[發明專利]一種高色素炭黑的制備方法

在審

• 申請號: 202110028952.4
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112724711A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 劉玲;王艷;王海燕;張立群;邵光譜;王宏
• 申請（專利權）人: 北京化工大學;青島黑貓新材料研究院有限公司
• 主分類號: C09C1/56
• 分類號: C09C1/56;C09C3/06
• 代理公司: 山東康橋律師事務所 37250
• 代理人: 張艷贊

本發明公開了一種高色素炭黑的制備方法，其特征在于：包括將混合氣體和炭黑進行氧化反應的步驟；所述的混合氣體包括臭氧和其他氣體；所述的臭氧和其他氣體的體積比為1:100?100:1；所述的混合氣體的流速為0.01L/min?50L/min；所述的氧化反應的反應溫度為0℃?100℃；所述的氧化反應的反應時間為10min?20h。

技術領域

本發明涉及一種高色素炭黑的制備方法及其制備裝置，特別地，涉及一種通過包含臭氧和其他氣體的混合氣體對炭黑進行氧化的方法及裝置。

背景技術

在古代，人們通過焚燒動植物油、松樹枝，收集形成黑灰(最早的炭黑)，用于墨和黑色顏料的配制。1872年，世界上首次出現了炭黑的規模工業生產，同時形成了“CarbonBlack(炭黑)這個術語。

色素炭黑是指用于印刷油墨、涂料、塑料等產品生產的炭黑，占非橡膠用炭黑的90％左右。對于色素炭黑的分類，國際上通常根據炭黑的著色能力，分為三類，即高色素炭黑、中色素炭黑和低色素炭黑。

涂料、油漆和印刷油墨的基料通常有極性，而普通炭黑表面官能團很少，本身沒有極性，所以很難在溶劑中均勻分散。因此，需要對炭黑進行氧化處理，增加炭黑表面含氧官能團，從而增加炭黑表面極性，使其易于在溶劑中分散。

目前國內外使用的氧化改性技術分為液相氧化、氣相氧化及等離子體氧化等。液相氧化使用硝酸、高錳酸鉀、次氯酸鈉等作為氧化劑，技術較為成熟，一般要經過氧化、水洗、干燥等過程，產生較多的廢酸及廢水，污染嚴重。等離子體氧化和催化劑氧化對實驗條件要求高，所需成本也高。氣相氧化使用的氧化劑主要有臭氧、氧氣、空氣和二氧化碳等，其中臭氧氧化炭黑技術具有氧化效率高、反應條件溫和、綠色環保、成本低等優點。

Xu Chen等利用空氣和臭氧氧化炭黑，XPS結果顯示空氣氧化使其表面的含氧量變為原來的7.3倍，臭氧處理后的表面含氧量是以前的10倍(Xu Chen,Mark Farber,etal.Mechanisms of surfactant adsorption on non-polar,air-oxidized and ozone-treated carbon surfaces[J]Carbon 2003，41(8)：1489-1500)。普通炭黑經過臭氧氧化處理后其揮發分提高，pH值由8.25變為3-4(尹獻林，王海英，臭氧氧化炭黑表面改性的研究[J]，河北化工，2006，29(7)：17-19)。通過實驗發現隨著臭氧氧化時間的增加，炭黑的pH值下降、揮發份增加、流動度增加(吳海華,炭黑的氧化工藝以及氧化炭黑制備水性色漿研究[D].華東理工大學.2017:31-45)。

US2682448中的臭氧氧化裝置采用滾筒裝置以及廢氣再利用裝置對炭黑進行氧化，使得氧化后炭黑pH值從9-10降低至2.9-7。US3353980和CN202509026中的臭氧氧化裝置采用流化床裝置對炭黑進行氧化。US3245820采用攪拌床將低結構爐黑(E.M.表面積在120-150m²/g之間，BET比表面積在100-170m²/g，吸油值在7-14gal/100lbs之間)與含有臭氧的氣流接觸，得到高流動高色素油墨。US3333979通過設備研磨炭黑，破壞炭黑的團聚結構，同時通入氣體(空氣、氧氣、臭氧等)，增加炭黑化學活性，將制備的炭黑應用于丁基橡膠，可提高拉伸強度、延伸率、模量和耐磨性。CN201842796和CN1958145均是單獨的物料混合氧化設備。US9388300為液相氧化裝置，需要后續對炭黑進行干燥處理。

為便于實現工業化，本發明設計了一套反應高效、節能的氣相氧化炭黑的方法和設備，設備包含內置抄板的臭氧氧化炭黑裝置，可以加快物料混合，降低反應時間；包含尾氣再利用裝置，不僅能重復利用未反應的臭氧，還能夠分離物料和尾氣，不損害設備。

發明內容