縱觀世界情況,硅化合物的新品種近些年來增加并不多,而對于無機硅化合物用途的開發則較為重視。例如硅化合物中最老的品種硅酸鈉,目前也在向高性能、高附加價值化發展;美國莫比爾公司對于ZSM沸石研制了多種規格,幾乎可用于石油化工的各個催化過程;氮化硅陶瓷發動機正在向實用化進軍。因此,從目前開發趨勢看,無機硅化合物將會大量進入到輕工、食品、醫藥、建筑、電子、冶金、機械工業等許多領域,一定大有發展前途。
我國的硅化合物產品主要是解放后才逐步發展起來,至今才有幾十個品種,因此差距還較大。我國具有優質而豐富的資源,為研究開發更多的硅化合物提供了物質基礎。近十多年來,不僅得到了化工部的重視,并委托科研單位出版了“硅鋁化合物”資料。可以預料,我國的硅化合物的發展速度必將越來越快,與世界發達國家的差距必將越來越小。
白炭黑是硅化合物中較老的一個品種,三十年代中葉,德、蘇、美等國就開始研制,到四十年代末就進入了工業生產,八十年代總生產能力達70~80萬噸/年。我國六十年代開始起步,八十年代千噸級的廠有兩家,年產量總共僅5000~6000噸,而且品種少,質量差,能耗高,未形成系列化。因此,研制新產品和開發應用領域的任務十分艱巨。
1.物理化學性質
外觀為白色高度分散的無定形粉末或絮狀粉末,也有加工成顆粒狀作為商品的。比重為2.319~2.653,熔點為1750℃。不溶于水及絕大多數酸,在空氣中吸收水分后會成為聚集的細粒。能溶于苛性鈉和氫氟酸。對其它化學藥品穩定,耐高溫不分解,不燃燒。具有很高的電絕緣性,多孔性。內表面積大,在生膠中有較大的分散力。經表面改性處理的憎水性白炭黑易溶于油內,用于橡膠和塑料等作為補強填充劑,都會使其產品的機械強度和抗撕指標顯著提高。由于制造方法不同,白炭黑的物化性質、微觀結構均會有一定差異,故其應用領域和應用效果也不同。
2.用途。
白炭黑的用途很廣,且不同產品具有不同的用途,現再概述如下:用作合成橡膠的良好補強劑,其補強性能僅次于炭黑,若經超細化和恰當的表面處理后,甚至優于炭黑。特別是制造白色、彩色及淺色橡膠制品時更為適用。用作稠化劑或增稠劑,合成油類、絕緣漆的調合劑,油漆的退光劑,電子元件包封材料的觸變劑,熒光屏涂覆時熒光粉的沉淀劑,彩印膠板填充劑,鑄造的脫模劑。加入樹脂內,可提高樹脂防潮和絕緣性能。填充在塑料制品內,可增加抗滑性和防油性。填充在硅樹脂中,可制成耐200℃以上的塑料。在造紙工業中用作填充劑和紙的表面配料。還有用作殺蟲劑及農藥的載體或分散劑,防結塊劑以及液體吸附劑和潤滑劑等。
3.生產方法概述
白炭黑的生產方法,根據國內外的資料表明,主要是沉淀法和氣相法兩大類型。由于沉淀法所用原料便宜,易得,生產工藝和設備較為簡單,產品售價低,因而目前占主導地位。現將有關方法簡介如下:
一、沉淀法
沉淀法又稱濕法,主要原材料為石英砂、純堿、工業鹽酸或硫酸或硝酸或二氧化碳。其工藝路線大體上是:先采用燃油或優質煤在高溫下將石英砂與純堿反應制得工業水玻璃,工業水玻璃用水配制成一定濃度的稀溶液,然后在一定條件下加入某種酸,使二氧化硅沉淀出來,再經清洗、過濾、干燥(烘干或噴霧)、粉碎、制得產品白炭黑。沉淀法又分酸法、溶膠法、碳化法等許多不同的具體方法。
(1)酸法
一般說來,酸法是將可溶性硅酸鹽與硫酸(或其它酸)一起反應,當反應液到達某一pH值時停止加酸反應,進行陳化,然后過濾并用水多次反復清洗,脫除Na2SO4后,送干燥、粉碎后得到產品。
工藝流程示意圖為:
該方法所得產品的性能與制備過程的條件控制有十分重要的關系。這是因為在反應的過程中,溶液中可溶性的硅酸鹽首先轉變成為單體硅酸(可溶性)。由反應體系的條件所決定,單體硅酸有可能生成疏松的絮狀物(聚集作用),也有可能生成致密的膠粒(凝膠作用),從而造成最終產品的很大差異。為了得到所需性能的白炭黑,反應過程的有關條件必須嚴格控制。
在實際制備過程中,同樣是酸法,并且用同樣的原材料,其具體的操作過程和條件控制有不少差別,現舉兩例為證:
例一配制好的稀硫酸以一定的速度,分三次加入到盛有一定量的稀釋了的水玻璃的反應釜中,邊加酸邊攪拌邊升溫,最后的反應產物的pH值控制在4~4.5之間,然后升溫,在攪拌下老化一定時間,再冷卻后送去分離。
例二配制好的稀硫酸,以一定的速度加入到盛有一定量稀釋了的水玻璃的反應釜中,邊加酸邊攪拌邊升溫,最后控制pH值在2~3之間,加氨水調節至pH在8~9之間,然后升溫,在攪拌下老化一定時間,再降溫、酸化后送去分離。
以上兩例,在對原材料成份要求,稀釋程度以及加酸速度、攪拌速度和溫度等都有不同的指標。此外,在對濾并的處理與干燥的方法上也有不同的過程和要求。可見差別之存在。