专利名称：一种制备纳米碳黑粉末的方法
技术领域：
本发明属于非金属粉末制备技术领域，特别是提供了一种纳米级超细碳黑粉的制备方法，适用于纳米级碳黑粉的工业化生产。
背景技术：
近年来随着高科技的迅速发展，纳米碳黑粉的应用范围愈来愈广泛，首先因碳黑具有很高的比表面值(30～300m2/g)，因而具有很强的吸附能力，目前作为一种强吸附剂已在各种工业过程中对液相(或液流)，气相(气流)中的有机化合物和污染物进行脱除。其中在液相吸附剂中的应用领域最为广泛，例如在水处理，食品加工和制药工业中必不可少的要对大量的各种液体(液相)进行纯净化(吸附—脱除)处理，近年来水处理工程又是超细活性碳能够发挥作用的最大领域，据调查，世界各国的市政当局，对水净化和水循环的工程均十分关注，每年需要大量的活性碳黑。空气净化也是活性碳在气相纯化方面的典型应用领域，近年来高技术迅速发展，各工业大国对空气净化质量的要求愈加严格，自2000年以来，随着大气污染严重，有些居家、办公室，汽车厢内对空气质量的要求愈来愈高。相应的环保指标愈加严格，实际上对活性碳的性能要求特别是粒度要求更细，比表面值要求更高，而价格要求尽量低廉。超细活性碳黑，仅在上述领域的用量已十分巨大。据美国俄亥俄州，克利夫兰市的Freedonia公司最近的调查结果显示，仅美国对超细活性碳的需求量每年以4.5％的速度上升，到2004年将达到20万吨，市场实际预测每年将以6％以上的速度增长，产值将达到3.8亿美元。目前在美国微米级活性碳黑的价格约为3500美元/吨，(约含人民币30.7元/kg)(我国约40元/kg)。
超细活性碳黑的用途远不止上述的领域，实际上碳黑是一种重要的精细化工产品，广泛的应用在社会的各行各业，如在硬质合金生产中作为高活性的固体碳黑还原剂，碳化剂，可生产超细超硬的WC、TiC、VC、CrC粉末和精细陶瓷用的SiC、BC、ZrC等粉末。
在无线电器件生产上，可用活性碳生产高导电性碳黑纸、电极材料，电刷制品等。在电池工业中，应泛用于干电池生产，和镍氢燃料电池生产，其用量巨大，我国每年超过12.5万吨/年。在其他行业中用途也十分广泛，如用作橡胶工业的补强填充剂。用作油漆、油墨的着色颜料；用于制造黑色纸张，照相器材包装黑纸，高导电纸，导电塑料，导电胶水；制造复写纸和打字带，塑料和水泥着色填料，高级色素碳黑墨水、复印打印墨汁、激光复印碳黑墨粉，留声机唱片，鞋油，油漆布，皮革涂料等。
近年来在化工行业用的纳米碳黑催化剂。超细过滤和纳米过滤器材，军事工业中的电磁波吸收涂料，超高温烧蚀材料，耐腐蚀，耐磨损材料。碳—碳纤维复合材料等都离不开高活性碳黑粉末。遗憾的事我国在活性超细碳黑粉末的生产技术上还很落后，特别是纳米级超细颗粒的活性碳黑的生产技术尚未开发。近年来国内大量需要的微米级(1.5～3μm)超细级活性碳黑基本要靠进口解决。严重阻碍了高科技的发展。近十年的文献对检索可知，国内外现有的工业碳黑生产方法主要有1、机械粉碎法。(包括各种球磨法、旋风磨、气流磨法等)；2、碳氢化合物热裂解法(包括酮类，液化石油气，煤油、树脂，各种烷类等的高温裂解等)；3、植物炭直接利用(包括各种植物碎屑、木炭、骨炭果壳，谷壳炭等)；4、天然石墨矿粉碎等。上述工业生产方法生产的碳黑粉除天然石墨粉外，均属于无定型碳，具有很强的化学活性。但粉末的粒度均大于3μm。近年来美国，日本、英国等用高能球磨法及超声气流磨法，德国用高速搅拌球磨法及等离子热解法研究了纳米碳黑的制备技术，所得碳黑粉的最小极限粒度约为0.3～0.5μm，仍不能满足近代高科技对纳米碳黑粉的需要。如在硬质合金工业中，仅在纳米碳化钨粉生产中，每年国内急需纳米碳黑粉约450吨/年。国外每年需840吨/年，但到目前为止，国内外仍无任何厂家可以工业化大规模生产纳米(粒径≤100nm)碳黑粉的信息报导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够工业化生产纳米碳黑粉的制备技术，这种方法制备的碳黑粉的中位粒径≤10nm。
本发明采用高速10000～20000转/分剪切粉碎机的高能高效机械破碎方法，将微米级碳黑粉在工业酒精中破碎成纳米级(中位粒径≤10nm)碳黑粉末，再经连续式离心机分离酒精，真空振动烘干，最终制成平均粒径≤10nm的纳米碳黑粉。具体制备工艺为1、碳黑酒精混合液制备将微米级(3～10μm)碳黑粉按微米碳黑粉∶工业酒精＝1∶4～6(质量比)将微米碳黑粉倒入工业酒精中，用自动机械搅拌机，搅拌20～50分钟后，制备成微米碳黑—酒精胶体溶液。立即倒入高速剪切粉碎机的溶液罐中，2、高速剪切粉碎微米级碳黑颗粒在高速(10000～20000转/分)剪切粉碎机中，在轴向酒精液流推动下，不断地被送入高速剪切粉碎机的刃口下，以(300000～600000次/分)的频率剪切，在30～60分钟进行反复粉碎，逐渐被粉碎成纳米级的碳黑颗粒，形成纳米碳黑—酒精胶体溶液。
3、连续式离心分离及回收酒精用液泵将纳米碳黑—酒精胶体溶液从高速剪切粉碎机中排出，倒入连续式离心机中，在(10000～20000转/分钟)高速离心下30～60分钟，将工业酒精分离回收，所得纳米碳黑料浆或粉块转入真空振动烘干机中进一步脱除及回收酒精。
4、真空振动烘干纳米碳黑料浆或粉块在真空泵(2～10Pa)振动(50HZ/S)烘干机中70～90℃，40～60分钟。进一步将残余的工业酒精蒸馏回收。所得粉末即为粒径(中位粒径)≤10nm的纳米级碳黑粉末。
5、粉末性能检测，主要进行XRD、BET比表面，X-射线小角度粒度分析。
本发明的优点在于(1)从生产技术上提供了一种能够连续化大规模工业化生产纳米碳黑粉末的新技术。
(2)生产的纳米级超细碳黑粉，不仅中位粒径小(≤10nm)，粒径非常均匀。远比目前各国常规工艺生产的超细碳黑粉中位粒径小，约为前者的1/15～1/25。
(3)纳米碳黑粉的纯度高，不增加铁含量，所含其它杂质不超过原微米碳黑粉的杂质含量。
(4)设备简单，工序短，生产效率高。
下面结合附图对本发明进一步说明图1是本发明的制备工艺流程图，首先是制备微米碳黑—酒精混合液，然后用高速剪切粉碎机以(300000～600000次/分)的剪切频率进行循环剪切粉碎微米碳黑颗粒，制成纳米碳黑—酒精胶体溶液，再将纳米碳黑—酒精胶体溶液用连续式离心机将酒精分离回收后将纳米碳黑料浆或粉块进一步用真空振动烘干机脱除酒精，最后是粉末性能检测主要进行XRD、BET比表面，X-射线小角度粒度分析。(6)是产品包装。
具体实施例方式
实施例1制备1kg纳米碳黑粉末时应按下列步骤完成。
1、称取微米级碳黑粉1.05kg，按微米碳黑∶工业酒精＝1∶4(质量比)，加入4.2kg工业酒精，在容器内用自动机械搅拌机，搅拌20分钟后，将制成的微米碳黑—酒精胶体溶液，倒入高速剪切机粉碎机的溶液罐内。
2、开动高速剪切粉碎机的溶液循环泵，将微米碳黑—酒精混合液送入高速剪切粉碎机的粉碎腔内，并同时开动剪切粉碎机，调整转速达到(10000转/分钟)，剪切60分钟后，混合液中的微米级碳黑颗粒，全部被粉碎成纳米级(中位粒径≤10nm)碳黑颗粒，将获得的纳米碳黑—酒精胶体溶液，在不停机的情况下，排入另一容器收存。
3、将上述纳米碳黑—酒精胶体溶液不断地倒入连续式离心机中，在(10000转/分钟)转速下开始离心分离，待全部胶体溶液倒入离心机后，继续离心60分钟，并将最后分离出的酒精抽出。打开离心罐，取出纳米碳黑料浆，转入真空振动烘干机中烘干。
4、开动真空振动烘干机，在(2Pa)真空度，70℃，60分钟，频率50HZ/S下，真空振动烘干。冷却至室温时，出料即可获得1kg的纳米(中位粒径≤10nm)碳黑粉末。
5、对纳米碳黑粉进行XRD、BET比表面，X-射线小角度粒度测定。
6、产品真空包装实施例2制备10kg纳米碳黑粉时，应按下例步骤完成。
1、称取微米碳黑粉10.5kg，按微米碳黑∶工业酒精＝1∶6(质量比)，加入63kg工业酒精，在容器内用自动机械搅拌机，搅拌50分钟后，将混合液倒入高速剪切机粉碎机的溶液罐内。
2、开动高速剪切粉碎机的溶液循环泵，将微米碳黑—酒精混合液送入高速剪切粉碎机的粉碎腔内，并同时开动剪切粉碎机，调整转速达到(20000转/分钟)，剪切30分钟后，混合液中的微米级碳黑颗粒，全部被粉碎成纳米级(中位粒径≤10nm)碳黑颗粒，可获得纳米碳黑—酒精胶体溶液。在不停机的情况下，将上述胶体溶液排入另一容器内收存。
3、将上述纳米碳黑—酒精胶体溶液不断地倒入连续式离心机中，在(20000转/分钟)转速下开始离心分离，待全部胶体溶液倒入离心机后，继续离心30分钟，并将最后分离出的酒精抽出。打开离心罐，取出纳米碳黑料浆，转入真空振动烘干机中烘干。
4、开动真空振动烘干机在(10Pa)真空度，90℃，40分钟，频率50HZ/S下，真空振动烘干。冷却至室温时，出料即可获得10kg的纳米(中位粒径≤10nm)碳黑粉末。
5、对纳米碳黑粉进行XRD、BET比表面，X-射线小角度粒度检测。
6、产品真空包装
权利要求
1.一种纳米级超细碳黑粉的制备方法，其特征在于采用10000～20000转/分剪切粉碎机将微米级碳黑粉末，在工业酒精保护下，破碎成纳米级碳黑粉末，再经连续式离心机分离酒精，真空振动烘干，最终制成粒径≤10nm的纳米碳黑粉末；其具体工艺是a、制备微米碳黑—工业酒精混合液，将3～10μm碳黑按微米碳黑∶工业酒精＝1∶4~6质量比例加入到工业酒精中，在自动搅拌机20～50分钟强力搅拌下，制成微米碳黑—酒精胶体溶液；b、混合液中的微米碳黑颗粒，被液体循环泵送入剪切粉碎机，在10000～20000转/分高速剪切粉碎机中，在轴向混合液流推动下微米级碳黑颗粒，被送入到高速剪切机的刃口下，以300000～600000次/分的高速剪切频率，在30～60分钟内逐渐被粉碎成纳米级的碳黑颗粒，并形成纳米碳黑—酒精胶体溶液；c、用连续式10000～20000转/分高速离心分离机将纳米碳黑—酒精胶体溶液中纳米碳黑颗粒与酒精分离，并回收工业酒精；d、用真空2～10Pa振动50HZ/S烘干机，在70～90℃，40～60分钟，振动烘干，获得中位粒径≤10nm的纳米碳黑粉末；e、纳米级碳黑粉末，进行XRD、BET比表面和X—射线小角度粒度分析。
全文摘要
本发明提供了一种纳米级超细碳黑粉的制备方法，采用高速10000～20000转/分剪切粉碎机的高能高效机械破碎方法，将微米级碳黑粉末，在工业酒精保护下，破碎成纳米级的碳黑粉末。再经高效率的连续式离心机分离酒精，真空振动烘干，最终制成中位粒径≤10nm的纳米碳黑粉末。本发明的优点在于设备简单，工序短，可以连续，大规模工业化生产。
文档编号C01B31/02GK1552621SQ200310121138
公开日2004年12月8日 申请日期2003年12月19日 优先权日2003年12月19日
发明者张丽英, 吴成义, 郭志猛, 林涛, 徐金龙 申请人:北京科技大学