摘要：本文介绍了白炭黑的分类及其发展，白炭黑分为沉淀法白炭黑和气相法白炭黑，广泛应用在轮胎、交代、胶管、胶鞋、电线电缆等橡胶制品中。白炭黑与硅烷偶联剂并用于轮胎胎面胶中，在降低轮胎滚动阻力的同时可以有效的改善轮胎的耐磨性和抗湿滑性。使用白炭黑的胶料拉伸强度、撕裂强度、耐磨性等都得到提升，在透明和彩色橡胶制品中占有一定的优势。随着人们环境意识的增强、轮胎工业的发展及白炭黑品质的不断提高，其应用范围将得到一定的扩大。
关键词：白炭黑；橡胶；工业；应用
白炭黑是微细粉末状或超细粒子状无水及含水二氧化硅或硅酸盐类的统称，是一种白色、无毒、无定形微细粉状物。其ＳｉＯ２含量较大（大于９０％），原始粒径一般为１０～４０ｎｍ，因表面含有较多羟基，易吸水而成为聚集的细粒。白炭黑的相对密度为２．３１９～２．６５３ｇ／ｃｍ３。熔点为１７５０℃。不溶与水和酸，溶于强碱和氢氟酸。具有多孔性，内表面积大，高分散性，质轻，化学稳定性好，耐高温、不燃烧、无毒无味以及电绝缘性好等优异特性。在橡胶工业领域，白炭黑是橡胶制品的重要补强填充剂，它能大幅提高胶料的物理性能，减少胶料滞后，降低轮胎的滚动阻力，同时不损失其抗湿滑性。此外，白炭黑在塑料、造纸、涂料、化妆品以及油墨等方面具有广泛的应用，开发利用前景十分广阔。
目前，市场上常见的白炭黑主要有气相法白炭黑和沉淀法白炭黑两种，其中沉淀法白炭黑（学名沉淀水合二氧化硅）主要用于鞋类、轮胎和其他浅色橡胶制品，其他的用途包括在农药、饲料等行业中用做载体或流动剂，在牙膏中用做摩擦剂，在涂料中用做分散剂、抗沉淀剂或者消光剂等；气相法白炭黑（学名气相二氧化硅）是一种多功能的添加剂，在橡胶领域主要用于室温硫化硅橡胶（ＲＴＶ）、热硫化硅橡胶（ＨＴＶ）等领域，其他用途还包括涂料、胶黏剂、油墨、化工机械抛光、造纸、食品以及胶体蓄电池等行业，可起到增稠、触变、消光以及防沉等作用。
1、白炭黑的分类
1.1沉淀法白炭黑
沉淀法白炭黑又称水合二氧化硅,其二氧化硅质量分数为0.87～0.95,白度约为95%,平均粒径11～100nm,比表面积45～380m2•g-1,DBP吸收值1.60～2.40cm3•g-1。90%的白炭黑是沉淀法产品,因气相法白炭黑价格昂贵,橡胶工业主要应用沉淀法白炭黑。沉淀法白炭黑可用于NR和SR,用以制造轮胎、胶鞋、胶管、胶带、耐热垫片、医疗用品及其它各种彩色或白色橡胶制品。
1.2气相法白炭黑
气相法白炭黑又称无水二氧化硅,是一种高纯度超细白炭黑,其二氧化硅质量分数在0.998以上,平均粒径8～19nm,比表面积130～480m2•g-1,DBP吸收值1.50～2.00cm3•g-1。它与沉淀法白炭黑相比,胶料粘度高,硫化胶的硬度、拉伸强度、定伸应力、扯断伸长率、撕裂强度以及胶料的透明度更好。
气相法白炭黑适用于硅橡胶的补强。硅橡胶具有耐老化、耐高低温和电绝缘性能等优良特性,但它是一种直链的高相对分子质量有机硅氧烷,分子链非常柔顺,链间相互作用力较弱,其硫化胶的强度极低,无使用价值,必须进行补强才能应用。经气相法白炭黑补强的硅橡胶物理性能有很大改善,其拉伸强度可提高20倍左右,撕裂强度提高40倍左右,可满足硅橡胶的补强及后硫化时不起气泡的需求。气相法白炭黑的价格较高,因此主要用于硅橡胶,可用于制造V带、胶辊、胶管、电缆、油封及发泡制品。
2、白炭黑在橡胶制品中的应用
2.1橡胶轮胎
轮胎的补强剂一般使用炭黑。但根据西德迪高沙公司轮胎配方研究结果，如增配10--20份白炭黑则能改善胶接性和抗撕裂性，使轮胎行驶里程提高，还能增强对路面的抓着力，以利行车安全;我国轮胎行驶里程低于国际水平，不使用白炭黑是原因之一;这种配方在欧、美、日本主要轮胎厂已广泛使用。日本硅橡胶介绍670-13轮胎在帘布层、缓冲层中配合15份白炭黑，行驶里程比单纯炭黑轮胎提高2.5万公里;1200-20轮胎提高0.9-1.2万公里;上海大中华、正太厂初步试验证明其定伸强力提高、磨耗减小，目前正进一步试验中。白炭黑在钢丝等金属的粘合配方中的补强作用，根据国外剖析子午线轮胎的资料，使用白炭黑可提高钢丝与橡胶粘合性能，同时也改善粘合胶的物理性能。此外，目前国际市场对自行车胎要求也日益多样化，如轮胎胎侧彩色化和闪光圈等新花式品种，都是用白炭黑代替炭黑来满足要求的。
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2.2砻谷胶辊
砻谷胶辊过去一直采用炭黑作补强的黑色制品，由于黑色污染大米，不符合卫生要求，逐渐被浅色或自色胶辊所取代。由于砻谷机工作时，胶辊转速高达900rpm,相对磨擦力大，使胶辊表面温度高达65℃，必须要求砻谷胶辊橡胶材料具有较高的耐磨性，耐热性和抗张、抗撕裂性，同时胶辊的硬度和弹性要求适中。但以白炭黑作补强剂的浅色或自色砻谷胶辊在力学性能上与炭黑为补强剂的黑色胶辊有一定的差距。由于浅色或白色胶辊在力学性能上存在着某些缺陷，有采用白炭黑表面化学处理的方法来解决。虽然以气相法白炭黑为补强剂的胶辊不存在上述间题，但价格昂贵，不适用于民间橡胶制品。
为解决沉淀法白炭黑为补强剂的胶辊在力学性能上的差距，杭州化工研究所找到了比较好的工艺路线，他们采用橡胶与塑料两种材料并用，同时加入硅烷偶联剂，通过塑料衬-橡胶的有效补强，工艺配方的调整，成功地试制出浅色鲁谷胶辊，较好地解决了浅色胶辊力学性能和使用性能差的问题，并几使用寿命比黑色胶辊长。
2.3胶鞋
由于人们生活水平的提高，对雨鞋和胶底鞋不但要求牢度，对色调、重量也要求多样化。例如彩色雨鞋、透明底使鞋、运动鞋和旅游鞋等要求美观舒适而轻型。因此需要大量优质透明的沉淀白炭黑来满足国内外人民的需要。
2.4脱谷胶滚
过去脱谷胶滚都是配有炭黑的黑色制品。现在由于糙米着色污染改用沉淀白炭黑，由于白炭黑分散性能好又能对未硫化物赋予适度的接合性，使加工性能优越，而且硬度、耐磨、抗拉强度和抗撕裂等物理性能也更为理想。
2.5生活用品
白炭黑良好的补强性能及其纯白、透明等独特优势,使其在家用电器、文体用品等生活领域的橡胶制品中也得到了广泛应用。尤其是近年研制的纳米级白炭黑在紫外光波段范围内的反射率达90%左右,这对延长彩色橡胶制品的保色期及提高色泽的稳定性非常有利。其氮吸附比表面积可达269～320m2•g-1,添加到胶料中,可使胶料具有良好的强伸性能、抗臭氧老化性能和染料的保色性能。白炭黑在生活用品中应用的典型配方见表11～13。
3、我国白炭黑的应用及发展
我国白炭黑工业的第1套装置建于1958年,初期发展缓慢,到1984年只有十余家生产企业。1985年以后由于胶鞋工业的迅速发展,白炭黑的发展速度加快,进入20世纪90年代,其发展更为迅速。据中国化学工业年鉴统计,1992～1997年我国白炭黑产量分别为22169,27620,28079,59656,63704和75605t。到1999年我国共有白炭黑生产企业近150家。其中,年生产能力在1.5万t以上的厂家主要包括年产ZEOSIL和TIXOSIL系列沉淀法白炭黑约3万t的青岛罗纳普朗克白炭黑有限公司,年产各类白炭黑2.8万t的无锡恒亨白炭黑有限责任公司,年产2万t以上的罗地亚(青岛)白炭黑有限公司,年产1.5万t沉淀法白炭黑的山西省河曲化工厂,年产1.5万t的山东海化股份有限公司,年产1.5万t的株州泡花碱厂等。
我国白炭黑生产工艺一直比较落后,产品规格单一。近几年情况有所改善,工艺技术有了突破性进展,以高浓度硫酸法取代了溶胶法或晶种法,并以蒸汽直接加热取代蒸汽夹套间接加热的方式,不仅提高了热效率,且有利于采用大型反应釜和DCS计算机控制,从而为稳定工艺和扩大装置规模创造了条件。特别是几家规模较大的厂家已参照国外厂家的主要品种建立起自己的系列品种,疏水白炭黑和超细白炭黑等新品种也已有生产和应用。
4、结束语
因此,我国应积极开发、生产和使用可降低轮胎滚动阻力的高分散性白炭黑新品种系列,努力提高白炭黑产品质量的稳定性和纯净度;加强白炭黑应用技术的开发,特别是在轮胎胎面胶中的应用;努力实施扩大气相法白炭黑生产能力的规划,根据市场需求开发白炭黑新品种。
参考文献
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〔2〕谭鑫，钟宏．白炭黑的制备研究进展〔Ｊ〕．化工技术与开发，2010.
〔3〕盛强，姜岩，李东胜，等．制备白炭黑研究进展〔Ｊ〕．当代化工，２０１４，４３.
论文作者:王中杰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/30
标签：白炭黑论文; 轮胎论文; 胶辊论文; 胶料论文; 补强论文; 气相论文; 硅橡胶论文; 《电力设备》2018年第2期论文;