背景及概述^[1]

白炭黑是一種硅系增強粉體物質，是一種外觀呈白色、具有多孔隙的材料，主成分是二氧化硅，內部結構及其聚集狀態(tài)與炭黑極為相似，因而在橡膠添加劑市場上能夠替代炭黑，廣泛應用于橡膠制品、化妝品、油漆、食品等領域。

白炭黑因為其獨特的結構和性能，在橡膠領域具有廣泛的應用，尤其是經(jīng)過改性之后，應用更加廣泛。隨著科技的發(fā)展，安全、舒適和節(jié)能環(huán)保型綠色輪胎將越來越受到人們的關注，這將促進白炭黑應用研究的進一步發(fā)展。白炭黑可以單獨使用，也可以與其他補強劑并用。今后應該進一步加強白炭黑補強機理及其影響因素的理論研究，降低生產(chǎn)成本，擴大應用范圍。重點加強白炭黑與其他補強劑并用對合成橡膠性能影響的應用研究，以進一步改善合成橡膠的力學、熱學和電學等性能，滿足實際生產(chǎn)的需求，提升我國合成橡膠的整體技術水平。

性質^[1]

物理性質

白炭黑呈白色，無毒無味無臭，有著穩(wěn)定的物理性質，不燃，絕緣性良好，粒徑小，多孔，具有較好的分散性能，比表面積大，質地較輕，密度為2.318~2.653mg·cm-3，耐高溫，熔點為1750℃。

化學性質

白炭黑是無定形的二氧化硅帶少量結晶水（即SiO2·nH2O），能在氫氧化鈉和氫氟酸中溶解，但不能在水、一般溶劑和普通的酸中溶解。新制備的白炭黑性質活潑，能與空氣中的水分結合在一起，形成小顆粒。

應用^[1]

白炭黑的應用范圍十分廣闊。白炭黑的功能強大，可以當作添加劑，起到使稀溶液增稠、橡膠補強、在易結塊材料中抗結塊等作用。因其功能的特殊性，可用于輸送信號電流的電纜材料、日常皮膚護理的化妝品、建筑材料的油漆、食品等領域，還可充當補強劑用于橡膠制品中，在橡膠產(chǎn)業(yè)中替代炭黑。除此之外，還可用作醫(yī)藥、農(nóng)藥等產(chǎn)品的分散劑和載體，用作飼料和農(nóng)藥的載體或助流劑，在造紙行業(yè)中作為填充劑等。

制備方法^[1]

白炭黑的制備原料不同，制備方法也各有不同。一種是沉淀法制取白炭黑，制備原料通常為工業(yè)水玻璃；另一種是氣相法制取白炭黑。制備方法有物理法和化學法兩種。物理法所制備的白炭黑，產(chǎn)品質量不太理想，因此該法的使用范圍不是很廣。化學法又分為氣相法和液相法，其中沉淀法、解離法和溶膠凝膠法屬于液相法。沉淀法的能量消耗高，對環(huán)境條件的要求苛刻，產(chǎn)品活性不好，補強性能差；解離法和溶膠凝膠法的原料易得且成本較低，因此受到人們的重視。

1、沉淀法

沉淀法制取白炭黑的硅源以硅酸鹽為主。硅源與無機酸發(fā)生酸堿中和反應，生成沉淀物，沉淀物即水合硅酸。以硅酸鈉和硫酸為例，主要反應為：

Na2SiO3+H2SO4=Na2SO4+SiO2· nH2O

將水合硅酸進一步分解、沉淀、分離、干燥，得到SiO2 即白炭黑。可根據(jù)不同的工藝條件，選擇不同的無機酸和反應溫度等，制備具有不同活性的白炭黑。根據(jù)無機酸的不同，沉淀法可分為鹽酸法、硝酸法及碳化分離沉淀法等。

2、解離法

解離法與傳統(tǒng)沉淀法的不同之處，在于傳統(tǒng)沉淀法的硅源大多來自水玻璃，而解離法的硅源則不再局限于水玻璃。解離法以非金屬礦作為硅源，從非金屬礦中解離出硅。具體工藝如下：非金屬礦經(jīng)破碎、酸浸、堿浸，制備出水玻璃，再將水玻璃按照傳統(tǒng)沉淀法制備，得到白炭黑。由非金屬礦制備的白炭黑，在很多領域都有應用，例如不飽和聚酯樹脂、膠黏劑、電纜料及硅橡膠等，能起到增稠、補強等作用。非金屬礦里的的某些成分，還會與產(chǎn)品的某些成分形成復合材料，在保持各自性能的同時，又能起到很好的協(xié)同作用。

3、溶膠-凝膠法

溶膠凝膠法是制備納米級 SiO2 的主要方法。該法以金屬硅鹽為硅源，經(jīng)水解形成硅膠，再經(jīng)過濾去除有機溶劑、干燥去除水分后得到白炭黑。主要反應如下：

nSi(OR)4+2nH2O→(SiO2)n+4nROH

該方法制備的產(chǎn)品具有比表面積大、易分散、懸浮性能好、純度高、活性高、反應條件溫和等優(yōu)點，缺點是在白炭黑的干燥過程中，由于水和溶劑的揮發(fā)，材料會發(fā)生收縮及團聚現(xiàn)象，因此要經(jīng)過其他操作才能獲得納米粒子。

4、氣相法

到目前為止，國際上唯一能夠大規(guī)模批量生產(chǎn)的納米材料是氣相法白炭黑。目前全世界產(chǎn)量已經(jīng)突破了 1 萬 t· a-1。世界上可以生產(chǎn)氣相二氧化硅的國家有德國、美國、日本和比利時，主要制造商有美國的 Cabot 公司和德國的 Degusa 公司。化學沉淀法是氣相法的常用方法，是氯化物在氣化狀態(tài)下高溫水解形成白炭黑。反應原理如下：

SiCl4+2H2+O2→SiO2+4HCl

該技術有兩個步驟：1）進入合成水解爐之前，原料中的氫氣和氧氣必須進行加壓，然后再經(jīng)過分離、冷卻、脫水、硅膠干燥、除塵和過濾等一系列操作。 2）四氯化硅通過蒸餾塔進行蒸餾，并在蒸發(fā)器中進行加熱和蒸發(fā)等操作。干燥和過濾后的空氣被用作載體。高溫氣化后，原料在高溫下進行反應。高溫反應生成的白炭黑十分細小，收集不方便。由于生成了氣溶膠，因此要借助其他附加操作使其形成較大的顆粒，以利于收集。顆粒最后進入脫酸爐中，經(jīng)過洗滌后得到白炭黑。

參考文獻

[1]龍金芬,金肖肖,黃橋風,楊家欣,張加程,陳呈,吳蜜,孔德順.白炭黑制備的研究進展[J].化工技術與開發(fā),2021,50(11):35-37.