氣相法白炭黑生產(chǎn)方法及應(yīng)用概述
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氣相法白炭黑(俗稱納米白炭黑)是人工合成物無定形白色流動(dòng)性粉末,是一種松散、無定形、無毒、無味、無嗅,無污染的非金屬氧化物納米材料。其原生粒徑介于7~80nm之間,比表面積一般大于100㎡/g,是極其重要的納米級(jí)無機(jī)原材料之一。由于其納米效應(yīng),在材料中表現(xiàn)出卓越的補(bǔ)強(qiáng)、增稠、觸變、絕緣、消光、防流掛等性質(zhì),因而廣泛的應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料、膠粘劑、密封膠等高分子工業(yè)領(lǐng)域。作為液體的觸變劑和增稠劑,防沉淀、防流掛;改善顏料填料在液體體系中懸浮性和分散性;用作分散和研磨助劑;提高涂層耐腐蝕性;提高粉末流動(dòng)性、貯存穩(wěn)定性;改善粉末帶電量及電荷穩(wěn)定性;提高抗水性;提高漆膜抗刮傷性;提高顏色鮮艷性;固定特殊效果;提高漆膜物理機(jī)械性能;提高漆膜附著力和柔韌性;改善橡膠、彈性體粘彈性能,補(bǔ)強(qiáng);消泡劑中的消泡作用;提高涂層表面硬度、抗刮擦;薄膜及彈性體中防止粘連;作為吸附劑和載體;用于噴墨打印涂層;作為齒科材料的高級(jí)填充物;作為催化劑載體,顯著的熱絕緣性,用于低溫和高溫絕緣。
一、氣相法白炭黑生產(chǎn)方法簡(jiǎn)介
化學(xué)氣相沉積(CAV)法,又稱熱解法、干法或燃燒法。其原料一般為四氯化硅、氧氣(或空氣)和氫氣,高溫下反應(yīng)而成。反應(yīng)式為:SiCl4+ 2H2+ O2—>SiO2+4HCl。空氣和氫氣分別經(jīng)過加壓、分離、冷卻脫水、硅膠干燥、除塵過濾后送入合成水解爐。將四氯化硅原料送至精餾塔精餾后,在蒸發(fā)器中加熱蒸發(fā),并以干燥、過濾后的空氣為載體,送至合成水解爐。四氯化硅在高溫下氣化(火焰溫度1000~1800℃)后,與一定量的氫和氧(或空氣)在1800℃左右的高溫下進(jìn)行氣相水解;此時(shí)生成的氣相二氧化硅顆粒極細(xì),與氣體形成氣溶膠,不易捕集,故使其先在聚集器中聚集成較大顆粒,然后經(jīng)旋風(fēng)分離器收集,再送入脫酸爐,用含氮空氣吹洗氣相二氧化硅至PH值為4~6即為成品。
氣相法白炭黑大體分為兩類,一是親水性氣相白炭黑,一是疏水性氣相白炭黑。
親水性氣相白炭黑:親水性氣相白炭黑是通過揮發(fā)性氯硅烷在氫氧焰中水解而制得的。從化學(xué)角度看,這些松散的白色粉末由高純度的無定形白炭黑構(gòu)成。親水性白炭黑可用水潤(rùn)濕,并能在水中分散。除了在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域,如聚酯、有機(jī)硅、油漆和涂料中應(yīng)用外,親水性氣相白炭黑產(chǎn)品越來越多的成功應(yīng)用于高科技領(lǐng)域中。氣相法白炭黑的納米粒子特性和高純度使其在電子和光纖工業(yè)中的應(yīng)用起了主導(dǎo)作用。親水性氣相白炭黑產(chǎn)品經(jīng)×射線分析具有無定形結(jié)構(gòu)。
疏水性氣相法白炭黑:疏水性氣相法白炭黑是通過親水性氣相法白炭黑與活性硅烷(例如氯硅烷或六甲基二硅胺烷)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而制得。它具有疏水性(憎水性),而且不能在水中分散。為了解決工業(yè)中一些特殊的技術(shù)問題,各種型號(hào)的疏水性氣相白炭黑被研發(fā)出來。如通過用硅烷或硅氧烷處理改性親水級(jí)別的氣相法白炭黑生產(chǎn)疏水性的氣相白炭黑,在最終的產(chǎn)品中,化學(xué)處理劑以化學(xué)鍵方式結(jié)合在原來的親水性氧化物上。除了親水性產(chǎn)品的上述優(yōu)點(diǎn)外,疏水性氣相白炭黑產(chǎn)品的特點(diǎn)是:低吸濕性、很好的分散性、即使對(duì)于極性體系也有流變調(diào)節(jié)能力。有些產(chǎn)品,在疏水處理的基礎(chǔ)上再經(jīng)過結(jié)構(gòu)改性,可為客戶研發(fā)新產(chǎn)品和提高產(chǎn)品的性能提供進(jìn)一步的幫助。例如:在液體體系中,疏水性氣相白炭黑可以達(dá)到高添加量,而對(duì)體系的粘度影響很小。
二、 氣相法白炭黑在各領(lǐng)域應(yīng)用:
1、電子封裝材料
例如:有機(jī)物電致發(fā)光器材(OELD)是目前新開發(fā)研制的一種新型平面顯示器件,但OELD器件使用壽命還不能滿足應(yīng)用要求,其中需要解決的技術(shù)難點(diǎn)之一就是器件的封裝材料和封裝技術(shù)。將經(jīng)表面活性處理后的氣相法白炭黑充分分散在有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂封裝膠基質(zhì)中,可以大幅度地縮短封裝材料固化時(shí)間(為2。0-2。5h),且固化溫度可降低到室溫,使OELD器件密封性能得到顯著提高,增加OELD器件的使用壽命。
2、樹脂復(fù)合材料
將氣相法白炭黑顆粒充分、均勻地分散到樹脂材料中,能達(dá)到全面改善樹脂基材料性能的目的。提高了強(qiáng)度、延伸率、耐磨性,改善材料表面的光潔度并增強(qiáng)抗老化性能。
3、塑料
利用氣相法白炭黑透光、粒度小,可以使塑料變得更加致密,在聚苯乙烯塑料薄膜中添加氣相白炭黑后,不但提高其透明度、強(qiáng)度、韌性,而且防水性能和抗老化性能也明顯提高。通過在普通塑料聚氯乙烯中添加少量氣相法白炭黑后生產(chǎn)出的塑鋼門窗硬度、光潔度和抗老化性能均大幅提高。
4、涂料
我國是涂料生產(chǎn)和消費(fèi)大國,但當(dāng)前國產(chǎn)涂料普遍存在著性能方面的不足,致使每年需進(jìn)口大量高質(zhì)量的涂料。上海、北京、杭州、寧波等地的一些涂料生產(chǎn)企業(yè)成功地實(shí)現(xiàn)了氣相法白炭黑在涂料中的應(yīng)用,這種納米改性涂料一改以往產(chǎn)品的不足,經(jīng)檢測(cè)其主要性能指標(biāo)除對(duì)比率不變外,其余均大幅提高。
5、橡膠
橡膠是一種伸縮性優(yōu)異的彈性體,生產(chǎn)橡膠制品過程中通常需在膠料中加入炭黑來提高強(qiáng)度、耐磨性和抗老化性,但由于炭黑的加入使得制品均為黑色。而氣相法白炭黑為生產(chǎn)出色彩新穎、性能優(yōu)異的新一代橡膠制品奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。在普通橡膠中添加少量氣相白炭黑后,產(chǎn)品的強(qiáng)度、耐磨性和抗老化性等性能均達(dá)到或超過高檔橡膠制品,而且可以保持顏色長(zhǎng)久不變。納米改性彩色三元乙丙防水卷材,其耐磨性、抗拉強(qiáng)度、抗折性、抗老化性能均提高明顯,且色彩鮮艷,保色效果優(yōu)異。
6、陶瓷
用氣相法白炭黑代替納米A1203添加到陶瓷里,既可以起到納米顆粒的作用,同時(shí)它又是第二相的顆粒,不但提高陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性,而且提高了材料的硬度和彈性模量等性能,其效果比添加A1203更理想。
7、密封膠、粘結(jié)劑
將疏水性氣相法白炭黑添加到密封膠中,會(huì)很快形成一種硅石結(jié)構(gòu),即納米Si0X小顆粒形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抑制膠體流動(dòng),加快固化速度,提高粘結(jié)效果,由于氣相白炭黑顆粒尺小從而也增加了產(chǎn)品的密封性和防滲性。
8、化妝品
氣相法白炭黑反射紫外能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好,被紫外線照射后不分解,不變色,也不會(huì)與化妝品配方中其它組分起化學(xué)反應(yīng)。氣相白炭黑的這些突出特點(diǎn)為防曬化妝品的升級(jí)換代奠定了良好的基礎(chǔ)。
從上述氣相白炭黑的部分應(yīng)用簡(jiǎn)介可以看出,它的應(yīng)用遍布現(xiàn)代工業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域,擁有極為廣闊的市場(chǎng)前景。
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