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1、暇 务 有 机 硅 氟 行 业 开 锄 信 惠 传 播 暂 天 地 孚水型乞相法 爰里 产殷袁 改住丝术的研 邹君辉 ( 广 州吉必盛科技 实业有限公司 ) 自炭 黑 化 学名 称 二 氧 化 硅 ，分 子 式 S i O 2 。自炭黑根据生产工艺不同可分为气相 法和沉淀法，气相法有亲水型和疏水型两 种， 疏水型气相法自炭黑是亲水型经过表面 改性处理而制得。 本文主要研究亲水型气相 法自炭黑的生产及表面改性技术 。 气相法自炭黑是一种纳米级白色粉末， 原 生粒径 7 4 0纳米 ，由于其极小 的颗粒和 极大的比表面积 ， 被广泛运用于硅橡胶、塑 料、涂料、油墨、消泡剂、 胶体电池等领域。 主要
2、用于填充、补强、增稠、消光等作用 ， 用途非常广泛，有“ 工业味精” 之美称。国内 生产气相法 白炭黑的厂家主要有广州吉必 盛科技实业有限公司、 沈阳化工股份有限公 司、上海氯碱化工股份有限公司， 后两家白 炭黑生产规模较小。 广州吉必盛科技实业有 限公 司作为 中国气相法 自炭黑专家不仅掌 握了气相法 白炭黑生产的核心技术 ， 而且在 国内生产厂家中拥有最大 的生产规模 ， 在 国 内建有东北、西南、华东三大生产基地和华 南研发中心， 生产多种牌号亲水型和疏水型 气相法 自炭黑。 气相法白炭黑是采用氯硅烷( 甲基三氯 硅烷 或四氯化硅等) 在氢氧火焰中高温水解 生成纳米原 生颗粒 ， 原生颗
3、粒再经过碰撞聚 集形成微米级聚集体 ， 聚集体通过气 固分离 后进入氯化氢脱吸炉脱除表面吸附的氯化 氢后得到 白炭黑成品。生产疏水型产品则在 氯化氢脱吸炉后增加一台表面处理炉， 采用 表面处理剂对亲水型自炭黑进行在线表面 处理 。 气相法自炭黑生产工艺主要有八大工 序： 原料预处理、产品合成、产品聚集、气 固分离、氯化氢脱吸、表面改性处理( 生产 GB S专栏 4 0 -有 一 机 硅 氟 资 讯 曩 疏水型产品) 、产品包装和尾气处理。其中 核心技术主要是产品合成、产品聚集、氯化 氢脱吸、表面改性处理和产品包装五道工 序， 本文主要探讨研究此五道工序， 并对其 他工序作简单介绍。 原料预处理
4、：用于合成反应的主要原料 氯硅烷、氢气和空气都必须先经过预处理， 预处理包括干燥、稳压和加热等。预处理后 的原料温度、压力必须达到工艺要求 ，如果 原料指标超标在合成反应时会出现许多问 题 ，甚至 出现安全事故。 产品合成： 产品合成是亲水型气相法自 炭黑生产的核心，因为所有的工序只有产品 合成是属于化学反应， 其他工序都是物理过 程。自炭黑的所有特性譬如：比表面积、表 面羟基、空间网状结构、 粒径分布等都在合 成反应的一瞬间形成， 因此控制合成反应至 关重要。 决定合成反应的因素主要有四个方 面：原料各项指标、原料配比、反应炉内的 工况( 温度、压力、流速等) 。正常生产时严 格控制原料各项
5、指标， 然后通过调节原料配 比和反应炉内的工况生产满足要求的产品。 产品聚集 ： 在反应炉生成的气相法白炭 黑原生颗粒粒径在 7 4 0纳米， 纳米级的颗 粒一方面 自身存在一定的不稳定性 ， 另外纳 米级颗粒就 目前的气固分离技术无法将其 从气体中完全分离出来， 所以必须将纳米级 颗粒聚集成微米级颗粒。 由于纳米颗粒自身 存在一定的不稳定性，所以对其聚集过程必 须加于严格的控制， 如果任其自身无规则的 聚集 ，生产的产品表观粒径将很不均匀 ，产 品无法使用。 聚集设备的结构对纳米级颗粒 的聚集效果至关重要 ， 因为聚集的原理非常 简单， 就是在高速气流的带动下产生激烈的 碰撞 ， 聚集设备的
6、结构对碰撞效果起决定性 作用。 聚集过程的控制主要是控制聚集的时 间、温度、压力以及气固混合物的流速。通 过改变聚集过程的工艺参数可以生产出不 同表观密度的产品，运用于不同的领域。 气固分离： 气固分离是一种常用的化工 单元操作 ，但 由于气相法自炭黑颗粒小 ，气 固密度比非常小，所以分离相对比较困难。 一 般选用高效分离器， 同时严格控制分离过 程中各项工艺参数， 气固分离的效果直接影 4 1 GB S专栏 响产品的收率和系统运行的稳定性。 氯化氢脱吸：由于气相法自炭黑具有巨 大的比表面积 ，吸附能力极强，所以合成反 应后有大量的氯化氢吸附在自炭黑表面。 自 炭黑表面吸附一定的氯化氢后将严重
7、影响 自炭黑的运用效果， 应用领域也有很大的局 限性。 生产高品质的气相法自炭黑必须将白 炭黑表面的氯化氢基本脱除。 氯化氢的脱吸 一 般采用流化床或旋转炉， 白炭黑与脱吸载 气和脱吸助剂在高温脱吸炉内达到流化状 态或旋转充分混合 ，自炭黑与脱吸助剂充分 接触并在高温状况下氯化氢从白炭黑表面 脱离。 氯化氢的脱吸效果取决于脱吸炉的结 构和尺寸、脱吸时间、温度、压力、脱吸炉 内流化状态或混合程度等。 表面改性处理 ： 表面改性处理是采用表 面改性剂将亲水型自炭黑处理成疏水型自 炭黑 。 亲水型白炭黑是 由于表面存在极性的 羟基 ，所以能在水中形成悬浮液，体现 出亲 水特性。 表面改性处理是采用表
8、面改性剂中 的非极性基团替代表面羟基中的氢， 使自炭 黑表面不存在极性基团，从而体现疏水性。 常用的表面处理剂有： 六甲基二硅氮烷、二 甲基二氯硅烷、八甲基环四硅氧烷、二甲基 硅油等， 采用不同的处理剂处理生产的疏水 产品性能不同， 运用于不同的领域 。由于处 理剂中含有机基团， 所以处理温度和处理炉 内的流化状态或混合程度非常重要。 采用不 同的处理剂处理时，处理的温度、压力及处 理时间都不一样， 尤其是处理温度，因为不 同的处理剂需断裂的化学键不一样， 键能大 小不同，所需的断键温度 自然也不一样 。 产品包装： 气相法白炭黑是一种非常蓬 松的粉体 ，表观密度小，如果采用普通的灌 装将浪费
9、大量的包装材料和运输费用。 广州 吉必盛科技实业有限公司通过自主创新研 究出新型的真空包装技术， 就真空包装机和 包装袋在国内拥有多项专利。 主要通过真空 包装机将蓬松的自炭黑进行压缩包装， 相同 容积的包装袋采用普通的灌装方式只能装 两公斤左右，经过压缩包装后可以装十公 斤，大大节省了包装和运输费用。 尾气处理： 尾气处理是化工生产中常见 的吸收单元操作， 技术含量较低。由于合成 眉 务 枕 霰 业 矛 虐 者 衍 天 地 反应时有大量的氯化氢和微量的氯气生成 ， 所以必须对尾气进行处理。氯化氢主要采用 水吸收生成盐酸， 氯气采用烧碱吸收生成含 氯化钠和次氯酸钠的废碱液。 盐酸和废碱液 都可作副产品外卖。 气相法白炭黑的生产工艺看似简单， 但 合成反应和表面改性处理的机理却非常深 奥，生产工艺操作控制也不易掌握。目前国 内只有广州吉必盛科技实业有限公司同时 掌握 了亲水型和疏水型气相法 自炭黑 生产 的核心技术， 并就各种氯硅烷原料生产亲水 型自炭黑和各种表面处理剂生产疏水型自 炭黑技术申请多项专利。 广州吉必盛正在以 “ 创新先进技术， 发展民族工业” 为己任，与 全国多晶硅生产厂家合作， 建设气相法自炭 黑生产线与多晶硅装置配套， 消化难以处理 并严重制约多晶硅产业发展的四氯化硅， 与 多晶硅 厂家共同努力化解多 晶硅产业繁荣 背后的危机 。 G B S专栏 4 2
