一、基礎知識
白炭黑是白色粉末狀 X- 射線無定形硅酸和硅酸鹽產品的總稱，主要是指沉淀二氧化硅、氣相二氧化硅、超細二氧化硅凝膠，也包括粉末狀合成硅酸鋁和硅酸鈣等。白炭黑是多孔性物質，其組成可用 SiO2·nH2O 表示，其中 nH2O 是以表面羥基的形式存在。能溶于苛性堿和 氫氟酸 ，不溶于水、溶劑和酸（氫氟酸除外）。耐高溫、不燃、無味、無嗅、具有很好的電絕緣性。
白炭黑中文別名：白炭黑(燃燒法));氣相白炭黑; 造粒白炭黑 ; 藥用級白炭黑 ;GH-7 型白炭黑 ;GH-1A 型白炭黑;GH-1B 型白炭黑; 水合 二氧化硅; 白碳黑; 白煙; 沉淀水合二氧化硅; 純乳膠; 膠體二氧化硅; 沉淀二氧化硅
二、分類
白炭黑 |
沉淀二氧化硅 |
消光粉 |
抗結劑 |
防結塊劑 |
吹干粉 |
白炭黑 |
超細白炭黑 |
疏水二氧化硅 |
改性二氧化硅 |
脫模劑 |
塑料開口劑 |
塑料保溫劑 |
牙膏級二氧化硅 |
超細二氧化硅凝膠和氣凝膠 |
油漆用消光粉 |
皮革漆用消光粉 |
氣凝膠二氧化硅開口劑 |
塑料母粒用二氧化硅 |
氣凝膠二氧化硅吸附劑 |
造紙、噴墨介質用二氧化硅 |
氣相二氧化硅 |
|
消光粉
防結塊劑
吹干粉
該產品是無定型的微粒粉末或粒狀，具有很高的絕緣性，不溶于水及普通的酸，溶于苛性堿及氫氟酸，受高溫不分解，有吸水性，無毒。 應用范圍： 主要用于工藝品、制鞋，輪胎，電纜等橡膠工業制品行業，還可以作為載體或增稠劑應用于農藥，滅火劑及高級牙膏油漆涂料，就是加在獸藥里面起吸收水分的作用等
白炭黑
超細白炭黑
疏水二氧化硅
脫模劑
脫模劑是一種介于模具和成品之間的功能性物質。脫模劑有耐化學性，在與不同樹脂的化學成份（特別是苯乙烯和胺類）接觸時不被溶解。脫模劑還具有耐熱及應力性能，不易分解或磨損；脫模劑粘合到模具上而不轉移到被加工的制件上，不妨礙噴漆或其他二次加工操作。由于注塑、擠出、壓延、模壓、層壓等工藝的迅速發展，脫模劑的用量也大幅度地提高。
塑料開口劑
開口劑，也稱為爽滑劑、抗粘連劑抗結劑等，常用于塑料薄膜料制品的生產制備過程中，可有效提高薄膜的開口性能。滑石粉、硅藻土等；中期發展到有機的油酸酰胺、芥酸酰胺及 EBS 衍生物等；目前合成二氧化硅作開口劑在薄膜中的應用也較為廣泛。
牙膏級二氧化硅
塑料母粒用二氧化硅
氣凝膠二氧化硅吸附劑
氣相二氧化硅
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三、工藝流程
補充：
制備白炭黑的傳統方法是利用硅酸鈉、 四氯化硅、 正硅酸乙酯做硅源，除硅酸鈉以外，其它成本都很高。新方法采用廉價的非金屬礦作為硅源，降低了白炭黑的生產成本。
白炭黑 傳統方法
（ 1 ）氣相法
主要為化學氣相沉積（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，高溫下反應而成。反應式為：
SiCl4+ 2H2+ O2—>SiO2+4HCl
空氣和氫氣分別經過加壓、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，在蒸發器中加熱蒸發，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 ℃ 左右的高溫下進行氣相水解；此時生成的氣相二氧化硅顆粒極細，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，然后經旋風分離器收集，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。
德國迪高沙（ Degussa ）公司和美國卡伯特（ Cabot ）公司的氣相法生產技術全球領先。他們的生產裝置規模大，自動化程度高，產品成本低，牌號（尤其是應用于特殊領域的功能性專用產品牌號）多，品質好，如表面積分布均勻、含水量低。
（ 2 ）沉淀法
沉淀法又叫硅酸鈉酸化法，采用水玻璃溶液與酸反應，經沉淀、過濾、洗滌、干燥和煅燒而得到白炭黑。反應式為：
Na2SiO3 + 2H+ —> 白炭黑 + 2Na+ + H20
國內大部分生產企業采用沉淀法。
白炭黑 新方法
新方法主要以非金屬礦及其延伸物為硅源，采用沉淀法制備白炭黑。其技術關鍵是將結晶的二氧化硅和硅酸鹽轉變成非晶態二氧化硅。原料主要有硅灰石、蛋白石、埃洛石、橄欖石、蛇蚊石、 高嶺土、硬質高嶺土、煤矸石、粉煤灰等。
著重介紹以高嶺土或硬質高嶺土、煤矸石或粉煤灰為原料制備白炭黑的工藝技術。
（ 1 ）以高嶺土或硬質高嶺土為原料
先將高嶺土或硬質高嶺土粉碎至 50~60 目，然后在 500~600 ℃ 高溫下焙燒 2 小時，再將焙燒土與濃度30%的工業鹽酸按 1：2.5（重量）配料，在 90 ℃ 左右酸浸 7 小時，經中和、過濾、洗滌、干燥得到白炭黑，產品質量符合 GB10507-89 標準；同時得到高效凈水劑聚合氯化鋁。焙燒及酸浸反應式如下：
焙燒： Al2O3·2Si02·2H20 —> Al2O3·2Si02 + 2H20
酸浸： Al2O3·2Si02 + 6HCl + 9H20 —>2AlCl3·6H20 + 2SiO2
（ 2 ）以煤矸石或粉煤灰為原料
先將煤矸石或粉煤灰粉碎至粒度小于 120 目，然后分兩步：
第一步生產硅酸鈉：將粉碎的煤矸石或粉煤灰與純堿按重量比 1 ： 50 混合均勻，經高溫冶融（ 1400~1500 ℃ ， 1 小時）、水萃浸溶（ 100 ℃ 以上， 4~5 小時）、過濾去雜質、濃縮濾液到 45~46 波美度即得到硅酸鈉。
第二步生產白炭黑：先將硅酸鈉配成水玻璃溶液（模數為 2.4~3.6,SiO2 含量為 4~10% ） , 然后在 5~20% 的硫酸中酸浸（ 28~32 ℃ ， 8~16 小時），再升溫至 80 ℃ ，攪拌，調節 PH 值為 5~7 ，熟化 20 分鐘，再經過濾洗滌、干燥、分選，得到白炭黑。該白炭黑為活性，純度高。
四、應用
由于白炭黑產品的一系列優越性，使它能夠廣泛應用于許多領域。
白炭黑 橡膠制品
白炭黑用在彩色 橡膠制品 中以替代炭黑進行補強，滿足白色或半透明產品的需要。白炭黑同時具有超強的粘附力、抗撕裂及耐熱抗老化性能，所以在黑色橡膠制品中亦可替代部分炭黑，以獲得高質量的橡膠制品，如越野輪胎、工程輪胎、子午胎等。
白炭黑 農業化學制品
在農業化學制品中，如農藥、高效噴施肥料等，使用白炭黑作載體或稀釋劑、崩解劑，做 崩解劑 在 水分散粒劑 wdg 中使用可提高懸浮率，建議使用含量 10% 左右。能保持持久效力，因為它的超高表面積具有極高吸附力，易于懸浮，有良好的親和性及化學穩定性。即使在雨水、沖洗和炎熱條件下，仍能長期保持不變。
白炭黑 日用化工制品
用白炭黑作填料和磨蝕劑的透明彩色及不透明牙膏，這類牙膏具有良好的柔韌性、分散性，膏體光滑、柔軟、磨蝕性好，不磨蝕牙膏管體；它能使藥物牙膏保持藥性的穩定。特別是與氟化物具有良好的配伍性，可避免鈣鹽作磨料產生難溶鹽的弊端。
白炭黑 膠結劑
用在天然橡膠或合成橡膠制成的膠粘劑中，提供了觸變性和補強性，同時由于其伸展性還可以提高粘著力，質高價廉。
白炭黑 抗結塊劑
白炭黑可用在一些產品中來提高自由流動性，如草地肥料、殺真菌劑、磨輪研磨劑、洗衣漂白劑、酚醛注塑烏洛托品、酚和尿素的塑料制品、制造橡膠硫磺及抗結塊混合物。
白炭黑 造紙填料
用白炭黑做紙張填料可提高紙張抗油墨透過性能及機械強度，增加白度，減少單位重量。能有效實現紙張輕量化、降低生產成本、提高紙張使用性能。
此外還可用在消防劑、飼料、化妝品、消光劑、顏料、油漆等許多行業。
白炭黑 氣相應用
氣相白炭黑是極其重要的高科技超微細無機新材料之一 , 由于其粒徑很小，因此比表面積大，表面吸附力強，表面能大，化學純度高、分散性能好、熱阻、電阻等方面具有特異的性能，以其優越的穩定性、補強性、增稠性和觸變性，在眾多學科及領域內獨具特性，有著不可取代的作用。氣相白炭黑俗稱 “ 納米白炭黑 ” ，廣泛用于各行業作為添加劑、催化劑載體，石油化工，脫色劑，消光劑，橡膠補強劑，塑料充填劑，油墨增稠劑，金屬軟性磨光劑，絕緣絕熱填充劑，高級日用化妝品填料及噴涂材料、環保等各種領域。并為相關工業領域的發展提供了新材料基礎和技術保證。由于它在磁性、催化性、光吸收、熱阻和熔點等方面與常規材料相比顯示出特異功能，因而得到人們的極大重視。以下是氣相白炭黑在各行業的應用
白炭黑 電子封裝材料
有機物電致發光器材（ OELD ）是當前新開發研制的一種新型平面顯示器件，具有開啟和驅動電壓低，且可直流電壓驅動，可與規模集成電路相匹配，易實現全彩色化，發光亮度高（ >105cd/m2 ）等優點，但 OELD 器件使用壽命還不能滿足應用要求，其中需要解決的技術難點之一就是器件的封裝材料和封裝技術。當前，國外（日、美、歐洲等）廣泛采用有機硅改性環氧樹脂，即通過兩者之間的共混、共聚或接枝反應而達到既能降低環氧樹脂內應力又能形成分子內增韌，提高耐高溫性能，同時也提高有機硅的防水、防油、抗氧性能，但其需要的固化時間較長（幾個小時到幾天），要加快固化反應，需要在較高溫度（ 60 ℃ 至 100 ℃ 以上）或增大固化劑的使用量，這不但增加成本，而且還難于滿足大規模器件生產線對封裝材料的要求（時間短、室溫封裝）。將經表面活性處理后的氣相白炭黑充分分散在有機硅改性環氧樹脂封裝膠基質中，可以大幅度地縮短封裝材料固化時間（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。
白炭黑 樹脂復合材料
樹脂基復合材料具有輕質、高強、耐腐蝕等特點，但當前來材料界和國民經濟支柱產業對樹脂基材料使用性能的要求越來越高，如何合成高性能的樹脂基復合材料，已成為當前材料界和企業界的重要課題。氣相白炭黑的問世，為樹脂基復合材料的合成提供了新的機遇，為傳統樹脂基材料的改性提供了一條新的途徑，只要能將氣相白炭黑顆粒充分、均勻地分散到樹脂材料中，完全能達到全面改善樹脂基材料性能的目的。
1 、提高強度和延伸率。環氧樹脂是基本的樹脂材料，把氣相白炭黑添加到環氧樹脂中，在結構上完全不同于粗晶二氧化硅（白炭黑等）添加的環氧樹脂基復合材料，粗晶 SiO2 一般作為補強劑加入，它主要分布在高分子材料的鏈間中，而氣相白炭黑由于表面嚴重的配位不足、龐大的比表面積以及表面欠氧等特點，使它表現出極強的活性，很容易和環氧環狀分子的氧起鍵合作用，提高了分子間的鍵力，同時尚有一部分氣相白炭黑顆粒仍然分布在高分子鏈的空隙中，與粗晶 SiO2 顆粒相比較，表現很高的流漣性，從而使氣相白炭黑添加的環氧樹脂材料強度、韌性、延展性均大幅度提高。
2 、提高耐磨性和改善材料表面的光潔度。氣相白炭黑顆粒比 SiO2 要小 100—1000 倍，將其添加到環氧樹脂中，有利于拉成絲。由于氣相白炭黑的高流動性和小尺寸效應，使材料表面更加致密細潔，摩擦系數變小，加之納米顆粒的高強度，使材料的耐磨性增強。
3 、抗老化性能。環氧樹脂基復合材料使用過程中一個致命的弱點是抗老化性能差，其原因主要是太陽輻射的 280—400nm 波段的紫外線中、長波作用，它對樹脂基復合材料的破壞作用是十分嚴重的，高分子鏈的降解致使樹脂基復合材料迅速老化。而氣相白炭黑可以強烈地反射紫外線，加入到環氧樹脂中可減少紫外線對環氧樹脂的降解作用，從而達到延緩材料老化的目的。
白炭黑 塑料
利用氣相白炭黑透光、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白炭黑后生產出的塑鋼門窗硬度、光潔度和抗老化性能均大幅提高。利用氣相白炭黑對普通塑料聚丙烯進行改性，主要技術指標（吸水率、絕緣電阻、壓縮殘余變形、撓曲強度等）均達到或超過工程塑料尼龍 6 的性能指標，實現了聚丙烯鐵道配件替代尼龍 6 使用，產品成本大幅下降，其經濟效益和社會效益十分顯著。
白炭黑 涂料
我國是涂料生產和消費大國，但當前國產涂料普遍存在著性能方面的不足，諸如懸浮穩定性差、觸變性差、耐候性差、耐洗刷性差等，致使每年需進口大量高質量的涂料。上海、北京、杭州、寧波等地的一些涂料生產企業敢于創新，成功地實現了氣相白炭黑在涂料中的應用，這種納米改性涂料一改以往產品的不足，經檢測其主要性能指標除對比率不變外，其余均大幅提高，如外墻涂料的耐洗刷性由原來的一千多次提高到一萬多次，人工加速氣候老化和人工輻射暴露老化時間由原來的 250 小時（粉化 1 級、變色 2 級）提高到 600 小時（無粉化，漆膜無變色，色差值 4.8 ），此外涂膜與墻體結合強度大幅提高，涂膜硬度顯著增加，表面自潔能力也獲得改善。
白炭黑 橡膠
橡膠是一種伸縮性優異的彈性體，但其綜合性能并不令人滿意，生產橡膠制品過程中通常需在膠料中加入炭黑來提高強度、耐磨性和抗老化性，但由于炭黑的加入使得制品均為黑色，且檔次不高。而氣相白炭黑在我國的問世為生產出色彩新穎、性能優異的新一代橡膠制品奠定了物質基礎。在普通橡膠中添加少量氣相白炭黑后，產品的強度、耐磨性和抗老化性等性能均達到或超過高檔橡膠制品，而且可以保持顏色長久不變。納米改性彩色三元乙丙防水卷材，其耐磨性、抗拉強度、抗折性、抗老化性能均提高明顯，且色彩鮮艷，保色效果優異。彩色輪胎的研制工作也取得了一定的進展，如輪胎側面膠的抗折性能由原來的 10 萬次提高到 50 萬次以上，有望在不久的將來，實現國產汽車、摩托車輪胎的彩色化。
白炭黑 顏（染）料
有機顏（染）料雖具有鮮艷的色彩和很強的著色力，但一般耐光、耐熱、耐溶劑和耐遷移性能往往不及無機顏料。通過添加氣相白炭黑對有機顏（染）料進行表面改性處理，不但使顏（染）料抗老化性能大幅提高，而且亮度、色調和飽和度等指標也均出現一定程度的提高，性能可與進口高檔產品相媲美，極大地拓寬了有機顏（染）料的檔次和應用范圍。
白炭黑 陶瓷
用氣相白炭黑代替納米 A1203 添加到 95 瓷里，既可以起到納米顆粒的作用，同時它又是第二相的顆粒，不但提高陶瓷材料的強度、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。 利用氣相白炭黑來復合陶瓷基片，不但提高了基片的致密性、韌性和光潔度，而且燒結溫度大幅降低。此外，氣相白炭黑在陶瓷過濾網、剛玉球等陶瓷產品中應用效果也十分顯著。
白炭黑 密封膠、粘結劑
密封膠、粘結劑是量大、面廣、使用范圍寬的重要產品。它要求產品粘度、流動性、固化速度達條件。我國在這個領域的產品比較落后，高檔的密封膠和粘結劑都依賴進口。國外在這個領域的產品已經采用納米材料作改性劑，而氣相白炭黑是首選材料，它主要是在氣相白炭黑表面包敷一層有機材料，使之具有憎水性，將它添加到密封膠中很快形成一種硅石結構，即納米 Si0X 小顆粒形成網絡結構抑制膠體流動，加快固化速度，提高粘結效果，由于氣相白炭黑顆粒尺小從而也增加了產品的密封性和防滲性。
白炭黑 玻璃鋼制品
玻璃鋼制品雖然有輕質、高強、耐腐蝕等優點，但其本身硬度較低、耐磨性較差。有關專家通過超聲分散方法將氣相白炭黑添加到膠衣樹脂中，與未加氣相白炭黑的膠衣做性能對比實驗，發現其莫氏硬度由原來的 2.2 級（相當于石膏的硬度）提高到 2.8~2.9 級（ 3 級是天然大理石硬度），耐磨性提高 1~2 倍，因納米顆粒與有機高分子產生接枝和鍵合作用，使材料韌性增加，故抗拉強度和抗沖擊強度提高 1 倍以上，耐熱性能也大幅提高。
白炭黑 藥物載體
隨著當前城市生活垃圾的大幅增長以及環境污染的日趨嚴重，加大消滅 “ 四害 ” 的力度、預防疾病的傳播已十分迫切。在樹干上涂刷石灰、向垃圾箱噴灑藥水已作用不大，當前大城市已采用噴涂中樞神經麻醉藥類殺蟲劑來消滅蚊子、蒼蠅、蟑螂等昆蟲類害蟲，但這些殺蟲劑多從國外進口，價格較高，噴涂后有效期較短（只有一個月）。采用氣相白炭黑為載體吸附該類殺蟲劑，起到了很好的緩釋效果，據測定，其噴涂后有效期長達一年以上。
白炭黑 化妝品
對于化妝品來說，要求對紫外線屏蔽能力強，既能防護紫外中波（ UVB ）對人體的危害，亦能對紫外長波（ UVA ）起防護作用。實質上，紫外屏蔽包括兩方面，一是前面所述對紫外線的吸收，另一方面是對紫外線的反射，當前，世界上從紫外反射性能角度開發的抗紫外劑還未見報道。 在防曬產品中以往多使用有機化合物為紫外線吸收劑，但是存在諸如為了盡可能保護皮膚不接觸紫外線而提高添加量之后，會增加發生皮膚癌以及產生化學性過敏等問題，而氣相白炭黑為無機成分，易于與化妝品其它組分配伍，無毒、無味，不存在上述問題，且自身為白色，可以簡單地加以著色，尤其可貴的是氣相白炭黑反射紫外能力強、穩定性好，被紫外線照射后不分解，不變色，也不會與配方中其它組分起化學反應。氣相白炭黑的這些突出特點為防曬化妝品的升級換代奠定了良好的基礎。
白炭黑 抗菌材料
利用氣相白炭黑龐大的比表面積、表面多介孔結構和超強的吸附能力以及奇異的理化特性，將銀離子等功能離子均勻地設計到氣相白炭黑表面的介孔中，并實施穩定，成功開發出高效、持久、耐高溫、廣譜抗菌的納米抗菌粉（粒徑只有 70 納米左右），不但填補國內空白，而且主要技術指標均達到或超過日本同類產品。經檢測，當納米抗菌粉在水中的濃度僅為 0.315% 時，對革蘭氏陽性代表菌種與革蘭氏陰性代表菌種的抗菌能力就可以非常明顯的表露出來，抑菌圈出現 2—3mm ，且隨著納米抗菌粉在水中濃度的增加，抑菌圈明顯增大。據測定，水中含 Ag+ 為 0.01mg/1 時，就能完全殺滅水中的大腸桿菌，并能保持長達 90 天內不繁衍出新的菌叢。 將納米抗菌粉應用于搪瓷釉料中，生產出具有防霉、抗菌功能的滾筒洗衣機，其抗菌率高達 99% 以上。應該指出的是，納米抗菌粉在搪瓷釉料中使用條件較為苛刻，須在堿性較強的液體中和高溫（ 900 ℃ 左右）燒瓷后仍保持很強的抗菌性能，這是其它抗菌粉望塵莫及的。將納米抗菌粉添加在內墻涂料中，生產出了具有長久抗菌防霉功能的內墻涂料。將納米抗菌粉用在婦女內褲洗滌劑、羊毛、羊絨洗滌劑、洗潔精、洗手液中，經衛生防疫部門檢測，其抗菌性能十分顯著。可以預見，隨著人們健康意識的增強，納米抗菌粉將逐漸被相關應用企業的廣大民眾所接受，在票據、化學建材、家電制品、功能纖維、塑料制品等行業中嶄露頭角。
白炭黑 其它
1 、在光學領域的應用納米微粒應用于紅外反射材料主要是制成薄膜和多層膜來使用。納米微粒的膜材料在燈泡工業上有很好的應用前景。高壓鈉燈以及各種用于拍照、攝影的碘弧燈都要求強照明，但是燈絲被加熱后 69% 的能量轉化為紅外線，這就表明有相當多的電能轉化為熱能被消耗掉，僅有一少部分轉化為光能來照明，同時，燈管發熱也會影響燈具的壽命，如何提高發光效率，增加照明度一直是急待解決的關鍵問題。納米微粒的誕生為解決這個問題提供了一個新的途徑。 80 年代以來，科研技術人員用納米 Si0X 和納米 TiO2 微粒制成了多層干涉膜，總厚度為微米級，襯在燈泡罩的內壁，結果不但透光率好，而且有很強的紅外線反射能力。據專家測算同種燈光亮度下，該種燈具與傳統的鹵素燈相比，可節約 15% 的電能。
