活性硅格粉与炭黑结合机理与生产工艺探索

张林峰，孙亚光

(杭州中策清泉实业有限公司，浙江 杭州 311402)

随着全球能源供应的日益紧张和环境的恶化，汽车节能减排已经迫在眉睫。轮胎滚动阻力造成的汽车燃油消耗约占20%，所以轮胎的滚动阻力对汽车燃油有重大影响。据测算得出，那么每公里二氧化碳排放量可以减小4 g，每辆车每年可以节省燃油23 L，以全国机动车保有量3.6亿辆计算（截至2020年6月），每年可节省燃油600.3万t。

作为轮胎的重要性能指标，滚动阻力和耐磨性能、抗湿滑性能存在着“魔鬼三角”的关系：在通常情况下，这3种性能往往此消彼长，调整三者中任何一项都会导致另外两项的变化。而轮胎的滚动阻力、耐磨性和抗湿滑性都又与橡胶补强剂炭黑息息相关，因此在炭黑性能上进行改进能直接影响轮胎的各方面性能。

1 工艺设计方案

（1）原料油配方以95%煤焦油与5%乙烯焦油进行生产，水分含量≤2.0%；使用新型原油枪头对原料油进行雾化，保证雾化效果；提高空气预热温度，提升原料油裂解效果；原料油在反应炉段内1 600 ℃以上高温燃烧气流混合，使原油充分裂解成炭黑原生粒子。

（2）通过粉末活性硅射流分散技术，将硅格粉和工艺水混合后喷入炭黑反应炉，粉状硅格粉与炭黑原生粒子在高温下化学结合形成—Si—C—与—Si—O—C—短链状结构（图1）。

图1 粉末活性硅射流投加系统工艺流程图

粉末活性硅射流投加系统技术为硅格粉解包后通过气力压送装置输送至料仓，通过料仓中机械破拱、气流破拱装置和料仓下部的犁刀搅拌装置被输送到精密定量的相嵌双螺旋中，经过称重系统和精密定量螺旋计量过的硅格粉进入高速射流混合器的传质腔体中，与射流载体即工艺水瞬间混合，硅格粉在运动过程中被强制分散到射流载体中，并在射流器尾部的扩散器中通过压力变化快速扩散成均匀地悬浊液，输送到压力雾化系统中进入炭黑急冷系统。

通过炭黑的聚集作用，形成双相炭黑聚集体。炭黑烟气经过主袋滤器收集分离，分离出的尾气用于尾气炉供热及锅炉发电，经糖蜜黏合剂对炭黑进行造粒，使炭黑在橡胶中分散均匀。

（3）双相炭黑中硅格粉重量含量控制为10%～50%。根据轮胎应用需求指标，橡胶滚阻炭黑中硅格粉重量含量指标为17±3%。双相炭黑生产工艺，其特征在于硅格粉和工艺水悬浊液中硅格粉浓度15%～25%。

2 化学结合机理

结合后的滚阻炭黑表面继承了硅格粉表面的羟基结构（除与炭黑表面官能团反应后的羟基），邻位羟基形成内氢键，孤立羟基与双重羟基与橡胶分子中的羟基等极性基团形成外氢键，在橡胶内部形成聚合物分子链贯穿橡胶高分子链网络，从而赋予了材料优越的综合性能。

本发明中的使用的硅格粉材料化学结构如下所示（1）：

邻位羟基结构示意图 双重羟基结构示意图

炭黑生成反应中加入硅格粉材料，与炭黑粒子化学结合，其反应式如下（2）：

（2）nC+mSi(OH)→mSiCn/m(OH)

3 实际效果验证：

以下通过具体实施方式进一步对双相炭黑内容进行阐述。年产3万t炭黑生产线采用本装置生产双相炭黑SX系列。

实施案例1

（1）原油配方上选用低水分（水分含量≤2.0%）的煤焦油作为双相炭黑的原料油。

（2）以7 000 kg/h流量的原料油在反应炉段内1 600 ℃以上高温燃烧气流混合，使原油充分裂解成炭黑原生粒子。

（3）由射流系统混合的15%浓度的硅格粉和工艺水悬浊液以5 000 kg/h喷入炭黑反应炉，炭黑与硅格粉在高温下反应生成硅碳结构，通过聚集形成硅碳聚集体。

（4）炭黑烟气经过主袋滤器收集分离出的尾气用于尾气炉供热及锅炉发电，炭黑经造粒干燥后储存。

实施案例2

（1）原油配方上选用低水分（水分含量≤2.0%）的煤焦油作为双相炭黑的原料油；

（2）以7 000 kg/h流量原料油在反应炉段内1 600 ℃以上高温燃烧气流混合，使原油充分裂解成炭黑原生粒子；

（3）由射流系统混合的20%浓度的硅格粉和工艺水悬浊液以5 000 kg/h喷入炭黑反应炉，炭黑与硅格粉在高温下反应生成硅碳结构，通过聚集形成硅碳聚集体。

（4）炭黑烟气经过主袋滤器收集分离出的尾气用于尾气炉供热及锅炉发电，炭黑经造粒干燥后储存。

实施案例3

（1）原油配方上选用低水分（水分含量≤2.0%）的煤焦油作为双相炭黑的原料油；

（2）以7 000 kg/h流量的原料油在反应炉段内1 600 ℃以上高温燃烧气流混合，使原油充分裂解成炭黑原生粒子；

（3）由射流系统混合的25%浓度的硅格粉和工艺水悬浊液以5 000 kg/h喷入炭黑反应炉，炭黑与硅格粉在高温下反应生成硅碳结构，通过聚集形成硅碳聚集体。

（4）炭黑烟气经过主袋滤器收集分离出的尾气用于尾气炉供热及锅炉发电，炭黑经造粒干燥后储存。

验证结果：

以SX71炭黑为例，实验检测结果见表1。

表1 实验结果

5 综上所述

（1）硅格粉与炭黑通过化学键结合，并且保留了硅格粉表面的活性官能团，从而由此生产出的双相炭黑即存在炭黑的补强性，又保留了硅格粉的表面活性，在轮胎应用中实现了高耐磨与低生热性能同时存在的结果，打破了“魔鬼三角”的限制。

（2）硅格粉由自动水射流器分散混合形成悬浊液喷入炭黑反应炉，分散效果均匀，与炭黑结合契合度高，满足双相炭黑的质量设计要求，并且整个系统投料过程自动化程度高，节约了生产劳动力，值得在炭黑行业内进行推广应用。

（3）炭黑行业下阶段创新展望，以非碳材料如硅性、铝性等活性材料弥补炭黑性能形成双相甚至多相炭黑的机理研究与应用试验还需要更多的探索经验，本论文在此只是抛砖引玉，希望各位前辈多多指点。