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CN111533951B - 一种硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法 - Google Patents

一种硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅酸铝‑白炭黑复合填料的制备方法。先将水和硅化合物加入到反应釜中，搅拌升温至60～90℃后，同时添加硅化合物和酸化剂进行反应，反应溶液pH＝8.0～11.0；再经熟化后加入铝化合物溶液继续反应，并加入沉淀剂，生成硅铝酸钠凝胶后继续熟化得到硅铝酸钠纳米粒子悬浮液；再往悬浮液中加入硅化合物，搅拌使pH＝8～11，升温至60～90℃，得到二氧化硅反应底料后同时添加硅化合物和酸化剂1～2h，使维持pH＝8～11，得到纳米硅铝酸钠‑白炭黑复合填料的浆料后停加硅化合物，继续添加酸化剂至pH＝3.0～6.0后停止添加，获得纳米硅铝酸钠‑白炭黑复合填料的悬浮液；将悬浮液经过滤、洗涤、高温快干获得消光效率高、分散性好、贮存稳定的纳米硅铝酸钠内核与二氧化硅包覆外壳复合填料。

Description

一种硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种粉体无机材料的制备方法，具体涉及一种纳米硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法。
背景技术
硅酸铝又名硅铝酸钠，是一种功能性硅酸盐产品，具有很小的原始粒径(1um～10um)、极细的微粒和极好的悬浮性，是一种硅酸、铝酸的钠盐原位生成的复合粉体材料。硅铝酸钠是一种表观具有特殊结构的白色粉末，与昂贵的钛白粉相比在很多应用领域所表现的性能具有一定的相似性，在乳胶漆中掺入硅铝酸钠不仅可以节省15～25％的钛白粉，而且大量节约使用成本；又因其具有发达的孔隙结构、强烈的吸湿作用和超高的白度，近几年开始在农药中代替二氧化硅使用，效果良好；此外，因其生产原料易得、成本低等优点，在涂料、油漆、胶黏剂、造纸、橡塑等行业具有良好的市场前景。
沉淀水合二氧化硅又名白炭黑，是一种无毒、无味、无污染的非金属材料。白炭黑作为一种重要的化工原料，广泛应用于橡胶、硅橡胶、油漆、涂料及高级日用化妆品等各种领域。二氧化硅应用在油漆涂料中具有化学性质稳定、消光效率高、透明性好、易添加及储存稳定等特点。
目前的制备工艺中，二氧化硅消光剂普遍采用溶胶凝胶法，该成胶方式采用先加水玻璃底液，经搅拌加酸化剂成胶。反应过程中底碱的浓度从高到低逐渐变化，反应体系的pH也相应地变化，产生的二氧化硅初级粒子大小不均匀、二氧化硅颗粒团聚现象严重，造成孔体积偏小、孔径分布较宽、消光效率低及分散性差等。因此需要通过改进现有的沉淀法白炭黑生产工艺，开发出能满足日益增长的经济和环保需求的二氧化硅填充材料，即能够保持较高的消光效率、又具有良好的分散性和贮存稳定性的白炭黑产品。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种消光效率高、分散性好、贮存稳定的硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法。
为实现以上的发明目的，本发明一种硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法制得的产品为由纳米硅铝酸钠内核与二氧化硅包覆外壳构成的复合填料，操作步骤如下：
A、利用均相沉淀法合成纳米硅铝酸钠内核
A1、将底水与硅化合物加入到反应釜中，底水与硅化合物的体积混合比例为(10～20)：(0.05～0.2)，在搅拌的条件下通入蒸汽升温至60～90℃；同时添加硅化合物和酸化剂进行反应，所述硅化合物和酸化剂的加料时间为20～40min，所述硅化合物的浓度为0.5～1.0mol/L，流速为2.5～8.0mL/min，所述酸化剂的质量分数为18.0～50.0％，流速为0.5～5.5mL/min，使反应溶液控制在pH＝8.0～11.0；
A2、经熟化10～30min后加入铝化合物溶液继续反应所述铝化合物的流速为1.0～5.0mL/min，质量分数为20％～50％，加料时间30～60min，再加入水可溶性碱性溶液作沉淀剂，生成硅铝酸钠凝胶后再熟化1～2h，得到硅铝酸钠纳米粒子悬浮液；
B、利用沉淀法合成二氧化硅包覆外壳
B1、往A2步骤制得的硅铝酸钠纳米粒子悬浮液中加入硅化合物，其中硅化合物与A1中底水的体积混合比例为(0.1～0.5)：(10～20)，搅拌均匀，使得反应釜中的pH＝8～11，通入蒸汽升温至60～90℃，所述硅化合物的浓度为0.5～1.0mol/L，得到二氧化硅反应底料；
B2、向步骤B1的反应底料中同时添加硅化合物和酸化剂，以使反应介质维持在pH＝8～11，所述硅化合物的流速为2.5～8.0mL/min，硅化合物的浓度为0.5～1.0mol/L；酸化剂的流速为0.5～5.5mL/min，质量分数为50％～98％；硅化合物和酸化剂的加料时间为1～2h；得到纳米硅铝酸钠-白炭黑复合填料的浆料；
B3、停止添加硅化合物，继续往步骤B2制得的纳米硅铝酸钠-白炭黑复合填料的浆料中添加酸化剂，直到反应介质pH＝3.0～6.0后停止添加酸化剂，获得纳米硅铝酸钠-白炭黑复合填料的悬浮液；
B4、将步骤B3制得的纳米硅铝酸钠-白炭黑复合填料的悬浮液经过过滤、洗涤、高温快速干燥，干燥温度为240～340℃，获得硅酸铝-白炭黑复合填料产品。
上述合成反应都是在搅拌条件下进行的。
所述硅化合物是包括硅酸钾、硅酸钠、硅酸乙酯的任何形式的硅酸盐，优选硅酸钠。
所述酸化剂是包括硫酸、硝酸、草酸的任何形式的酸，优选硫酸。
所述铝化合物是包括氯化铝、十二水合硫酸铝钾、硫酸铝的任何形式的水可溶性铝化合物，优选硫酸铝。
所述水可溶性碱性溶液沉淀剂是包括尿素、氨水、碳酸钠的任何形式的水可溶性碱性溶液，优选氨水。
本发明一种硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法通过引纳米硅铝酸钠内核到二氧化硅结构中，以构建纳米硅铝酸钠与二氧化硅的“核-壳”结构，使得硅酸铝内核的密度高于二氧化硅包覆外壳；而二氧化硅包覆外壳厚度、孔隙率高于硅酸铝内核，有利于增大孔容积；硅铝酸钠纳米内核的超细、网格化结构，具有很好的悬浮性并防止固体份的沉降，从而降低白炭黑粒子的聚集程度；同时，纳米硅铝酸钠内核具有消光作用，作为硅酸铝-白炭黑复合填料的消光“增量剂”，能大幅度提升该复合填料的消光效率。
本发明一种硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法获得的硅酸铝-白炭黑复合填料产品部分替代钛白粉，其干膜遮盖力不会改变，并能提高漆的白度。若钛白粉的用量不变，其干膜遮盖力则明显提高，白度大幅度提高。
本发明一种硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法获得的硅酸铝-白炭黑复合填料不仅限于应用于消光剂，可进一步应用于橡胶、硅橡胶等产品中。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明一种硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法的内容和特点做进一步详细说明。
实施例1
本发明一种硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法按以下步骤操作：
A、利用均相沉淀法合成硅铝酸钠纳米内核
A1、将20L水加入到50L反应釜中，并加入100mL硅酸钠，在搅拌的条件下通入蒸汽升温至80℃。同时添加硅酸钠和硫酸进行反应，硅酸钠和硫酸的加料时间为30min，所述硅酸钠的浓度为1.0mol/L，流速为5mL/min；所述硫酸的质量分数为30.0％，流速为2.0mL/min，使反应溶液控制在pH＝10.0；
A2、经熟化30min后加入硫酸铝溶液继续反应，所述硫酸铝的流速为2.0mL/min，质量分数为30％；加料时间60min，再加入10％氨水作为沉淀剂，生成硅铝酸钠凝胶后继续搅拌陈化2h，得到硅铝酸钠纳米粒子悬浮液；
B、利用沉淀法合成二氧化硅包覆外壳
B1、往步骤A2制得的硅铝酸钠纳米粒子悬浮中液加入硅酸钠500mL，所述硅酸钠的浓度为1.0mol/L，搅拌均匀，使得反应釜中的pH＝9，通入蒸汽升温至90℃，得到二氧化硅反应底料；
B2、向步骤B1制得的反应底料中同时添加硅酸钠和浓硫酸，以使反应的介质pH＝9，所述硅酸钠的流速为5.0mL/min，硅酸钠的浓度为1.0mol/L；浓硫酸的流速为2.5mL/min；所述硅酸钠和硫酸的加料时间为1.0h，得到硅酸铝/白炭黑复合填料的浆料；
B3、停止硅酸钠的添加，继续添加浓硫酸到步骤B2制得的硅酸铝-白炭黑复合填料的浆料中，直到反应介质pH＝4.0，停止添加浓硫酸，获得硅酸铝-白炭黑复合填料的悬浮液；
B4、将步骤B3制得的复合填料悬浮液经过过滤、洗涤、高温干燥，干燥温度为300℃，获得硅酸铝-白炭黑复合填料产品。
实施例2
其他步骤与工艺参数同实施例1，与实施例1不同的是步骤A1的硅酸钠和硫酸并流反应时间为60min。
实施例3
其他步骤与工艺参数同实施例1，与实施例1不同的是B阶段沉淀法合成二氧化硅包覆外壳的反应温度为85℃。
以上三个实例制得的硅酸铝/白炭黑复合填料产品的综合化学性能指标与市售硅酸铝(对比例1)、市售白炭黑(对比例2)的分析见表1：
表1各产品综合化学指标
技术指标项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
BET，m<sup>2</sup>/g 375 350 325 168 175
粒径D<sub>50</sub>，μm 6.5 7.0 6.8 13.8 12.8
DBP，g/100g 295 292 295 215 223
孔容，ml/g 2.35 2.42 2.33 1.22 1.25
60°光泽度 23.5 24.4 24.8 23.1 21.8
白度 96 96 96 94 90
从表1可以看出，由本发明一种硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法的三个实施例制备的硅酸铝-白炭黑复合填料产品在比表面积(BET)、孔容、吸油值(DBP)、光泽度、白度方面均优于普通硅酸铝产品和白炭黑产品，表明经复合后的硅酸铝-白炭黑复合填料较单一组分具有更优的综合性能；粒径(D50)明显小于普通硅酸铝产品和白炭黑产品，表明本发明制备的复合填料产品具有更小的聚集体。
对比以上三个实施例，实施例2的综合技术指标最好，是最佳实施例。
需要说明的是，以上三个实施例并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法，其特征是：制得的产品为由纳米硅铝酸钠内核与二氧化硅包覆外壳构成的复合填料，操作步骤如下：
A、利用均相沉淀法合成纳米硅铝酸钠内核
A1、将水与硅化合物加入到反应釜中，水与硅化合物的体积混合比例为(10～20)：(0.05～0.2)，在搅拌的条件下通入蒸汽升温至60～90℃；同时添加硅化合物和酸化剂进行反应，所述硅化合物和酸化剂的加料时间为20～40min，所述硅化合物的浓度为0.5～1.0mol/L，流速为2.5～8.0mL/min，所述酸化剂的质量分数为18.0～50.0％，流速为0.5～5.5mL/min，使反应溶液控制在pH＝8.0～11.0；
A2、经熟化10～30min后加入铝化合物溶液继续反应所述铝化合物的流速为1.0～5.0mL/min，质量分数为20％～50％，加料时间30～60min，再加入水可溶性碱性溶液作沉淀剂，生成硅铝酸钠凝胶后再熟化1～2h，得到硅铝酸钠纳米粒子悬浮液；
B、利用沉淀法合成二氧化硅包覆外壳
B1、往A2步骤制得的硅铝酸钠纳米粒子悬浮液中加入硅化合物，其中硅化合物与A1中水的体积混合比例为(0.1～0.5)：(10～20)，搅拌均匀，使得反应釜中的pH＝8～11，通入蒸汽升温至60～90℃，所述硅化合物的浓度为0.5～1.0mol/L，得到二氧化硅反应底料；
B2、向步骤B1的反应底料中同时添加硅化合物和酸化剂，以使反应介质维持在pH＝8～11，所述硅化合物的流速为2.5～8.0mL/min，硅化合物的浓度为0.5～1.0mol/L；酸化剂的流速为0.5～5.5mL/min，质量分数为50％～98％；硅化合物和酸化剂的加料时间为1～2h；得到纳米硅铝酸钠-白炭黑复合填料的浆料；
B3、停止添加硅化合物，继续往步骤B2制得的纳米硅铝酸钠-白炭黑复合填料的浆料中添加酸化剂，直到反应介质pH＝3.0～6.0后停止添加酸化剂，获得纳米硅铝酸钠-白炭黑复合填料的悬浮液；
B4、将步骤B3制得的纳米硅铝酸钠-白炭黑复合填料的悬浮液经过过滤、洗涤、高温快速干燥，干燥温度为240～340℃，获得硅酸铝-白炭黑复合填料产品。
2.如权利要求1所述硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法，其特征是：所述硅化合物是硅酸钾、硅酸钠中的任何一种。
3.如权利要求1或2所述硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法，其特征是：所述硅化合物是硅酸钠。
4.如权利要求1所述硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法，其特征是：所述酸化剂是硫酸、硝酸、草酸的任何一种。
5.如权利要求1或4所述硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法，其特征是：所述酸化剂是硫酸。
6.如权利要求1所述硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法，其特征是：所述铝化合物是氯化铝、十二水合硫酸铝钾、硫酸铝中的任何一种。
7.如权利要求1或6所述硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法，其特征是：所述铝化合物是硫酸铝。
8.如权利要求1所述硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法，其特征是：所述水可溶性碱性溶液沉淀剂是尿素、氨水、碳酸钠中的任何一种。
9.如权利要求1所述硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法，其特征是：所述水可溶性碱性溶液沉淀剂是氨水。
10.如权利要求1或2或4或6或8所述硅酸铝-白炭黑复合填料的制备方法，其特征是：合成反应都是在搅拌条件下进行的。
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