活性硅格粉與炭黑結合機理與生產工藝探索

張林峰，孫亞光

(杭州中策清泉實業有限公司，浙江 杭州 311402)

隨著全球能源供應的日益緊張和環境的惡化，汽車節能減排已經迫在眉睫。輪胎滾動阻力造成的汽車燃油消耗約占20%，所以輪胎的滾動阻力對汽車燃油有重大影響。據測算得出，那么每公里二氧化碳排放量可以減小4 g，每輛車每年可以節省燃油23 L，以全國機動車保有量3.6億輛計算（截至2020年6月），每年可節省燃油600.3萬t。

作為輪胎的重要性能指標，滾動阻力和耐磨性能、抗濕滑性能存在著“魔鬼三角”的關系：在通常情況下，這3種性能往往此消彼長，調整三者中任何一項都會導致另外兩項的變化。而輪胎的滾動阻力、耐磨性和抗濕滑性都又與橡膠補強劑炭黑息息相關，因此在炭黑性能上進行改進能直接影響輪胎的各方面性能。

1 工藝設計方案

（1）原料油配方以95%煤焦油與5%乙烯焦油進行生產，水分含量≤2.0%；使用新型原油槍頭對原料油進行霧化，保證霧化效果；提高空氣預熱溫度，提升原料油裂解效果；原料油在反應爐段內1 600 ℃以上高溫燃燒氣流混合，使原油充分裂解成炭黑原生粒子。

（2）通過粉末活性硅射流分散技術，將硅格粉和工藝水混合后噴入炭黑反應爐，粉狀硅格粉與炭黑原生粒子在高溫下化學結合形成—Si—C—與—Si—O—C—短鏈狀結構（圖1）。

圖1 粉末活性硅射流投加系統工藝流程圖

粉末活性硅射流投加系統技術為硅格粉解包后通過氣力壓送裝置輸送至料倉，通過料倉中機械破拱、氣流破拱裝置和料倉下部的犁刀攪拌裝置被輸送到精密定量的相嵌雙螺旋中，經過稱重系統和精密定量螺旋計量過的硅格粉進入高速射流混合器的傳質腔體中，與射流載體即工藝水瞬間混合，硅格粉在運動過程中被強制分散到射流載體中，并在射流器尾部的擴散器中通過壓力變化快速擴散成均勻地懸濁液，輸送到壓力霧化系統中進入炭黑急冷系統。

通過炭黑的聚集作用，形成雙相炭黑聚集體。炭黑煙氣經過主袋濾器收集分離，分離出的尾氣用于尾氣爐供熱及鍋爐發電，經糖蜜黏合劑對炭黑進行造粒，使炭黑在橡膠中分散均勻。

（3）雙相炭黑中硅格粉重量含量控制為10%～50%。根據輪胎應用需求指標，橡膠滾阻炭黑中硅格粉重量含量指標為17±3%。雙相炭黑生產工藝，其特征在于硅格粉和工藝水懸濁液中硅格粉濃度15%～25%。

2 化學結合機理

結合后的滾阻炭黑表面繼承了硅格粉表面的羥基結構（除與炭黑表面官能團反應后的羥基），鄰位羥基形成內氫鍵，孤立羥基與雙重羥基與橡膠分子中的羥基等極性基團形成外氫鍵，在橡膠內部形成聚合物分子鏈貫穿橡膠高分子鏈網絡，從而賦予了材料優越的綜合性能。

本發明中的使用的硅格粉材料化學結構如下所示（1）：

鄰位羥基結構示意圖 雙重羥基結構示意圖

炭黑生成反應中加入硅格粉材料，與炭黑粒子化學結合，其反應式如下（2）：

（2）nC+mSi(OH)→mSiCn/m(OH)

3 實際效果驗證：

以下通過具體實施方式進一步對雙相炭黑內容進行闡述。年產3萬t炭黑生產線采用本裝置生產雙相炭黑SX系列。

實施案例1

（1）原油配方上選用低水分（水分含量≤2.0%）的煤焦油作為雙相炭黑的原料油。

（2）以7 000 kg/h流量的原料油在反應爐段內1 600 ℃以上高溫燃燒氣流混合，使原油充分裂解成炭黑原生粒子。

（3）由射流系統混合的15%濃度的硅格粉和工藝水懸濁液以5 000 kg/h噴入炭黑反應爐，炭黑與硅格粉在高溫下反應生成硅碳結構，通過聚集形成硅碳聚集體。

（4）炭黑煙氣經過主袋濾器收集分離出的尾氣用于尾氣爐供熱及鍋爐發電，炭黑經造粒干燥后儲存。

實施案例2

（1）原油配方上選用低水分（水分含量≤2.0%）的煤焦油作為雙相炭黑的原料油；

（2）以7 000 kg/h流量原料油在反應爐段內1 600 ℃以上高溫燃燒氣流混合，使原油充分裂解成炭黑原生粒子；

（3）由射流系統混合的20%濃度的硅格粉和工藝水懸濁液以5 000 kg/h噴入炭黑反應爐，炭黑與硅格粉在高溫下反應生成硅碳結構，通過聚集形成硅碳聚集體。

（4）炭黑煙氣經過主袋濾器收集分離出的尾氣用于尾氣爐供熱及鍋爐發電，炭黑經造粒干燥后儲存。

實施案例3

（1）原油配方上選用低水分（水分含量≤2.0%）的煤焦油作為雙相炭黑的原料油；

（2）以7 000 kg/h流量的原料油在反應爐段內1 600 ℃以上高溫燃燒氣流混合，使原油充分裂解成炭黑原生粒子；

（3）由射流系統混合的25%濃度的硅格粉和工藝水懸濁液以5 000 kg/h噴入炭黑反應爐，炭黑與硅格粉在高溫下反應生成硅碳結構，通過聚集形成硅碳聚集體。

（4）炭黑煙氣經過主袋濾器收集分離出的尾氣用于尾氣爐供熱及鍋爐發電，炭黑經造粒干燥后儲存。

驗證結果：

以SX71炭黑為例，實驗檢測結果見表1。

表1 實驗結果

5 綜上所述

（1）硅格粉與炭黑通過化學鍵結合，并且保留了硅格粉表面的活性官能團，從而由此生產出的雙相炭黑即存在炭黑的補強性，又保留了硅格粉的表面活性，在輪胎應用中實現了高耐磨與低生熱性能同時存在的結果，打破了“魔鬼三角”的限制。

（2）硅格粉由自動水射流器分散混合形成懸濁液噴入炭黑反應爐，分散效果均勻，與炭黑結合契合度高，滿足雙相炭黑的質量設計要求，并且整個系統投料過程自動化程度高，節約了生產勞動力，值得在炭黑行業內進行推廣應用。

（3）炭黑行業下階段創新展望，以非碳材料如硅性、鋁性等活性材料彌補炭黑性能形成雙相甚至多相炭黑的機理研究與應用試驗還需要更多的探索經驗，本論文在此只是拋磚引玉，希望各位前輩多多指點。