白炭黑

白炭黑是白色粉末狀X-射線無定形矽酸和矽酸鹽產品的總稱，主要是指沉澱二氧化矽、氣相二氧化矽和超細二氧化矽凝膠，也包括粉末狀合成矽酸鋁和矽酸鈣等。白炭黑是多孔性物質，其組成可用SiO2·nH2O表示，其中nH2O是以表面羥基的形式存在。能溶於苛性鹼和氫氟酸，不溶於水、溶劑和酸（氫氟酸除外）。耐高溫、不燃、無味、無嗅、具有很好的電絕緣性。

基本介紹

• 中文名：白炭黑
• 外文名：Silica
• CAS號：10279-57-9
• EINECS號：238-878-4

基本信息

中文名稱：白炭黑

中文別名：白炭黑(燃燒法);氣相白炭黑;造粒白炭黑;藥用級白炭黑;GH-7型白炭黑;GH-1A型白炭黑;GH-1B型白炭黑;水合二氧化矽;白碳黑;白煙;沉澱水合二氧化矽;純乳膠;膠體二氧化矽;沉澱二氧化矽

英文名稱：Silica

英文別名：combustion method;Pelleted Hydrated Silica;Hydrated Silica;Silicondioxidehydrate;Silica, hydrate;SILICA;Precipitated silica;

CAS號：10279-57-9

白炭黑

EINECS號：238-878-4

分子式：SiO2.x(H2O)

物理化學性質

熔點：1610 °C(lit.)

沸點：>100 °C(lit.)

密度：2.6 g/mL at 25 °C(lit.)

折射率：n20/D 1.544(lit.)

儲存條件：2-8°C

form tablets (~0.5 g each)

1、物理性質

外觀：白色粉末或粒狀或不規則造塊。
真密度：約2.0g/ml 假密度：約0.2g/ml（普通產品）。
耐高溫、不燃燒；電絕緣性好。
2、化學性質：
能與燒鹼發生反應 SiO₂nH₂O+2NaOH=Na₂SiO₃+（n+1）H₂O
能與氫氟酸發生反應 SiO₂nH₂O+4HF=SiF₄+（n+2）H₂O
3、主要化學指標
SiO₂含量（乾品）≥90%
篩余物（4.5цm）≤0.5%
加熱減量：4.0-8.0%
灼燒減量：（乾品）≤7.0%
PH值：5.0-8.0
總銅含量：≤30mg/kg
總錳含量：≤50mg/kg
總鐵含量：≤1000mg/kg
DBP吸收值：2.00-3.50cm/g
比表面積：不同用途有不同範圍，一般145-165m/g（HT2） 165-185m/g（HT1）
200-300m/g（HT3）
3、主要物理性能（配合橡膠品）
拉伸強度≥17.0Mpa 500%定伸強度≥6.3Mpa
扯斷伸長度≥675%

成分

白炭黑按生產方法大體分為沉澱法白炭黑和氣相法白炭黑。氣相法白炭黑常態下為白色無定形絮狀半透明固體膠狀納米粒子（粒徑小於100nm），無毒，有巨大的比表面積。氣相法白炭黑全部是納米二氧化矽，產品純度可達99%，粒徑可達10~20nm，但製備工藝複雜，價格昂貴；沉澱法白炭黑又分為傳統沉澱法白炭黑和特殊沉澱法白炭黑，前者是指以硫酸、鹽酸、CO2與水玻璃為基本原料生產的二氧化矽，後者是指採用超重力技術、溶膠-凝膠法、化學晶體法、二次結晶法或反相膠束微乳液法等特殊方法生產的二氧化矽。沉澱白炭黑主要用作天然橡膠和合成橡膠的補強劑、牙膏摩擦劑等。氣相白炭黑主要用作矽橡膠的補強劑、塗料和不飽和樹脂增稠劑，超細二氧化矽凝膠和氣凝膠主要用作塗料消光劑、增稠劑、塑膠薄膜開口劑等。

白炭黑作為一種環保、性能優異的助劑，主要用於橡膠製品（包括高溫硫化矽橡膠）、紡織、造紙、農藥、食品添加劑領域。從白炭黑2004-2008年這四年產量的增速來看，四年複合增長率13.3%。2009年我國共有白炭黑生產企業超過60家，產能約100萬噸，產量75萬噸，中國產銷量居全球首位。

得益於輪胎製造業、矽橡膠產業、塗料工業、新能源等領域的需求增長，預計未來我國沉澱法白炭黑(二氧化矽)的年均需求增長速度約為10%。2015年，亞洲將成為高分散白炭黑最大市場，其需求增速將遠高於全球平均9%的增速，達到15%或更高。中國占亞洲市場的40%，將成為全球最大的單一市場。

製備

製備白炭黑的傳統方法是利用矽酸鈉、四氯化矽、正矽酸乙酯做矽源，除矽酸鈉以外，其它成本都很高。新方法採用廉價的非金屬礦作為矽源，大大降低了白炭黑的生產成本。

傳統方法

（1）氣相法

主要為化學氣相沉積（CAV）法，又稱熱解法、乾法或燃燒法。其原料一般為四氯化矽、氧氣（或空氣）和氫氣，高溫下反應而成。反應式為：

SiCl4+ 2H2+ O2—>SiO2+4HCl

空氣和氫氣分別經過加壓、分離、冷卻脫水、矽膠乾燥、除塵過濾後送入合成水解爐。將四氯化矽原料送至精餾塔精餾後，在蒸發器中加熱蒸發，並以乾燥、過濾後的空氣為載體，送至合成水解爐。四氯化矽在高溫下氣化（火焰溫度1000~1800℃）後，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矽顆粒極細，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，然後經旋風分離器收集，再送入脫酸爐，用含氮空氣吹洗氣相二氧化矽至PH值為4～6即為成品。

德國迪高沙（Degussa）公司和美國卡伯特（Cabot）公司的氣相法生產技術全球領先。他們的生產裝置規模大，自動化程度高，產品成本低，牌號（尤其是套用於特殊領域的功能性專用產品牌號）多，品質好，如表面積分布均勻、含水量低。我國瀋陽化工股份有限公司及上海氯鹼化工股份有限公司也採用氣相法生產，但在生產規模、生產技術、自動化程度及產品牌號等方面遠不及國外大公司。廣州吉必盛科技實業有限公司是國內產量最大，牌號最全，技術最先進的氣相二氧化矽供應商，是氣相二氧化矽國家標準GB20020-2005負責起草單位。

（2）沉澱法

沉澱法又叫矽酸鈉酸化法，採用水玻璃溶液與酸反應，經沉澱、過濾、洗滌、乾燥和煅燒而得到白炭黑。反應式為：

Na2SiO3 + 2H+ —> 白炭黑 + 2Na+ + H20

國內大部分生產企業採用沉澱法。

新方法

新方法主要以非金屬礦及其延伸物為矽源，採用沉澱法製備白炭黑。其技術關鍵是將結晶的二氧化矽和矽酸鹽轉變成非晶態二氧化矽。原料主要有矽灰石、蛋白石、埃洛石、橄欖石、蛇蚊石、高嶺土、硬質高嶺土、煤矸石、粉煤灰等。

著重介紹以高嶺土或硬質高嶺土、煤矸石或粉煤灰為原料製備白炭黑的工藝技術。

（1）以高嶺土或硬質高嶺土為原料

先將高嶺土或硬質高嶺土粉碎至50~60目，然後在500~600℃高溫下焙燒2小時，再將焙燒土與濃度30%的工業鹽酸按1：2.5（重量）配料，在90℃左右酸浸7小時，經中和、過濾、洗滌、乾燥得到白炭黑，產品質量符合GB10507-89標準；同時得到高效淨水劑聚合氯化鋁。焙燒及酸浸反應式如下：

焙燒：Al2O3·2Si02·2H20 —> Al2O3·2Si02 + 2H20

酸浸：Al2O3·2Si02 + 6HCl + 9H20 —>2AlCl3·6H20 + 2SiO2

（2）以煤矸石或粉煤灰為原料

先將煤矸石或粉煤灰粉碎至粒度小於120目，然後分兩步：

第一步生產矽酸鈉：將粉碎的煤矸石或粉煤灰與純鹼按重量比1：50混合均勻，經高溫冶融（1400~1500℃，1小時）、水萃浸溶（100℃以上，4~5小時）、過濾去雜質、濃縮濾液到45~46波美度即得到矽酸鈉。

第二步生產白炭黑：先將矽酸鈉配成水玻璃溶液（模數為2.4~3.6,SiO2含量為4~10%）,然後在5~20%的硫酸中酸浸（28~32℃，8~16小時），再升溫至80℃，攪拌，調節PH值為5~7，熟化20分鐘，再經過濾洗滌、乾燥、分選，得到白炭黑。該白炭黑為活性，純度高。

用途

由於白炭黑產品的一系列優越性，使它能夠廣泛套用於許多領域。

橡膠製品

白炭黑用在彩色橡膠製品中以替代炭黑進行補強，滿足白色或半透明產品的需要。白炭黑同時具有超強的粘附力、抗撕裂及耐熱抗老化性能，所以在黑色橡膠製品中亦可替代部分炭黑，以獲得高質量的橡膠製品，如越野輪胎、工程輪胎、子午胎等。

農業化學製品

在農業化學製品中，如農藥、高效噴施肥料等，使用白炭黑作載體或稀釋劑、崩解劑，做崩解劑在水分散粒劑wdg中使用可提高懸浮率，建議使用含量10%左右。能保持持久效力，因為它的超高表面積具有極高吸附力，易於懸浮，有良好的親和性及化學穩定性。即使在雨水、沖洗和炎熱條件下，仍能長期保持不變。

日用化工製品

用白炭黑作填料和磨蝕劑的透明彩色及不透明牙膏，這類牙膏具有良好的柔韌性、分散性，膏體光滑、柔軟、磨蝕性好，不磨蝕牙膏管體；它能使藥物牙膏保持藥性的穩定。特別是與氟化物具有良好的配伍性，可避免鈣鹽作磨料產生難溶鹽的弊端。

膠結劑

用在天然橡膠或合成橡膠製成的膠粘劑中，提供了觸變性和補強性，同時由於其伸展性還可以提高粘著力，質高價廉。

抗結塊劑

白炭黑可用在一些產品中來提高自由流動性，如草地肥料、殺真菌劑、磨輪研磨劑、洗衣漂白劑、酚醛注塑烏洛托品、酚和尿素的塑膠製品、製造橡膠硫磺及抗結塊混合物。

造紙填料

用白炭黑做紙張填料可提高紙張抗油墨透過性能及機械強度，增加白度，減少單位重量。能有效實現紙張輕量化、降低生產成本、提高紙張使用性能。

此外還可用在消防劑、飼料、化妝品、消光劑、顏料、油漆等許多行業。

氣相套用

氣相白炭黑是極其重要的高科技超微細無機新材料之一,由於其粒徑很小，因此比表面積大，表面吸附力強，表面能大，化學純度高、分散性能好、熱阻、電阻等方面具有特異的性能，以其優越的穩定性、補強性、增稠性和觸變性，在眾多學科及領域內獨具特性，有著不可取代的作用。氣相白炭黑俗稱“納米白炭黑”，廣泛用於各行業作為添加劑、催化劑載體，石油化工，脫色劑，消光劑，橡膠補強劑，塑膠充填劑，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塗材料、醫藥、環保等各種領域。並為相關工業領域的發展提供了新材料基礎和技術保證。由於它在磁性、催化性、光吸收、熱阻和熔點等方面與常規材料相比顯示出特異功能，因而得到人們的極大重視。以下是氣相白炭黑在各行業的套用

電子封裝材料

有機物電致發光器材（OLED）是當前新開發研製的一種新型平面顯示器件，具有開啟和驅動電壓低，且可直流電壓驅動，可與規模積體電路相匹配，易實現全彩色化，發光亮度高（>105cd/m2）等優點，但OLED器件使用壽命還不能滿足套用要求，其中需要解決的技術難點之一就是器件的封裝材料和封裝技術。當前，國外（日、美、歐洲等）廣泛採用有機矽改性環氧樹脂，即通過兩者之間的共混、共聚或接枝反應而達到既能降低環氧樹脂內應力又能形成分子內增韌，提高耐高溫性能，同時也提高有機矽的防水、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，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，而且還難於滿足大規模器件生產線對封裝材料的要求（時間短、室溫封裝）。將經表面活性處理後的氣相白炭黑充分分散在有機矽改性環氧樹脂封裝膠基質中，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OLED器件密封性能得到顯著提高,增加OLED器件的使用壽命。

樹脂複合材料

樹脂基複合材料具有輕質、高強、耐腐蝕等特點，但當前來材料界和國民經濟支柱產業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複合材料，已成為當前材料界和企業界的重要課題。氣相白炭黑的問世，為樹脂基複合材料的合成提供了新的機遇，為傳統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。環氧樹脂是基本的樹脂材料，把氣相白炭黑添加到環氧樹脂中，在結構上完全不同於粗晶二氧化矽（白炭黑等）添加的環氧樹脂基複合材料，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，而氣相白炭黑由於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，使它表現出極強的活性，很容易和環氧環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，表現很高的流漣性，從而使氣相白炭黑添加的環氧樹脂材料強度、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，將其添加到環氧樹脂中，有利於拉成絲。由於氣相白炭黑的高流動性和小尺寸效應，使材料表面更加緻密細潔，摩擦係數變小，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。環氧樹脂基複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，它對樹脂基複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複合材料迅速老化。而氣相白炭黑可以強烈地反射紫外線，加入到環氧樹脂中可大大減少紫外線對環氧樹脂的降解作用，從而達到延緩材料老化的目的。

塑膠

利用氣相白炭黑透光、粒度小，可以使塑膠變得更加緻密，在聚苯乙烯塑膠薄膜中添加氣相白炭黑後，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。通過在普通塑膠聚氯乙烯中添加少量氣相白炭黑後生產出的塑鋼門窗硬度、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膠聚丙烯進行改性，主要技術指標（吸水率、絕緣電阻、壓縮殘餘變形、撓曲強度等）均達到或超過工程塑膠尼龍6的性能指標，實現了聚丙烯鐵道配件替代尼龍6使用，產品成本大幅下降，其經濟效益和社會效益十分顯著。

塗料

我國是塗料生產和消費大國，但當前國產塗料普遍存在著性能方面的不足，諸如懸浮穩定性差、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量的塗料。上海、北京、杭州、寧波等地的一些塗料生產企業敢於創新，成功地實現了氣相白炭黑在塗料中的套用，這種納米改性塗料一改以往產品的不足，經檢測其主要性能指標除對比率不變外，其餘均大幅提高，如外牆塗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），此外塗膜與牆體結合強度大幅提高，塗膜硬度顯著增加，表面自潔能力也獲得改善。

橡膠

橡膠是一種伸縮性優異的彈性體，但其綜合性能並不令人滿意，生產橡膠製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，但由於炭黑的加入使得製品均為黑色，且檔次不高。而氣相白炭黑在我國的問世為生產出色彩新穎、性能優異的新一代橡膠製品奠定了物質基礎。在普通橡膠中添加少量氣相白炭黑後，產品的強度、耐磨性和抗老化性等性能均達到或超過高檔橡膠製品，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，保色效果優異。彩色輪胎的研製工作也取得了一定的進展，如輪胎側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，實現國產汽車、機車輪胎的彩色化。

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、色調和飽和度等指標也均出現一定程度的提高，性能可與進口高檔產品相媲美，極大地拓寬了有機顏（染）料的檔次和套用範圍。

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。　利用氣相白炭黑來複合陶瓷基片，不但提高了基片的緻密性、韌性和光潔度，而且燒結溫度大幅降低。此外，氣相白炭黑在陶瓷過濾網、剛玉球等陶瓷產品中套用效果也十分顯著。

密封膠、粘結劑

密封膠、粘結劑是量大、面廣、使用範圍寬的重要產品。它要求產品粘度、流動性、固化速度達最佳條件。我國在這個領域的產品比較落後，高檔的密封膠和粘結劑都依賴進口。國外在這個領域的產品已經採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矽石結構，即納米Si0X小顆粒形成網路結構抑制膠體流動，加快固化速度，提高粘結效果，由於氣相白炭黑顆粒尺小從而也增加了產品的密封性和防滲性。

玻璃鋼製品

玻璃鋼製品雖然有輕質、高強、耐腐蝕等優點，但其本身硬度較低、耐磨性較差。有關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，發現其莫氏硬度由原來的2.2級（相當於石膏的硬度）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生接枝和鍵合作用，使材料韌性增加，故抗拉強度和抗衝擊強度提高1倍以上，耐熱性能也大幅提高。

藥物載體

隨著當前城市生活垃圾的大幅增長以及環境污染的日趨嚴重，加大消滅“四害”的力度、預防疾病的傳播已十分迫切。在樹幹上塗刷石灰、向垃圾箱噴灑藥水已作用不大，當前大城市已採用噴塗中樞神經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，噴塗後有效期較短（只有一個月）。採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，據測定，其噴塗後有效期長達一年以上。

化妝品

對於化妝品來說，要求對紫外線禁止能力強，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。實質上，紫外禁止包括兩方面，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，當前，世界上從紫外反射性能角度開發的抗紫外劑還未見報導。　在防曬產品中以往多使用有機化合物為紫外線吸收劑，但是存在諸如為了儘可能保護皮膚不接觸紫外線而提高添加量之後，會增加發生皮膚癌以及產生化學性過敏等問題，而氣相白炭黑為無機成分，易於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、穩定性好，被紫外線照射後不分解，不變色，也不會與配方中其它組分起化學反應。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。

抗菌材料

利用氣相白炭黑龐大的比表面積、表面多介孔結構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計到氣相白炭黑表面的介孔中，並實施穩定，成功開發出高效、持久、耐高溫、廣譜抗菌的納米抗菌粉（粒徑只有70納米左右），不但填補國內空白，而且主要技術指標均達到或超過日本同類產品。經檢測，當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。據測定，水中含Ag+為0.01mg/1時，就能完全殺滅水中的大腸桿菌，並能保持長達90天內不繁衍出新的菌叢。　將納米抗菌粉套用於搪瓷釉料中，生產出具有防霉、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，須在鹼性較強的液體中和高溫（900℃左右）燒瓷後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牆塗料中，生產出了具有長久抗菌防霉功能的內牆塗料。將納米抗菌粉用在婦女內褲洗滌劑、羊毛、羊絨洗滌劑、洗潔精、洗手液中，經衛生防疫部門檢測，其抗菌性能十分顯著。可以預見，隨著人們健康意識的增強，納米抗菌粉將逐漸被相關套用企業的廣大民眾所接受，在票據、醫療衛生、化學建材、家電製品、功能纖維、塑膠製品等行業中嶄露頭角。

其它

1、在光學領域的套用納米微粒套用於紅外反射材料主要是製成薄膜和多層膜來使用。納米微粒的膜材料在燈泡工業上有很好的套用前景。高壓鈉燈以及各種用於拍照、攝影的碘弧燈都要求強照明，但是燈絲被加熱後69%的能量轉化為紅外線，這就表明有相當多的電能轉化為熱能被消耗掉，僅有一少部分轉化為光能來照明，同時，燈管發熱也會影響燈具的壽命，如何提高發光效率，增加照明度一直是急待解決的關鍵問題。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，科研技術人員用納米Si0X和納米TiO2微粒製成了多層干涉膜，總厚度為微米級，襯在燈泡罩的內壁，結果不但透光率好，而且有很強的紅外線反射能力。據專家測算同種燈光亮度下，該種燈具與傳統的鹵素燈相比，可節約15%的電能。