一种炭黑复合粉体材料的生产方法
【技术领域】
[0001]本发明属于炭黑工业技术领域，更具体的为一种使用炭黑反应炉生产炭黑复合材料的生产工艺。
【背景技术】
[0002]烃类在严格控制的工艺条件下经气相不完全燃烧或热解而成的黑色粉末状物质。其成分主要是元素碳，并含有少量氧、氢和硫等。炭黑粒子近似球形，粒径介于10?500μπι间。许多粒子常熔结或聚结成三维键枝状或纤维状聚集体。在橡胶加工中，通过混炼加入橡胶中作补强剂和填料。炭黑是最古老的工业产品之一。早在公元前，中国就用植物油不完全燃烧制取颜料炭黑。1872年，美国首先以天然气为原料用槽法生产炭黑。当时，炭黑也仍主要用作着色剂。1912年S.C.莫特发现炭黑对橡胶的补强作用之后，炭黑工业才迅速发展起来。20世纪20年代，又出现了以天然气为原料的气炉黑和热裂黑，R.D.斯诺于1937年开始研究高效的炭黑生产方法。后来，J.C.克雷奇致力于从液态烃生产炭黑，开发了油炉法工艺。1941年，试产出第一批油炉黑。1943年，世界上第一座工业化规模的油炉黑工厂在美国投产。当今，油炉法是效率最高、经济效益最好的炭黑生产方法。油炉黑的产量已占炭黑总量的 70% ?90 %。
[0003]炭黑是传统的工业产品，世界年产量超过1000万吨。全球炭黑约有70%用于轮胎的制造，20%用在其他橡胶，其余不到10%则用于塑料添加剂、染料、印刷油墨等工业。受轮胎行业需求持续增长和建筑业、制造业用炭黑补强工业橡胶制品的推动，2020年全球炭黑市场有望超过250亿美元。2014年中国国内炭黑总产能接近660万吨，市场需求量不到500万吨，产能过剩严重，炭黑企业开工率较低，平均仅为60%左右。较低的开工率和极低的利润率，呈现出明显的产能过剩倾向。迫切需要开发出新的高利润高附加值炭黑新产品。单一的炭黑具有不足的理化性能，通过和无机粉体混合共用，可以得到具有更好综合性能的复合炭黑材料。中国专利“轮胎三角胶用橡胶纳米复合材料及其制备方法”(申请号201210212113.9)，公开了一种使用超声波处理膨胀石墨得到纳米石墨片，然后与炭黑混用在轮胎三角胶里，明显提高了三角胶的硬度和模量，并降低动态生热，提高了轮胎使用寿命。但是加工工艺复杂、流程长。
[0004]中国专利“一种双相裂解炭黑/白炭黑复合填料及其制备方法”(申请号201510127909.8)，公开一种双相裂解炭黑/白炭黑复合填料的制备方法，所得的炭黑复合材料相比单一的炭黑Ν600、炭黑Ν600/白炭黑复配效果更优异，但是也存在工艺流程长，加工繁琐的问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于为了提高单一炭黑材料的性能，生产出炭黑复合粉体材料，需要加工出分散均匀的无机粉体液态浆料，与生成炭黑的烃类原料一起注入炭黑生产装置，生产出混合均勾的炭黑复合粉体材料。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]—种炭黑复合粉体材料的生产方法，是在炭黑生产装置内高温反应制得，其特征在于:往炭黑生产装置内注入生成炭黑的烃类原料的同时，往炭黑生产装置内注入无机粉体的液态浆料，其中无机粉体的液态浆料是使用超声波设备、球磨机、均质机或高剪切乳化机中的一种加工获得。
[0008]本发明中，所述的炭黑复合粉体材料包括炭黑与鳞片石墨、膨胀石墨、可膨胀石墨、石墨烯、纳米石墨片、碳纳米管、白炭黑、或氧化铝中的一种或多种形成的复合材料，还包括炭黑与炭黑、炭黑与氮化铝、炭黑与氮化硼、炭黑与粘土、炭黑与二氧化钛、炭黑与硅酸铝、炭黑与云母片、炭黑与蒙脱石、或炭黑与滑石等形成的复合材料。炭黑复合材料，相比单一的炭黑具有更好的综合性能，可以广泛使用在橡胶、塑料、涂料、电池等领域。例如，炭黑与碳纳米管形成的复合粉体可以显著提高炭黑的导电能力，在塑料、橡胶、涂料中更小的添加量就能达到所需要的导电性，消除静电；例如，炭黑与石墨烯或纳米石墨片形成的复合粉体可以显著提高橡胶制品的导热性和耐磨性，添加到轮胎里可以显著提高轮胎的导热能力和耐磨能力。。
[0009]本发明中，用来分散无机粉体的液体介质，可以是水、炭黑原料油、乙烯焦油、粗苯、乙醇等，优选以炭黑原料油为分散介质，炭黑原料油通过热裂解或不完全燃烧会转化成炭黑，炭黑原料油的来源可以是乙烯焦油或煤焦油加工获得。为了稳定液态浆料的存放时间，不让无机粉体在液态溶剂中较快的沉降，可以在液态浆料中添加分散剂或表面活性剂，例如十二烷基磺酸钠、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮等。在生产炭黑的同时把含无机粉体的液态浆料注入炭黑生产装置内，得到含炭黑的复合材料。炭黑生产装置，优选传统的油炉法设备。油炉法设备生产能力大，单位炭黑复合材料生产成本低。注入含无机粉体液态浆料的位置可以在炭黑反应炉的炉头位置，也可以是反应炉后面的急冷水位置。通过把无机粉体和水处理成水为溶剂的浆料，就可以在急冷水位置注入含水的无机粉体浆料，得到含炭黑复合粉体。
[0010]本发明中，无机粉体，尤其是纳米无机粉体，表面能高，通常具有团聚倾向，不容易分散在液态介质中。无机粉体液态浆料的加工设备对本发明工艺所得炭黑复合材料的性能有决定性的影响。不同的加工设备，会导致无机粉体在液态溶剂具有不同的分散混合均匀性。分散性不好的无机粉体液态浆料，会得到不均匀的炭黑复合材料，从而降低炭黑复合材料的性能。
[0011]相比使用别的分散加工设备，本发明中是使用超声波设备、球磨机、均质机、或高剪切乳化机中的一种加工获得。这四种设备都可以得到高分散性的无机粉体液态浆料，从而经过高温反应后得到均匀的炭黑复合材料。高剪切乳化机利用高剪切转子快速均匀地将无机粉体分布在溶剂中，其利用机械带来的强劲动能，使物料在定转子狭窄的间隙中，每分钟承受几十万次的液力剪切。在高速旋转的转子外端产生15m/S以上的线速度，甚至高至40m/s，并形成强烈的机械及液力剪切、液层摩擦、撞击撕裂，使物料充分的分散、乳化、均质、破碎、同时通过定子槽射出。离心挤压撞击撕裂等综合作用，瞬间均匀地分散乳化，经过高频的循环往复，最终得到无气泡细腻及稳定的高品质液态浆料。超声波设备是指以液体为媒介，通过超声波在液体中的“空化”作用，将液体中的颗粒进行分散和解团聚的过程。利用超声波的超声空化作用来分散团聚的颗粒是目前最有效的物理分散法之一。它是将所需要处理的颗粒悬浮(液体)放入超强声场中，用适当的超声振幅和作用时间加以处理。利用超声空化时产生的局部高温、高压、强冲击波和微射流等，较大幅度地弱化纳米微粒间的纳米作用能，有效地使无机粉体得到充分分散。球磨机内装有直径0.05mm到50mm的磨球，磨球在高速运动中做不规则运动产生冲击、剪切、研磨力达到研磨和混合样品的目的。球磨机包括搅拌球磨机、砂磨机、行星式球磨机、或滚筒球磨机中的一种。均质机的的操作压力通常在10到300Mpa，也称“高压流体纳米匀质机”，它可以使悬浊液状态的物料在超高压作用下，高速流过具有特殊内部结构的高压均质腔。高压溶液快速的通过均质腔，物料会同时受到高速剪切、高频震荡、空穴现象和对流撞击等机