[发明专利]一种以硅灰石为原料制备纳米白炭黑的方法

说明书

技术领域

本项发明属于无机非金属粉体材料制备技术领域，具体为一种以硅灰石为原料制备纳米白炭黑的方法。 

背景技术

纳米二氧化硅是一种重要的无机非金属超微细新材料，其粒径均在100nm以下，比表面积大，表面吸附力强，化学纯度高，分散性能好，其热阻、电阻等方面具有特异的性能，被广泛用于高级日用化妆品、医药、环保、饲料工业、肥料工业、化学工业、微电子工业、航空航天工业、国防工业、大规模集成电路、光纤光缆等等各种领域，因此在国内外受到很大关注。

常用的纳米白炭黑制备方法有三种。第一种是以四氯化硅为原料的气相法。把四氯化硅气体在氢气、氧气流中于高温条件下水解制得烟雾状的二氧化硅，再使其凝结成絮状，然后分离、脱酸即得产品，气相法制得的产品纯度高、分散度高、粒子小，表面羟基少，因而具有优异的补强性能，一般用于精细填料。但该法对设备条件要求较高，原料价格高、反应流程长、生产过程能耗大，技术也相对复杂，从而导致产物价格较高，限制了其更广泛的应用。 

第二种是溶胶—凝胶法。该法以金属醇盐或无机盐为初始原料，利用金属醇盐和无机盐的水解或沉淀反应制备出金属氧化物或金属非氧化物的均匀溶胶。然后再进行溶胶—凝胶转化过程，形成有机聚合物网络或无机网络，凝胶化后，再经过陈化、干燥和热处理得到产物。由于凝胶干燥过程中，溶剂、水分的挥发导致材料收缩，必须进行后处理才能得到纳米粒子，且所用原料大多为化学试剂。

第三种是反相胶束微乳液法。该法是液相化学制备法中最新颖的一种，微乳液通常由表面活性剂、助表面活性剂、油、水组成，首先形成乳液，剂量小的溶剂被包裹在剂量大的溶剂中形成一个个微泡，微泡表面由表面活性剂组成，尺寸大小在5-100nm之间。反应物大多是金属或金属氧化物，反应物与醇在低温下反应制得醇盐。当醇盐透过胶团界面膜进入水核中时，醇盐发生水解生成金属氧化物。该法大多用化学试剂等为原料，工艺过程比较复杂。

在国外发达国家纳米白炭黑已经得到广泛应用，美国卡博特公司白炭黑的生产技术、产品品种和质量均居世界领先水平。目前我国的同类产品在生产规模、生产技术、自动化程度以及产品牌号等方面远不及国外大公司，占总需求量80％以上的产品需要从国外进口。鉴于我国已成为世界最大的轮胎市场，对炭黑尤其是汽车轮胎用高质量橡胶用纳米白炭黑需求的快速增长，以天然的矿物为原料，研究纳米白炭黑的制备方法，降低产品成本，保护环境具有重要的现实意义。

本项发明采用硅灰石为原料，这是因为硅灰石是一种储量比较丰富的矿物，其主要成分是硅酸钙（CaSiO₃），采用合理工艺制备纳米白炭黑。经过反复试验，最终发明了工艺简单、成本低、粒径为纳米的白炭黑制备方法，用本方法制备出的产物纯度高、分散性好且粒度≤100纳米。

发明内容

本项发明以硅灰石为原料，以硫酸溶液为溶剂，在常压下经过湿化学沉淀法制备纳米白炭黑新材料。产品制备过程中主要包括原料准备，硅灰石破碎，除去钙离子和控制反应体系的反应速率等主要工序制备纳米白炭黑。

采用的技术方案：

1．硅灰石破碎粉磨。选用二氧化硅含量达到≥47%以上的硅灰石为原料，利用破碎粉磨设备将硅灰石原料粉磨至粒度为≤74μm，获得制备纳米白炭黑的硅灰石粉体原料；

2．硅酸溶胶的制备。以破碎粉磨所得到的硅灰石粉体为原料，放入蒸馏水中，经电动搅拌器以500~800r/min搅拌强度搅拌混合，使硅灰石粉体充分分散均匀，制得质量浓度为3.0%~8.0%的硅灰石悬浮液，将硅灰石悬浮液升温到70~95℃温度，然后将浓度为2.0~8.0mol/L的硫酸溶液以6.0~15.0ml/min的速度滴加到硅灰石悬浮液中，硫酸H₂SO₄与硅酸钙CaSiO₃摩尔之比为1~2.5:1，同时加入十二烷基苯磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠的加入量为硅灰石质量分数的0.5~4.0%，待硫酸溶液加入完毕后继续反应20~60min停止搅拌，在空气中静止陈化20~60min，过滤、蒸馏水洗涤，得到硫酸钙副产品和硅酸溶胶。