wild_boy 2008-6-1 15:40
大有可为的白炭黑
摘要 简述了白炭黑的结构、表面改性和制备方法，以及近年来的应用情况。
关键词 白炭黑 制备方法 应用
白炭黑又称水合二氧化硅、活性二氧化硅和沉淀二氧化硅，化学式为SiO2·nH2O。它是一种白色、无毒、无定形微细粉状的无机硅化合物，具有多孔性、高分散性、质轻、化学稳定性好、耐高温、不燃烧、电绝缘性好等优异性能，已广泛应用于塑料、橡胶、造纸、涂料、染料和油墨等诸多领域。但是，由于白炭黑表面存在的活性硅羟基使白炭黑呈亲水性，在有机相中难以浸润和分散，使其在某些特殊领域无法使用［1］。改性后的白炭黑因提高了表面活性，从而大大拓宽了产品的应用领域。近年来，随着我国经济的迅猛发展，对白炭黑的需求量也日益增加。目前，白炭黑已经成为大有前途的材料之一。
[b][color=blue] 1 白炭黑的结构和表面改性[/color][/b]
红外光谱研究证实，白炭黑粒子表面有3种类型的羟基［2］：隔离羟基、相邻羟基和硅氧基（如图1）。
白炭黑分子结构中的—Si—O活性与其所处的位置有关，处于结构中心的—Si—O键极性较强，结合能力较大；而处于微粒表面的—Si—O键的活性较大，能与其他分子发生键合作用。白炭黑表面的Si—OH基团具有很强的活性，容易与周围离子键合而起补强作用。白炭黑表面有一层均匀的硅氧烷和硅烷醇基团，这些基团具有强烈的亲水性，但工业上往往要求白炭黑具有疏水性，以改善其同聚合物胶料的界面结合力，因而需要对其进行表面改性。具体做法是：利用合适的化学物质通过一定的工艺方法使之与白炭黑表面的羟基发生反应，减少或消除表面硅醇基的量，使产品由亲水性改为疏水性，以达到表面改性的目的。
[color=blue][b] 2 白炭黑的生产方法[/b][/color]
目前国内外白炭黑的生产工艺主要有2种，一是以卤化硅为原料的气相法，另一种是以水玻璃为原料的沉淀法。
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2.1 气相法[/color]
气相法制备白炭黑是由Si的氯化物如SiCl4或CH3SiCl3等在氢气和氧气燃烧生成的水中进行高温（＞1000℃）水解反应；然后骤冷，经过聚[color=teal]集[/color]、脱酸等后处理工艺而制得。其反应原理如下：
用气相法生产的白炭黑是高纯度、小粒径的高品质产品，一般用于精细填料。但由于其反应流程长、生产能耗大、产品价格高而使其应用受到限制。目前，我国气相法白炭黑的生产技术与世界先进水平相比还有一定的差距，但我国已经攻克了世界级化工课题——纳米白炭黑技术，打破了德、美、日等少数发达国家在这一领域的垄[color=olive]断[/color]地位。2004年2月，中国蓝星（集团）总公司与美国卡博特公司签订合同，双方共投资3000万美元建设中国最大世界一流的气相二氧化硅生产厂——卡博特蓝星（江西）化工有限公司，2005年建成，规模为5000吨/年［3］。
[color=royalblue] 2.2 沉淀法[/color]
沉淀法白炭黑的生产就是通过水玻璃酸化获得疏松、粒细、以絮状沉淀出来的SiO2粉体。其反应原理如下：
用沉淀法制备白炭黑，生产工艺简单、产品成本低，但产品粒径大、活性较差、产品品质低。二次结晶生产超细白炭黑便是在沉淀法的基础上使用了晶种处理的改良技术，其SiO2的含量可达94%以上。上海九琛精细化工有限公司高分散无凝胶白炭黑的批量生产，标志着我国规模最大的高分散无凝胶白炭黑生产基地建成。该项目总投资达1.7亿元，首期生产目标为年产4.5万吨，全部建成后可年产10万吨，新产品拥有完全自主知识产权［3］。
[color=blue][b] 3 白炭黑的应用
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[color=royalblue]3.1 气相法白炭黑的应用[/color]
气相法白炭黑的应用领域主要在以下几个方面：
（1）轻工产品 添加白炭黑的食品包装袋对水果、蔬菜可起到保鲜作用；白炭黑还可用作防治水果各种疾病的高效杀菌剂；在酒类生产中，能净化啤酒和延长保鲜期；在含有氯乙烯的编织物中起消光剂的作用；在冷藏业中作隔热材料；在造纸工业中，白炭黑能使纸张轻量化，适合高速印刷，还可提高纸张的硬度、白度和不透明性，改善油墨的渗透性。
（2）医药、农药 白炭黑可改善药粉的流动性和抗静电性，使液体或黏性物质变为自由流动的粉末，以增进药粉对皮肤的黏附性。在聚乙烯包装材料的配方中加入少量的白炭黑，可制成医药物品的消毒包装膜。在化妆品方面，如面霜、香粉、爽身粉、洗发香波、染发剂等都大量使用白炭黑。用作农药的乳液分散剂、颗粒剂时，能大量吸收杀虫剂农药，然后缓慢释放，延长杀虫时间，提高杀虫效果。
（3）塑料、橡胶 白炭黑掺入环氧树脂浇注件中，可防止其收缩，提高塑料制品的硬度、耐磨、耐温和绝缘等性能。白炭黑在橡胶中往往以附聚体的形式分散在基体中形成二维网状交联结构，从而对橡胶起到增稠和补强作用；分散在基体中的白炭黑具有良好的光学性能，可做出白色透明的硅橡胶制品；作为填充剂，白炭黑可以提高塑料制品的耐磨性、耐撕裂性、抗臭氧老化性和冰面抓着性能；胎面胶中添加白炭黑可提高轮胎抗切割、抗撕裂性能，减少蹦花掉块；白炭黑填充的胶料与普通炭黑填充的胶料比较，滚动阻力可降低30%［4］。
（4）涂料、油墨和油漆 在配方中加入气相白炭黑，可以控制体系的流变性和触变性，既防止涂料和油漆在施工过程中的流挂现象，又可保证涂层厚薄均匀，获得高品质的涂刷效果。气相白炭黑还能提高颜料和填料的悬浮性，改善颜料的分散性，从而提高了涂层的表面光泽以及抗刮擦和耐磨防腐性能。
（5）黏合剂和密封剂 白炭黑在黏合剂和密封剂中均匀分散后，其表面的活性硅羟基易与聚合物形成氢键，产生结构化效应，形成网状结构，使得体系的黏度增加，流动性变差，从而起到增稠作用［5］。如存在外界剪切力，网状结构就会受到破坏，导致体系黏度下降，发生触变效应，如外界剪切力消除，网状结构又重新形成，这样就能有效地防止黏合剂和密封剂在贮存期间的沉淀和固化期间的流挂现象，并提高其撕裂强度和黏结强度。
[color=royalblue]3.2 沉淀法白炭黑的应用[/color]
沉淀法白炭黑广泛用作橡胶、塑料的填充补强剂、油墨增稠剂、油漆涂料添加剂、合成润滑脂和硅脂稠化剂、制革业平光剂、农药分散剂、造纸填充剂、合成树脂（聚脂树脂、弹性聚氨脂）的添加剂、电子电气业绝缘绝热填料及日用化工原料等。在饲料、肥料、化工、微电子、航空航天、国防、大规模集成电路、光纤光缆等领域都有着广泛的应用。
参考文献
［1］ 武杰灵，潘守华，齐雪琴等．科技情报开发与经济，2003，13（7）：97
［2］ 杨波，何慧，周扬波等.化工进展，2005，24（3）：373-376
［3］ 韩秀山.化工设计通讯，2004，30（3）：51-52
［4］ 杨本意，段先健，李仕华等．有机硅材料，2003，17（4）：30
［5］ 周良玉，尹荔松，周克省等．材料导报，2003，17（11）：56-58
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