Page 32 - 《精细化工》2019年第11期

·2180· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 36 卷

集，碳化过程是气-液-固三相反应，若体系温度过 2.4 CO 2 通入速率对白炭黑吸油值和比表面积的影响
高，反应物 CO 2 难以溶解于液相中，而当反应温度 在水玻璃质量分数为 15%、反应温度为 80 ℃、
过低时，水玻璃溶液的黏度较大，不利于反应进行。 Na 2 CO 3 质量浓度为 3 g/L 条件下，考察了 CO 2 通入
提高反应温度，水玻璃溶液的黏度降低，粒子的布 速率对白炭黑 DBP 吸油值和比表面积的影响，实验
朗运动加剧，产生的疏松状白炭黑具有较高的吸油 方法同 1.2.2 节，结果见图 4。
值和比表面积；但是当反应温度过高时，白炭黑小
颗粒和团簇体的布朗运动加快，晶核的长大速度进
一步提高，产生了较大粒径的颗粒，从而降低了白
炭黑的 DBP 吸油值和比表面积。所以，反应温度取
80 ℃为宜。
2.3 Na 2 CO 3 质量浓度对白炭黑吸油值和比表面积
的影响
在水玻璃质量分数为 15%、反应温度为 80 ℃、
CO 2 通入速率 200 mL/min 条件下，考察了 Na 2 CO 3
质量浓度对白炭黑 DBP 吸油值和比表面积的影响，

实验方法同 1.2.2 节，结果见图 3。 图 4 CO 2 通入速率对白炭黑 DBP 吸油值和比表面积的
影响
Fig. 4 Effects of CO 2 ventilation rate on the DBP absorption
value and specific surface area of silica

由图 4 可知，当 CO 2 气体通入速率为 150 mL/min
时，白炭黑的 DBP 吸油值和比表面积均达到最大，分
2
别为 3.29 mL/g、251 m /g，随着气体通入速率的进
一步增加，DBP 吸油值和比表面积均开始大幅下降。
在碳化过程中，CO 2 气体先从气相主体扩散至
气-液相界面，然后通过液膜进入液相主体，CO 2 与
Na 2 SiO 3 发生反应生成沉淀。在反应过程中，若气体

通入速率过小，晶核生成的数量少，反应缓慢 [23] ；
图 3 Na 2 CO 3 质量浓度对白炭黑 DBP 吸油值和比表面积
的影响 若气体通入速率过大，生成的大量晶核来不及生长，
Fig. 3 Effect of Na 2 CO 3 mass concentration on the DBP 导致发生交联进而形成凝胶，影响白炭黑的 DBP 吸
absorption value and specific surface area of silica
油值和比表面积。故保持较低的 CO 2 气体通入速率
由图 3 可知，随着 Na 2 CO 3 质量浓度的增加，白 既可以防止反应体系内部出现局部过酸现象，又保
炭黑 DBP 吸油值和比表面积均提高，当 Na 2 CO 3 质 证了充分的反应时间，使晶核的生成与长大呈现平
量浓度为 4 g/L 时，DBP 吸油值最大，为 3.22 mL/g， 衡。所以，CO 2 气体通入速率以 150 mL/min 为宜。
2
Na 2CO 3 质量浓度为 3 g/L 时，比表面积达到 247 m /g。 2.5 正交实验设计
根据 DLVO 理论 [21] ，由于水玻璃具有胶体性质 白炭黑为无定型的疏松状粉末，一次颗粒越小，
且呈电负性 [22] ，加入助剂电解质可以促使胶体发生 颗粒之间的团聚程度越低，其比表面积越大，故比
聚沉。胶体粒子之间存在着引力和斥力，引力属于 表面积可以在一定程度反映白炭黑的微观聚集度。
范德华力，胶体粒子间的距离呈函数关系，而斥力 虽然 DBP 吸油值可以估算白炭黑颗粒团聚体之间
来自于胶体粒子表面双电层重叠时同性电荷间的静 的孔隙体积，但完全不同的白炭黑产品也可出现极
电斥力，只有当胶体粒子克服静电斥力时才会发生 为相似的 DBP 值 [23] ，因此在单因素实验基础上，以
聚沉。若没有助剂电解质的作用，胶体粒子只能依 比表面积为考察指标进行正交实验。正交实验因素
靠其具有的动能克服静电斥力。因此，加入助剂电 水平表如表 1 所示，正交实验结果如表 2 所示。
解质后，助剂解离可以打破体系内部的静电斥力， 根据实验结果可知，各考察因素对比表面积的
从而提高反应体系的聚沉，但是当助剂浓度过高时， 影响顺序为：CO 2 通入速率>水玻璃质量分数>反应
将再次影响体系的平衡，从而导致白炭黑的 DBP 吸 温度>Na 2 CO 3 质量浓度。从正交实验结果可以看出，
油值和比表面积大幅降低。所以，Na 2 CO 3 质量浓度 Na 2 CO 3 质量浓度对白炭黑比表面积的影响远低于其
取 3 g/L 为宜。 他 3 个因素。