氣相白炭黑

　　1簡介

　　氣相白炭黑是極其重要的納米級無機原材料之一,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(xué)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(yōu)越的穩(wěn)定性、補強性、增稠性和觸變性，在眾多學(xué)科及領(lǐng)域內(nèi)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(yè)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、醫(yī)藥、環(huán)保等各種領(lǐng)域。并為相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新材料基礎(chǔ)和技術(shù)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(guī)材料相比顯示出特異功能，因而得到人們的極大重視。

　　2生產(chǎn)方法

　　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(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。

　　3產(chǎn)品特性

　　產(chǎn)品為人工合成物無定形白色流動性粉末，具有各種比表面積和容積嚴格的粒度分布。本產(chǎn)品是一種白色、松散、無定形、無毒、無味、無嗅，無污染的非金屬氧化物。其原生粒徑介于7～80nm之間，比表面積一般大于100㎡/g。由于其納米效應(yīng)，在材料中表現(xiàn)出卓越的補強、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,補強;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。

　　4氣相白炭黑的種類

　　贏創(chuàng)德固賽(EVONIK)

　　親水性：A150、A200、A200V、A300、A380

　　疏水性：R106、R202、R972、R974、R812、R812S、R8200

　　瓦克(WACKER)

　　親水性：V15、V15P、N20、N20P、T30、T40

　　疏水性：H13L、H15、H17、H18、H20、H30、H2000

　　卡博特(CABOT)

　　親水性：LM-150、M-5

　　疏水性：TS-530、TS-610、TS-720

　　燊納SHENNA

　　親水性：Y150、Y200、Y300、Y380

　　疏水性：F01、SD10、F08、F09

　　德山(TOKUYAMA)

　　親水性：QS-102、QS-20LS、QS-30、QS-40

　　疏水性：DM-10

　　5親水性與疏水性白炭黑區(qū)別

　　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)。根據(jù)市場和應(yīng)用領(lǐng)域不同，我們可以提供不同粒徑的原生顆粒和不同比表面積的產(chǎn)品。一些氣相白炭黑產(chǎn)品可以壓縮后供貨，一些產(chǎn)品是醫(yī)藥級的。

　　親水性氣相白炭黑的功能：適于加工處理，調(diào)節(jié)到最佳的流變性;有機硅彈性體的補強;非極性液體的增稠;食品和工業(yè)粉末的助流劑;高化學(xué)純度;即使在高溫下仍具有優(yōu)異的絕緣性能;液體轉(zhuǎn)變成粉末，如醫(yī)藥、化妝品。

　　疏水性氣相白炭黑

　　疏水性氣相白炭黑是通過親水性氣相白炭黑與活性硅烷(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)點外，疏水性氣相白炭黑產(chǎn)品的特點是：低吸濕性、很好的分散性、即使對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)品的性能提供進一步的幫助。例如：在液體體系中，疏水性氣相白炭黑可以達到高添加量，而對體系的粘度影響很小。

　　疏水性氣相白炭黑的功能：加工使用中最適宜的流變性;極性液體的增稠，如環(huán)氧樹脂;有機硅彈性體的補強;高添加量，如在模壓制品中;良好的疏水性，提高防腐性;改善介電性能，如在電纜復(fù)合物中;粉末助流劑，如在粉末涂料及滅火劑等;在涂料和塑料中提高耐劃傷性。

　　6氣相白炭黑在各領(lǐng)域應(yīng)用

　　以下是氣相白炭黑在各行業(yè)的應(yīng)用

　　電子封裝材料

　　有機物電致發(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，具有開啟和驅(qū)動電壓低，且可直流電壓驅(qū)動，可與規(guī)模集成電路相匹配，易實現(xiàn)全彩色化，發(fā)光亮度高(>105cd/㎡)等優(yōu)點，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)難點之一就是器件的封裝材料和封裝技術(shù)。目前，國外(日、美、歐洲等)廣泛采用有機硅改性環(huán)氧樹脂，即通過兩者之間的共混、共聚或接枝反應(yīng)而達到既能降低環(huán)氧樹脂內(nèi)應(yīng)力又能形成分子內(nèi)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(yīng)，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(guī)模器件生產(chǎn)線對封裝材料的要求(時間短、室溫封裝)。將經(jīng)表面活性處理后的氣相白炭黑充分分散在有機硅改性環(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。

　　樹脂復(fù)合材料

　　樹脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等特點，但近年來材料界和國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)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(fù)合材料，已成為當(dāng)前材料界和企業(yè)界的重要課題。氣相白炭黑的問世，為樹脂基復(fù)合材料的合成提供了新的機遇，為傳統(tǒng)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(huán)氧樹脂是基本的樹脂材料，把氣相白炭黑添加到環(huán)氧樹脂中，在結(jié)構(gòu)上完全不同于粗晶二氧化硅(白炭黑等)添加的環(huán)氧樹脂基復(fù)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(xiàn)出極強的活性，很容易和環(huán)氧環(huán)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(xiàn)很高的流漣性，從而使氣相白炭黑添加的環(huán)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(huán)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(yīng)，使材料表面更加致密細潔，摩擦系數(shù)變小，加之納米顆粒的高強度，使材料的耐磨性大大增強。

　　3、抗老化性能。環(huán)氧樹脂基復(fù)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(fù)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(fù)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(huán)氧樹脂中可大大減少紫外線對環(huán)氧樹脂的降解作用，從而達到延緩材料老化的目的。

　　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(chǎn)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(shù)指標(biāo)(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(biāo)，實現(xiàn)了聚丙烯鐵道配件替代尼龍6使用，產(chǎn)品成本大幅下降，其經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。

　　涂料

　　我國是涂料生產(chǎn)和消費大國，但當(dāng)前國產(chǎn)涂料普遍存在著性能方面的不足，諸如懸浮穩(wěn)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(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)敢于創(chuàng)新，成功地實現(xiàn)了氣相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)檢測其主要性能指標(biāo)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(jié)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。

　　橡膠

　　橡膠是一種伸縮性優(yōu)異的彈性體，但其綜合性能并不令人滿意，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(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(yōu)異。彩色輪胎的研制工作也取得了一定的進展，如輪胎側(cè)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(xiàn)國產(chǎn)汽車、摩托車輪胎的彩色化。

　　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(diào)和飽和度等指標(biāo)也均出現(xiàn)一定程度的提高，性能可與進口高檔產(chǎn)品相媲美，極大地拓寬了有機顏(染)料的檔次和應(yīng)用范圍。

　　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(fù)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(jié)溫度大幅降低。此外，氣相白炭黑在陶瓷過濾網(wǎng)、剛玉球等陶瓷產(chǎn)品中應(yīng)用效果也十分顯著。

　　密封膠、粘結(jié)劑

　　密封膠、粘結(jié)劑是量大、面廣、使用范圍寬的重要產(chǎn)品。它要求產(chǎn)品粘度、流動性、固化速度達最佳條件。我國在這個領(lǐng)域的產(chǎn)品比較落后，高檔的密封膠和粘結(jié)劑都依賴進口。國外在這個領(lǐng)域的產(chǎn)品已經(jīng)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(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，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。

　　玻璃鋼制品

　　玻璃鋼制品雖然有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等優(yōu)點，但其本身硬度較低、耐磨性較差。有關(guān)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(fā)現(xiàn)其莫氏硬度由原來的2.2級(相當(dāng)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(chǎn)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。

　　藥物載體

　　隨著當(dāng)前城市生活垃圾的大幅增長以及環(huán)境污染的日趨嚴重，加大消滅“四害”的力度、預(yù)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，現(xiàn)在大城市已采用噴涂中樞神經(jīng)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(jù)測定，其噴涂后有效期長達一年以上。

　　化妝品

　　對于化妝品來說，要求對紫外線屏蔽能力強，最好是既能防護紫外中波(UVB)對人體的危害，亦能對紫外長波(UVA)起防護作用。實質(zhì)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，目前，世界上從紫外反射性能角度開發(fā)的抗紫外劑還未見報道。　在防曬產(chǎn)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(fā)生皮膚癌以及產(chǎn)生化學(xué)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(wěn)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(xué)反應(yīng)。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(chǔ)。

　　抗菌材料

　　利用氣相白炭黑龐大的比表面積、表面多介孔結(jié)構(gòu)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(shè)計到氣相白炭黑表面的介孔中，并實施穩(wěn)定，成功開發(fā)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(nèi)空白，而且主要技術(shù)指標(biāo)均達到或超過日本同類產(chǎn)品。經(jīng)檢測，當(dāng)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(xiàn)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(jù)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(nèi)不繁衍出新的菌叢。　將納米抗菌粉應(yīng)用于搪瓷釉料中，生產(chǎn)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(yīng)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(nèi)墻涂料中，生產(chǎn)出了具有長久抗菌防霉功能的內(nèi)墻涂料。將納米抗菌粉用在婦女內(nèi)褲洗滌劑、羊毛、羊絨洗滌劑、洗潔精、洗手液中，經(jīng)衛(wèi)生防疫部門檢測，其抗菌性能十分顯著。可以預(yù)見，隨著人們健康意識的增強，納米抗菌粉將逐漸被相關(guān)應(yīng)用企業(yè)的廣大民眾所接受，在票據(jù)、醫(yī)療衛(wèi)生、化學(xué)建材、家電制品、功能纖維、塑料制品等行業(yè)中嶄露頭角。

　　其它

　　1、在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用納米微粒應(yīng)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(yè)上有很好的應(yīng)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(zhuǎn)化為紅外線，這就表明有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉，僅有一少部分轉(zhuǎn)化為光能來照明，同時，燈管發(fā)熱也會影響燈具的壽命，如何提高發(fā)光效率，增加照明度一直是急待解決的關(guān)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(shù)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(nèi)壁，結(jié)果不但透光率好，而且有很強的紅外線反射能力。據(jù)專家測算同種燈光亮度下，該種燈具與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝啾龋�可�?jié)約15%的電能。

　　2、新型有機玻璃添加劑　飛機的窗口材料常用的是有機玻璃(PMMA)，當(dāng)飛機在高空飛行時窗口材料經(jīng)紫外線輻射易老化，造成透明度下降。為解決此問題，利用納米Si0X極強的紫外反射性能，在有機玻璃生產(chǎn)過程中加入表面修飾后的納米Si0X，生產(chǎn)出的產(chǎn)品抗紫外線輻射能力提高一倍以上，抗沖擊強度提高80%。