域發(fā)揮出其獨(dú)特的作用。制備白炭黑的傳統(tǒng)工藝通常采用硫酸或鹽酸與水玻璃反應(yīng)[1-3],生產(chǎn)過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物為價(jià)值較小的硫酸鈉或氯化鈉,并且該工藝對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染。筆者采用碳酸氫銨與水玻璃反應(yīng),在制得質(zhì)量?jī)?yōu)良的納米白炭黑的同時(shí),副產(chǎn)物為有應(yīng)用價(jià)值的純堿和氨氣,廢水的排放也相應(yīng)減少。通過各因素對(duì)白炭黑BET比表面積和DBP吸油值[4-5]影響的實(shí)驗(yàn),得出最佳工藝條件。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1. 1　實(shí)驗(yàn)原料

水玻璃:工業(yè)級(jí),n(SiO2) /n(Na2O)為3. 2;碳酸氫銨,CP;無(wú)水乙醇,CP。

1. 2　納米白炭黑的制備

將工業(yè)水玻璃稀釋成稀水玻璃溶液,過濾備用。將加有有機(jī)分散劑的一定濃度的碳酸氫銨溶液加入250 mL燒瓶中,置于恒溫水浴中, 70℃時(shí)向其中滴加水玻璃溶液。滴加完畢后陳化2 h。凝膠洗滌3次,抽濾得濾餅。濾餅放入烘箱干燥,粉碎后即得樣品。

1. 3　檢測(cè)方法

采用NOVA 2000e比表面積儀測(cè)定粉體的比表面積,N2為吸附質(zhì),在液氮溫度下測(cè)定。吸油值采用HG/T 3072—1999:橡膠配合劑沉淀水合二氧化硅對(duì)鄰苯二甲酸二丁酯吸收值的測(cè)定。

2　結(jié)果與討論

2. 1　加料方式對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

選定水玻璃密度為1. 059 g/cm3,反應(yīng)溫度70℃,陳化時(shí)間2 h,分別以NH4HCO3溶液滴加到水玻璃溶液中(a)、水玻璃溶液與NH4HCO3溶液并行加料(b)、水玻璃溶液滴加到NH4HCO3溶液中(c), 3種加料方式做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。以比表面積和DBP吸油值作評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)果列于表1。由表1可以看出,加料方式對(duì)白炭黑質(zhì)量的影響很大。將水玻璃溶液滴加到NH4HCO3溶液中所得到的白炭黑的質(zhì)量最好。這是因?yàn)閜H對(duì)白炭黑的質(zhì)量有很大的影響。將水玻璃溶液滴加到NH4HCO3溶液的整個(gè)過程中,體系的pH變化較小,在8到9之間,使得白炭黑在弱堿性環(huán)境下生成,質(zhì)量較a和b好。

2. 2　反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

選定水玻璃溶液滴加到NH4HCO3溶液的加料方式,水玻璃密度1. 059 g/cm3,陳化時(shí)間2 h,分別以反應(yīng)溫度60, 70, 80℃做實(shí)驗(yàn),結(jié)果列于表2。由表2可知,較高溫度下反應(yīng)得到的白炭黑比表面積大,吸油值高;而較低溫度下反應(yīng)得到的白炭黑比表面積小,吸油值低。上述現(xiàn)象可解釋為:白炭黑在聚集時(shí),高溫能增大聚集速度,同時(shí)能增加高能簇團(tuán)的總數(shù)。高溫下,溶液粘度相對(duì)下降,簇團(tuán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。如果溫度高到足以使大簇團(tuán)運(yùn)動(dòng),那么大簇團(tuán)之間相互有效碰撞形成更大的聚集體,從而增大了粘附聚集的概率,這種聚集速度比大簇團(tuán)俘獲單個(gè)質(zhì)點(diǎn)要快[6]。因此,高溫下生成的聚集體結(jié)構(gòu)疏松,比表面積大,活性高。同時(shí)溫度過高時(shí),碳酸氫銨受熱會(huì)分解。因此,反應(yīng)溫度確定為70℃。

2. 3　水玻璃密度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

選定水玻璃溶液滴加到NH4HCO3溶液的加料方式,反應(yīng)溫度70℃,陳化時(shí)間2 h,分別以密度為1. 059, 1. 074, 1. 091 g/cm3的水玻璃做實(shí)驗(yàn),結(jié)果列于表3。從表3可知, 1. 074 g/cm3為最佳水玻璃反應(yīng)密度。因?yàn)楣杷徕c的密度過大,易形成凝膠;而密度過小,則易產(chǎn)生溶膠而得不到所需的產(chǎn)品。因此水玻璃需在一定密度范圍內(nèi)才能得到產(chǎn)品。

2. 4　陳化時(shí)間對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

選定水玻璃溶液滴加到NH4HCO3溶液的加料方式,水玻璃密度1. 074 g/cm3,反應(yīng)溫度70℃,分別以陳化時(shí)間2, 3, 4 h做實(shí)驗(yàn),結(jié)果列于表4。由表4可見,當(dāng)陳化時(shí)間達(dá)到3 h以后,白炭黑的質(zhì)量并未得到提高。上述結(jié)論可解釋為:在整個(gè)反應(yīng)體系中,水玻璃的水解反應(yīng)是控制步驟,所以反應(yīng)必須經(jīng)過一定時(shí)間后水玻璃水解才完全,相應(yīng)的產(chǎn)率自然會(huì)升高。陳化時(shí)間達(dá)到2 h以后,反應(yīng)已接近平衡,產(chǎn)率基本不變。但隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng),體系長(zhǎng)時(shí)間受熱,也會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量及產(chǎn)率。而且時(shí)間過長(zhǎng),能耗增大,相對(duì)成本提高。因此選定2 h為最佳陳化時(shí)間。

2. 5　分散劑用量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

選定水玻璃溶液滴加到NH4HCO3溶液的加料方式,水玻璃密度1. 074 g/cm3,反應(yīng)溫度70℃,陳化時(shí)間2 h,加入0. 4 g/L有機(jī)分散劑(Ⅰ), 0. 8 g/L有機(jī)分散劑(Ⅱ),未加分散劑3者相比較,結(jié)果列于表5。從表5可知,加入0. 4 g/L有機(jī)分散劑(Ⅰ)所得到的白炭黑的產(chǎn)品質(zhì)量最好。這說(shuō)明加入適量的有機(jī)分散劑可以改善產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)分散劑的添加量一般要低于臨界聚集濃度;如果加入量過多,反而會(huì)使凝膠量增加,白炭黑質(zhì)量會(huì)明顯下降。

3　結(jié)論

以碳酸氫銨和水玻璃為原料,用沉淀法制備白炭黑,工藝流程簡(jiǎn)單。最佳工藝條件:采用水玻璃溶液滴加到NH4HCO3溶液的加料方式,水玻璃密度1. 074 g/cm3,加入0. 4 g/L有機(jī)分散劑(Ⅰ),反應(yīng)溫度70℃,陳化時(shí)間2 h。在該工藝條件下可得到比表面積達(dá)到235 m2/g、DBP吸油值達(dá)到3. 43 mL/g的白炭黑產(chǎn)品。