本发明涉及硅酸钠加工技术领域，具体涉及一种加工绿色轮胎补强剂用硅酸钠的生产方法。
背景技术：
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绿色轮胎，是指由于应用新材质和设计而导致滚动阻力小，因而耗油低、废气排放少的子午线轮胎。在汽车行驶中，能量会被各种阻力所消耗，其中约20％的汽油被轮胎滚动阻力所消耗。使用绿色轮胎就可以减少这方面的能量消耗，从而达到省油的目的。采用补强剂作为填料后，轮胎的滚动阻力可以得到有效降低，并使轮胎具有优越的物理性能、加工性能、行驶时具有良好动态性能。
二氧化硅属于轮胎常用补强剂，可以由水玻璃(硅酸钠)与浓硫酸反应制得。由于二氧化硅的分散性和粒度直接影响补强剂的补强作用，而硅酸钠又作为二氧化硅制备的硅源，因此控制硅酸钠的生产工艺将直接影响二氧化硅的产品质量。
专利CN 106976886A公开了一种高分散二氧化硅用固体硅酸钠的制备方法，由纯碱、石英砂、氧化铝经1450-1500℃高温焙烧制成。该专利利用铝离子来阻止二氧化硅原始粒子的聚集和附聚，使最终形成的二氧化硅离子更松散从而更易分散在橡胶制品中。为了进一步提高由硅酸钠制备的二氧化硅的分散性，本发明提供了一种加工绿色轮胎补强剂用硅酸钠的生产方法，利用该生产方法得到的硅酸钠能够制得高分散性的纳米二氧化硅，并且该生产方法的工艺控制参数明确，重复性好，适用于硅酸钠的批量化生产。
技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题在于提供一种加工绿色轮胎补强剂用硅酸钠的生产方法，利用该生产方法得到的硅酸钠能够制得高分散性的纳米二氧化硅，并且该生产方法的工艺控制参数明确，重复性好，适用于硅酸钠的批量化生产。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
一种加工绿色轮胎补强剂用硅酸钠的生产方法，包括以下步骤：
(1)配料：分别称取石英砂、碳酸钠和分散剂；
(2)混合：将上述物料加入高速混合机中，高速混合；
(3)焙烧：将混合物料置于惰性气氛中加热熔融反应，反应过程中不断抽出生成的二氧化碳气体；
(4)分离：将焙烧产物加入水中，球磨后过滤，取滤液；
(5)制粉：将所得滤液经浓缩制成膏体，膏体送入烘箱中，干燥所得固体经粉碎机制成粉体。
所述石英砂、碳酸钠和分散剂的摩尔比为1:1.1-1.2:0.01-0.05，石英砂的摩尔量以所含SiO2计。
所述焙烧温度控制在800～900℃。
所述分散剂选用钛酸酯偶联剂。
作用机理如下：
以钛酸酯偶联剂作为分散剂，一方面能促进石英砂和碳酸钠的均匀混合，另一方面钛酸酯偶联剂在高温焙烧下经分解转变为单质钛，而所制硅酸钠中钛原子的存在会在由所制硅酸钠制备补强剂二氧化硅时阻止SiO2原始粒子的聚集和团聚，从而制得高分散性的纳米二氧化硅。
为了进一步改善由所制硅酸钠制得的二氧化硅的分散性，可以在步骤(4)分离后对滤液进行急速冷冻处理，即：
一种加工绿色轮胎补强剂用硅酸钠的生产方法，包括以下步骤：
(1)配料：分别称取石英砂、碳酸钠和分散剂；
(2)混合：将上述物料加入高速混合机中，高速混合；
(3)焙烧：将混合物料置于惰性气氛中加热熔融反应，反应过程中不断抽出生成的二氧化碳气体；
(4)分离：将焙烧产物加入水中，球磨后过滤，取滤液，将滤液加热至沸腾状态后立即转入-10～-5℃环境中，急速冷冻处理后加热至20-25℃解冻，解冻完成后再次过滤，取滤液；
(5)制粉：将所得滤液经浓缩制成膏体，膏体送入烘箱中，干燥所得固体经粉碎机制成粉体。
采用急速冷冻处理能使滤液中所含水溶性杂质析出，从而提高所制硅酸钠产品中的Na2SiO3含量；同时降低在制备二氧化硅时Na2SiO3与硫酸反应所需活化能，进而降低所制二氧化硅的粒径，改善二氧化硅的分散性。
为了进一步改善由所制硅酸钠制得的二氧化硅的分散性，所述分散剂可以选用SnO2。
作用机理如下：
SiO2+Na2CO3＝Na2SiO3+CO2；
SnO2+Na2CO3＝Na2SnO3+CO2；
石英砂中所含的SiO2与碳酸钠反应生成Na2SiO3，同时分散剂SnO2与碳酸钠反应生成Na2SnO3，所制硅酸钠中SnO32-的存在会在由所制硅酸钠制备补强剂二氧化硅时阻止SiO2原始粒子的聚集和团聚，从而制得高分散性的纳米二氧化硅。
本发明的有益效果是：本发明以石英砂作为原料，通过与碳酸钠的熔融反应制得硅酸钠，所采用的生产方法的控制参数明确，工艺重复性好，适用于硅酸钠的批量化生产，同时所制硅酸钠的纯度高；而利用所制硅酸钠与硫酸反应制备二氧化硅时，制得的纳米二氧化硅的粒径小且分散性好，适用于作为补强剂而均匀分散于绿色轮胎加工原料中以发挥优异的补强作用。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
(1)配料：分别称取石英砂、碳酸钠和钛酸酯偶联剂KH550，摩尔比为1:1.1:0.05，石英砂的摩尔量以所含SiO2计，SiO2的质量为10kg；
(2)混合：将上述物料加入高速混合机中，800r/min下高速混合10min；
(3)焙烧：将混合物料置于惰性气氛中加热熔融反应3h，温度851℃，反应过程中不断抽出生成的二氧化碳气体；
(4)分离：将焙烧产物加入50kg水中，球磨后过滤，取滤液；
(5)制粉：将所得滤液经浓缩制成固含量85％的膏体，膏体送入烘箱中，干燥温度80℃，干燥所得固体经粉碎机制成粉体。
实施例2
以实施例1为对照，设置增加急速冷冻处理的实施例2，其余操作与实施例1完全相同。
(1)配料：分别称取石英砂、碳酸钠和钛酸酯偶联剂KH550，摩尔比为1:1.1:0.05，石英砂的摩尔量以所含SiO2计，SiO2的质量为10kg；
(2)混合：将上述物料加入高速混合机中，800r/min下高速混合10min；
(3)焙烧：将混合物料置于惰性气氛中加热熔融反应3h，温度851℃，反应过程中不断抽出生成的二氧化碳气体；
(4)分离：将焙烧产物加入50kg水中，球磨后过滤，取滤液，将滤液加热至沸腾状态后立即转入-10～-5℃环境中，急速冷冻处理3h后加热至20-25℃解冻，解冻完成后再次过滤，取滤液；
(5)制粉：将所得滤液经浓缩制成固含量85％的膏体，膏体送入烘箱中，干燥温度80℃，干燥所得固体经粉碎机制成粉体。
实施例3
以实施例1为对照，设置以SnO2作为分散剂的实施例3，其余操作与实施例1完全相同。
(1)配料：分别称取石英砂、碳酸钠和SnO2，摩尔比为1:1.1:0.05，石英砂的摩尔量以所含SiO2计，SiO2的质量为10kg；
(2)混合：将上述物料加入高速混合机中，800r/min下高速混合10min；
(3)焙烧：将混合物料置于惰性气氛中加热熔融反应3h，温度851℃，反应过程中不断抽出生成的二氧化碳气体；
(4)分离：将焙烧产物加入50kg水中，球磨后过滤，取滤液；
(5)制粉：将所得滤液经浓缩制成固含量85％的膏体，膏体送入烘箱中，干燥温度80℃，干燥所得固体经粉碎机制成粉体。
实施例4
以实施例3为对照，设置增加急速冷冻处理的实施例4，其余操作与实施例1完全相同。
(1)配料：分别称取石英砂、碳酸钠和SnO2，摩尔比为1:1.1:0.05，石英砂的摩尔量以所含SiO2计，SiO2的质量为10kg；
(2)混合：将上述物料加入高速混合机中，800r/min下高速混合10min；
(3)焙烧：将混合物料置于惰性气氛中加热熔融反应3h，温度851℃，反应过程中不断抽出生成的二氧化碳气体；
(4)分离：将焙烧产物加入50kg水中，球磨后过滤，取滤液，将滤液加热至沸腾状态后立即转入-10～-5℃环境中，急速冷冻处理3h后加热至20-25℃解冻，解冻完成后再次过滤，取滤液；
(5)制粉：将所得滤液经浓缩制成固含量85％的膏体，膏体送入烘箱中，干燥温度80℃，干燥所得固体经粉碎机制成粉体。
对照例1
以实施例1为对照，设置以氧化铝作为分散剂的对照例1，其余操作与实施例1完全相同。
(1)配料：分别称取石英砂、碳酸钠和氧化铝，摩尔比为1:1.1:0.05，石英砂的摩尔量以所含SiO2计，SiO2的质量为10kg；
(2)混合：将上述物料加入高速混合机中，800r/min下高速混合10min；
(3)焙烧：将混合物料置于惰性气氛中加热熔融反应3h，温度851℃，反应过程中不断抽出生成的二氧化碳气体；
(4)分离：将焙烧产物加入50kg水中，球磨后过滤，取滤液；
(5)制粉：将所得滤液经浓缩制成固含量85％的膏体，膏体送入烘箱中，干燥温度80℃，干燥所得固体经粉碎机制成粉体。
对照例2
以实施例1为对照，设置不添加分散剂的对照例2，其余操作与实施例1完全相同。
(1)配料：分别称取石英砂和碳酸钠，摩尔比为1:1.1，石英砂的摩尔量以所含SiO2计，SiO2的质量为10kg；
(2)混合：将上述物料加入高速混合机中，800r/min下高速混合10min；
(3)焙烧：将混合物料置于惰性气氛中加热熔融反应3h，温度851℃，反应过程中不断抽出生成的二氧化碳气体；
(4)分离：将焙烧产物加入50kg水中，球磨后过滤，取滤液；
(5)制粉：将所得滤液经浓缩制成固含量85％的膏体，膏体送入烘箱中，干燥温度80℃，干燥所得固体经粉碎机制成粉体。
分别利用实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、对照例1、对照例2由同批石英砂加工制备硅酸钠，将所制硅酸钠粉体过200目筛，并按照下述方法制备纳米二氧化硅：
(1)将硅酸钠加水配制浓度1mol/L的硅酸钠溶液，并添加0.2wt％的表面活性剂羧甲基纤维素钠溶液；
(2)配制浓度0.75mol/L的硫酸溶液；
(3)向步骤(1)所得溶液中滴加步骤(2)的硫酸溶液，再于70℃下反应3h生成二氧化硅沉淀，然后经老化、过滤、洗涤、干燥、粉碎，得到纳米二氧化硅颗粒。
测定所制纳米二氧化硅颗粒的粒径，并取20g所制纳米二氧化硅颗粒加入80g去离子水中，800r/min下高速搅拌2h得到分散液，将所制分散液放置12个月，分别于6个月、9个月和12个月记录分散液的状态，测定结果如表1所示。
表1
由表1可知，实施例通过分散剂的使用和急速冷冻处理能够降低所制纳米二氧化硅颗粒的粒径，同时提高所制纳米二氧化硅颗粒的均匀分散性和分散稳定性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。