白炭黑是炭黑的代用品，是微細粉末狀或超細粒子狀無水及含水二氧化硅或硅酸鹽類的通稱，平時所稱的白炭黑為水合硅酸(SiO2·nH2O)，其SiO2含量較大(>90%)，原始粒徑一般為10~40nm，因表面含有較多的羥基，易吸水而成為聚集的細粒。白炭黑熔點1750℃，不溶于水和酸，溶于強堿和氫氟酸。它的化學穩(wěn)定性好，耐高溫、不燃燒，內表面積大，電絕緣性強。它在化工、輕工等行業(yè)中應用廣泛，如橡膠、塑料、造紙、涂料、化妝品、油墨、牙膏及農(nóng)藥等等。最大用途是橡膠的補強填料，用量占總產(chǎn)量的75%以上。
白炭黑經(jīng)典的制造方法分三類：氣相法、沉淀法和非金屬礦離解法。工業(yè)上制備方法無外是這三種方法的組合或改良。氣相法是將四氯化硅氣體在氫-氧氣流中于高溫下水解制得，產(chǎn)品純度極高，性能優(yōu)異，但對設備要求較高，原料稀少極貴，技術控制復雜，投資規(guī)模很大。沉淀法是將水玻璃與酸作用，先生成硅酸，然后分解制得。該法原料易得，流程簡單，投資規(guī)模不大，但能耗高，對環(huán)境要求較高。非金屬礦離解法是用膨潤土、高嶺土、蛋白土、海泡石、凹凸棒石、等作為制取白炭黑原料，利用非金屬礦制取白炭黑，在技術上是可行的，經(jīng)濟效益也是好的，為非金屬礦的深加工和綜合利用提供了一條新路。我國非金屬礦資源非常豐富，在眾多非金屬礦的開發(fā)利用過程中，有許多非晶態(tài)二氧化硅未被很好利用，充分開發(fā)這些硅質資源是提高資源利用率及經(jīng)濟效益，減少環(huán)境污染的有效途徑。因此將晶態(tài)二氧化硅和硅酸鹽中的晶態(tài)硅轉變成不定型二氧化硅，是簡化白炭黑生產(chǎn)工藝、降低能耗及成本的技術關鍵。
白炭黑作為橡膠的填充劑主要用途是在橡膠中起交聯(lián)作用，作補強劑。用非金屬礦制備的白炭黑廣泛的應用于硅橡膠、油漆涂料、油墨和復印機墨粉、粘膠劑、電纜料與不飽和聚酯樹脂中，可起到補強、增稠、抗結塊、控制體系流變和觸變等作用。特別是用非金屬礦制備的白炭黑中含有少量非金屬礦成分，少量非金屬礦成分與白炭黑組合的白炭黑/非金屬礦復合填料，不僅具有著白炭黑、非金屬礦各自功能性，而且有良好的協(xié)同效應，可拓寬彩色、淺色化橡膠制品填料的領域。
此外，用非金屬礦制備的白炭黑一般親水性好，具有觸變性、生理惰性、高吸收性、分散性和增稠性而在藥品、化妝品和農(nóng)藥工業(yè)是得到了廣泛的應用。白炭黑可改善藥粉的流動性、分散性和抗靜電性，使液體或粘性物質變?yōu)樽杂闪鲃拥姆勰稍鲞M藥粉對皮膚的粘附性，作為吸收劑、分散劑可用于西藥片劑如維生素C的生產(chǎn)中。其巨大的內、外比表面積，可作為醫(yī)藥和農(nóng)藥載體，用于除草劑可防止結塊;用作農(nóng)藥的乳液分散劑、顆粒劑時，能大量吸收殺蟲劑農(nóng)藥，然后緩慢釋放，提高殺蟲效果。在粘接劑和密封劑中，白炭黑主要起增稠、觸變和控制流動性作用，防止填料沉淀，保證自由流動，提高耐溫性，增加粘滯度，增強附著力，加快凝固速度。在造紙工業(yè)上，白炭黑能使紙張輕量化，適合高速印刷，還可提高紙張的硬度、白度和不透明性，改善油墨的滲透性，使之在耐磨、手感、印刷、光澤性能方面優(yōu)于不加白炭黑的紙張。
在油墨、油漆和涂料中，白炭黑可作為增稠劑、觸變劑、分散劑、流量控制劑和防沉劑，能使制劑色澤鮮艷，增加透明感，且打印清晰、漆膜堅固，當濃度較大擴散性能降低時，能作消光劑。
白炭黑在日常生活中也有廣泛的應用，如添加有白炭黑的食品包裝袋對水果、蔬菜可起到保鮮作用。白炭黑還可作防治水果各種疾病的高效殺菌劑;在酒類的生產(chǎn)中，能凈化啤酒和延長保鮮期。
1 用膨潤土制備白炭黑
膨潤土(Bentonite)是以蒙脫石為主要成份的粘土礦物，其化學成份相當穩(wěn)定，被譽為"萬能石"。蒙脫石是由二層共頂聯(lián)接的硅氧四面體片夾一層共棱聯(lián)接的鋁(鎂)氧(氫氧)八面體片，構成2:1型含結晶水的硅酸鹽礦物，是粘土類礦物大家庭中晶體結構變異最強的礦物之一，通過衍射儀慢速掃描的試驗結果表明蒙脫土的粒度已接近納米級，是天然納米材料。
我國的膨潤土資源極為豐富，遍布26個省市，儲量世界第一，每年消費量已超過300萬噸，但工業(yè)應用及經(jīng)濟效益僅限于一些初級產(chǎn)品，資源利用率不高，產(chǎn)品附加值低。
膨潤土主要成份蒙脫石的化學式為AL2O3·4SiO2·3H2O，蒙脫石受熱后在活化劑作用下層狀結構易被破壞，將晶態(tài)硅轉變?yōu)榫哂谢钚缘姆蔷B(tài)二氧化硅(SiO2·nH2O)。膨潤土經(jīng)活化處理等一系列必要的加工過程便可直接得到純度較高的白炭黑，用膨潤土直接制備的白炭黑的質量經(jīng)橡膠研究單位配方研究和橡膠廠生產(chǎn)應用，主要技術指標達到沉淀法白炭黑國家標準(GB10517-89)。該法附加值大，副產(chǎn)品可作凈水劑，成本遠低于傳統(tǒng)工藝，因此是一條比較可行的新方法。
以膨潤土為主要原料生產(chǎn)白炭黑生產(chǎn)工藝新穎先進，流程合理，低能耗，原料價格低廉易得，是國家鼓勵開發(fā)的國家級重點新產(chǎn)品。低成本，低成本的白炭黑為白炭黑用于彩色、淺色橡膠制品的補強提供了價格優(yōu)勢。該產(chǎn)品具有下列特點：
(1) 在橡膠加工工藝過程中飛揚少，吃膠塊，生熱低，不脫輥，易混煉;
(2) 加熱減量低，利于膠料貯存。
用膨潤土制備白炭黑能耗只為沉淀法(酸中和水玻璃)的1/5，原材料消耗成本只為沉淀法的1/3，與沉淀法生產(chǎn)的白炭黑相比每噸成本約低1000 -2000元左右。其工藝無氣體污染和固體廢料，含酸廢水采用成熟的中和法處理，或循環(huán)使用，或排放。
國內關于對用膨潤土制備白炭黑技術的研究很多[1-5]，中國科學院工冶金研究所用膨潤土制備白炭黑技術1991年度獲國家級新產(chǎn)品證書，列入1991年工國家級重點新產(chǎn)品試制鑒定計劃，1992年獲中國發(fā)明專利權，獲1992年中國科學院科學技術進步三等獎。
目前國外輪胎生產(chǎn)開始大量使用白炭黑，改善輪胎性能，有人稱21世紀是綠色輪胎時代，白炭黑在輪胎行業(yè)的使用將大大刺激白炭黑的需求;另外橡膠制品的彩色、淺色化發(fā)展趨勢以及其它工業(yè)領域應用的開拓也必將極大地刺激白炭黑的需求。膨潤土白炭黑性能優(yōu)，生產(chǎn)成本低具有強勁的市場競爭優(yōu)勢。
2 用高嶺土制備白炭黑
我國是世界上高嶺土資源豐富的國家之一，資源總量有可能超過190億t，僅次于美國、原蘇聯(lián)、英國，居世界第4位。從礦石質量來看，我國高嶺土礦石大多為陶瓷用土，Al2O3含量(品位)一般為20%左右，最高可達38%以上，最低不低于10%。高嶺土主要由小于2μm的微小片狀或管狀高嶺石族礦物晶體組成。高嶺石族礦物共有高嶺石、迪開石、珍珠石、7?埃洛石、10?埃洛石等五種。屬1：1型層狀硅酸鹽，單斜晶系。質純的高嶺土具有白度高，質軟易分散懸浮于水中，良好的可塑性和高的粘結性，優(yōu)良的電絕緣性能;具有良好的抗酸溶性，很低的陽離子交換量，較高的耐火度等理化性能。
用高嶺土可以制取白炭黑[6]。其方法是：將高嶺土礦與水配成懸浮液，干燥后粉碎，再焙燒，再用水與硫酸配成濃度50%的硫酸，加入礦粉，進行反應，反應完成后用水稀釋，再過濾，將濾餅放入反應器中，加入稀硝酸溶液，在攪拌下升溫到60～80℃，反應一小時，過濾，濾餅用水洗滌至中性，經(jīng)干燥、焙燒、冷卻后粉碎即得白炭黑。其產(chǎn)品質量可達到干法生產(chǎn)的標準，而設備及技術比濕法更為簡單，成本更低;其原料豐富，價格低廉;基本無"三廢"排出，有利于環(huán)境保護。
此外，用高嶺土制取白炭黑的研究還有很多[7-17] 。
為了提高白炭黑的產(chǎn)率，可以將高嶺土原料先煅燒后使用。
3 用硅灰石制備白炭黑
硅灰石(CaSiO3或Ca3[Si3O9])為鏈狀偏硅酸鹽礦物，有高溫、低溫兩種變體。通常所說的硅灰石是指β-CaSiO3(有些文獻將高溫變體稱為β-CaSiO3。硅灰石晶體沿{001}面發(fā)育，集合體呈纖維狀、針狀，亮白色或帶淺灰、淺綠、淺紅的白色，玻璃或珍珠光澤，纖維狀者具絲絹光澤;
低吸油率，高電阻，低介電常數(shù)，無磁性，低熱膨脹系數(shù)，優(yōu)良的耐熱、耐腐蝕、耐侯性及機械性能;低溫時呈化學惰性，高溫時易與高嶺石、葉蠟石、滑石等發(fā)生固相反應。
我國硅灰石儲量約2億t，居世界首位，保有儲量13265萬t，分布在吉林、遼寧、全世界年產(chǎn)硅灰石60萬t以上，我國國內硅灰石產(chǎn)量約30萬t，約占世界總產(chǎn)量的50%。但是，國內硅灰石加工和應用的總體水平不高。
硅灰石中偏硅酸鈣純度可達94%以上，雜質少，不溶于鹽酸，是制備白炭黑的理想原料。以礦物質為硅源制備白炭黑,其技術關鍵是將結晶的二氧化硅和硅酸鹽轉變成非晶態(tài)的二氧化硅。以硅灰石為硅源制備白炭黑主要工藝是以硅灰石為原料，經(jīng)過稀硫酸酸解、沉淀、水洗、干燥、粉碎而獲得[18]。當然，制備中需加入適量無機和有機助劑。
其反應式為：
CaSiO3+H2SO4-→CaSO4+SiO2+H2O
該方法生產(chǎn)的白炭黑為粉末狀,為高比表面積多孔二氧化硅，具有二氧化硅含量高和灼燒減量低、無廢氣排出。
此外，用硅灰石制取白炭黑的研究還有很多[19-25] 。以硅灰石為原料可生產(chǎn)納米二氧化硅，其方法是在盛有熱水的化學反應器中加入分散劑及硅灰石粉，再加入鹽酸進行化學反應，反應后混合液用堿液中和調整pH值至4～7，再用鹽酸回調混合液pH值至小于2，將產(chǎn)物濾出、甩干后放入另一個盛有熱水的化學反應器中，加入鹽酸，進行二次反應，反應結束后，將產(chǎn)物硅凝膠濾出、洗凈、甩干，用酒精、叔丁醇或正丁醇浸沒保護后，經(jīng)烘干、灼燒程序后得產(chǎn)品。其顯著特點是由礦石一步到位生產(chǎn)納米二氧化硅。具有工藝簡單、流程短、能耗低，質量穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低的優(yōu)點[26]。
4 用硅藻土制備白炭黑
用硅藻土可制備白炭黑，其方法是將蛋白土(石)或硅藻土礦粉與燒堿在加熱條件下反應，生成硅酸鈉，將反應產(chǎn)物過濾除去殘渣，加入鈉鹽，加水調到合適濃度，用酸中和，將此反應物陳化、過濾、洗滌、干燥，即得白炭黑產(chǎn)品。該方法與傳統(tǒng)的水玻璃方法相比，具有原料易得，工藝簡單，單位產(chǎn)品能耗及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點[27]。
此外，用硅藻土制取白炭黑的研究還有很多[28-31] 。
第三軍醫(yī)大學研究成功用硅藻土生產(chǎn)白炭黑和聚鋁的無污染先進技術。
浙江廣科化工有限公司、吉林省臨江市業(yè)柱化工有限公司用硅藻土生產(chǎn)白炭黑。
5 用其它非金屬礦制備白炭黑
用其它非金屬礦如蛇紋石、海泡石、凹凸棒石、粉煤灰、鋯英石、煤矸石、黃磷礦等也可制取白炭黑[32-38]。
用粘土礦物煅燒轉化也可制備白炭黑。由煅燒轉化反應用粘土礦物制備白炭黑旨在解決用粘土礦物不經(jīng)水玻璃狀態(tài)直接制備的白炭黑的白度和非晶質特性差的問題。該方法的工藝步驟為：1)將粘土礦物與固體反應劑，按重量比例1∶3～5配料、粉碎至粒度小于100目、在溫度360～750℃下煅燒0.5小時以上。2)加水溶解煅燒產(chǎn)物。3)過濾，從濾液中得到含鋁的鹽，濾餅經(jīng)洗滌、烘干后得到白炭黑即非晶質二氧化硅，其X射線衍射圖譜呈典型的非晶質特征，白度達95%。
用鋯英石也可制取白炭黑。鋯英石堿分解，分解產(chǎn)物水浸分離出高堿度硅酸鈉溶液，水浸沉淀物酸轉化得硅酸(膠)。將高堿硅酸鈉溶液與硅酸混溶、經(jīng)中和沉淀、過濾洗滌、干燥和粉碎而制備白炭黑。該方法具有工藝簡單、設備投資少、原材料消耗和成本低等優(yōu)點。是制備BG10517-89白炭黑和解決鋯英石生產(chǎn)鋯化學品過程中的生態(tài)學和環(huán)境工程問題最經(jīng)濟和有效的方法。
用煤矸石也可制取白炭黑。用煤矸石生產(chǎn)活性白炭黑第一步生產(chǎn)硅酸鈉，工藝過程為：粉碎煤矸石與純堿混料，混料比為1∶50，經(jīng)高溫冶溶、水萃、浸溶及縮得硅酸鈉，第二步生產(chǎn)活性白炭黑，工藝過程為：制備水玻璃溶液→送入反應器→陳化器→反應器→過濾洗滌→干燥→的成品活性白炭黑。該方法變廢棄煤矸石為有用的活性白炭黑，投資少，附加值高。
用蛇紋石可制取輕質氧化鎂及白炭黑。將蛇紋石酸浸后過濾，溶液經(jīng)中和、氧化除雜，再經(jīng)碳化、煅燒制取輕質氧化鎂，固體二氧化硅與濃度為20%～40%的燒堿液反應制取水玻璃，再將水玻璃經(jīng)兩步酸調生成白炭黑，堿式碳酸鎂的過濾液經(jīng)兩步蒸發(fā)可回收硫酸銨。該方法已經(jīng)工業(yè)性試驗，技術成熟，工藝可靠，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品質量優(yōu)良。
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