生产一定品种的炭黑,由于工艺条件变动,在一定程度上会引起产品质量变化。当炭黑产品的某项质量指标不符合要求时,必须在工艺操作上采取相应的措施,以使产品符合要求。本文只要谈谈橡胶用油炉法炭黑质量指标与生产工艺的关系。
一、炭黑的粒径和比表面积
炭黑的粒径是炭黑重要的基本性质之一,它同比表面积成反比关系。炭黑的粒径大小和比表面积主要取决于炭黑的生产条件。在油炉法炭黑生产中,炉黑的粒径一般同原料油雾化程度、气流在反应炉内的流速、炉温、停留时间和风油比等有关。
原料油雾化程度越高,气流的流速越大,炉温越高、停留时间越短、风油比越大,而生成的炭黑粒径就越小,比表面积越大;反之,则粒径越大,比表面积越小。通常,在生产一定品种的油路炭黑时,调节风油比可以控制炭黑粒径大小。此外,急冷位置不同,炉黑粒径分布则不同。当急冷位置接近甚至伸入到反应炉时,粒径分布变窄。
炉法炭黑的比表面积,通常可用吸碘值来表征,吸碘值在数值上相当于炉法炭黑的BET表面积。油炉法炭黑的表面一般比较光滑。增大风油比,提高炉温,可以提高吸碘值。当停留时间过长或急冷不足以终止副反应时,也能导致吸碘值增加。
二、结构性
炭黑的结构性与原料油的组成和性质关系很大。原料油中芳烃含量越高,所生产的炭黑结构性越高。炭黑粒子核心在高温区停留时间越短,则炭黑的结构性越低。此外,反应炉的结构和喷嘴形式也对炭黑的结构性也有影响。
在油炉法炭黑生产中,通常可用以下办法调节炭黑的结构性。
提高炭黑的结构性:1)采用芳烃含量较高的原料油;2)采用喷雾角较大的喷油嘴;3)设计生产高结构的炭黑反应炉;4)降低反应炉内湍流程度。
降低炭黑的结构性:1)在原料油中添加碱金属盐类,降低炭黑的结构性最有效,其程度取决于碱金属浓度,当向原料油中加入其重量的0．01～0．04%时,吸油值可降低0．1～0．3毫升/克;2)设计生产低结构炭黑的反应炉;3)采用芳烃含量低和能降低炭黑结构的原料油;4)利用喷雾角小的喷油嘴;5)提高反应炉内湍流程度。
三、表面性质
炭黑的pH值、挥发分和二苯胍吸着率是反应炭黑表面化学性质的质量指标。当炭黑中碱金属盐不多时,炉法炭黑的pH值与挥发分有一定关系。一般说来,控制了炭黑的pH值,也就控制了炭黑挥发分的含量。
油炉法炭黑通常呈碱性(代槽炉黑例外),pH值一般为7～10。控制与调节油炉黑的pH值有如下几种方法。
1)有一定的设备并采用同一原料的情况下,降低原料油处理量,有利于降低油炉黑的pH值。
2)使用袋滤器收集炭黑时,适当延长袋滤两次振打的时间间隔,pH值下降。当原料油处理量相同时,收集面积较大的袋滤器比收集面积较小的袋滤器pH值低些。
3)在工艺操作上,增加切向空气对轴向空气的比,会促进pH值降低。
二苯胍吸着率又称DPG吸着率。炭黑对二苯胍的吸着量取决于炭黑的挥发分含量和比表面积。当表面积大致相同时,二苯胍吸着率主要反应炭黑表面的酸、碱性。二苯胍吸着率也受炭黑灰分中盐类(强酸强碱盐或强碱强酸盐)的影响。在工艺上,可采用下述方法控制二苯胍吸着率。
1)油炉法炭黑的二苯胍吸着率随风油比的增、减而升、降,因此,可通过增加或降低风油比控制二苯胍的吸着率。
2)不改风油比时,可采用提高原料油和空气入炉温度,提高二苯胍吸着率。
3)在工艺条件不变时,反应炉体保温好,减少炉体表面热损失,相对地增加了炉温,也会提高二苯胍吸着率。
四、炭黑中的杂质
炭黑在生成、冷却、造粒(干法)、包装和运输等过程中很易吸收水分。为了控制炭黑水分含量,在炉法炭黑的收集过程中,不要低于露点以下操作;湿法造粒干燥,要严格控制水分含量。此外,还要妥善包装和贮存,在运输中避免雨水淋湿。
油炉法炭黑的灰分主要来源于冷却水中的矿物质和原料油中的灰分。其次是设备腐蚀及炉体耐火材料侵蚀、剥落等。炭黑灰分含量过高,会促进橡胶制品表面龟裂,加速老化,缩短制品使用寿命。
采用电渗析或离子交换水做急冷水能显著降低炭黑的灰分。在设备上进行防腐,在炭黑加工中进行筛选,磁选有助于降低炭黑的灰分和其他杂质。
丙酮抽出物系指炭黑生成过程中未裂解或未完全裂解的碳氢化合物残留在炭黑的表面上形成易为丙酮抽出的焦油状物质。丙酮抽出物过高主要是由于炭黑生成温度低、风油比低或工艺条件不适当所造成的。
丙酮抽出物过大,往往说明生产不正常。因此,必须控制炉温,稳定工艺操作条件。丙酮抽出物是衡量工艺操作条件,如风油比的高低、原料油的雾化好坏、高温区停留时间是否适当的主要指标。
筛余物主要成分是炭黑生成过程中所形成的硬碳。其他杂质是外来的砂粒、纤维毛及大块铁锈等混入炭黑中的有害物质。这两种物质存在于炭黑中,都会显著地影响橡胶制品的质量,必须严格加以控制。控制筛余物含量的主要方法是防止炉内结焦。在油炉法炭黑生产中,保持较高的轴向空气流速是避免炉内结焦的重要条件。此外还要要求原料油中所含的沥青质不能太多(<6%)。对炭黑进行筛选、风选、磁选等加工处理可减少筛余物与其他杂质的含量。
五、物理机械性能
炭黑的物理化学性能指标,最终反应在填充炭黑硫化胶的物理机械性能上,如抗张强度、伸长率及磨耗等都是衡量炭黑在橡胶制品中的重要质
指标。有关炭黑对油炉法炭黑来说,其物理化学性质与填充炭黑硫化胶物理机械性能的关系,可归纳为如下几点:
1．抗张强度随粒径减小,吸碘值或比表面积增加而增加;吸油值增加,伸长率下降。
2．吸油值和吸碘值增加,磨耗减小。
3．300%定伸强度、硬度、门尼粘度随吸油值增大而增加,吸碘值影响则不明显。
4．屈挠龟裂随吸碘值的增加而增加;吸油值的影响则不明显。
5．弹性随吸碘值增加而下降。
6．压缩生热随吸碘值增加而增加。
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