传统沉淀法通常是指以硫酸、盐酸、CO2与水玻璃为基本原料生产白炭黑的生产工艺。
在传统沉淀法生产白炭黑的过程中,可以分成以下几个过程:
第一,在沉淀反应时水玻璃与酸反应,最初生成硅酸,然后自聚成硅酸微粒子。这个过程形成的粒子我们称之为原始粒子,或一次粒子,也就是透射电镜可以看到的SiO2粒子,此时它的确是纳米态粒子;一次粒子大小与合成工艺路线及反应条件有关,实质是硅酸聚合度不同。一般沉淀法白炭黑产品一次粒子粒径均在15~50 nm范围内,但在胶料中表现出高透明性的白炭黑产品,一次粒子在20 nm以下。
第二,这些聚硅酸微粒渐渐长大形成链状水合硅酸聚集体,可以把这些聚集体称为二次粒子;其大小与合成工艺路线及反应条件和搅拌状态有关。
第三,在过滤、洗涤后,滤饼打浆,送入干燥设备中脱水,水合硅酸聚集体变成SiO2颗粒产品,称之为三次粒子;为干燥脱水时产生的团聚颗粒。其大小不仅与合成工艺有关,在工艺一定的情况下,基本由干燥设备选型决定。
第四,如果将沉淀法白炭黑产品再次粉碎,所得到的白炭黑产品应称之为四次粒子了。四次粒子大小主要与粉碎设备选型有关,机械粉碎可以使粒子在45 μm左右,而气流粉碎则可得到微米级粒子,习惯上称之为超细SiO2。
由于传统沉淀法生产过程中存在二次粒子形成及干燥脱水的团聚问题(生成三次粒子),因此不可能得到纳米态SiO2微粒的。即使采用先进的超细粉碎手段,也只能得到微米级的SiO2粉体。
如果仅根据白炭黑生产过程中透射电镜照片显示其粒径为15~20 nm,即将其视为纳米材料,显然是错误的。原因是:
1、传统沉淀法生产白炭黑在使用透射电镜测定其粒径时,首先要对样品进行预处理,一般是在分散液内采用超声波技术使之分散。因此,测得的粒径是强制分散后的粒径,通常称之为原始粒子,而不代表成品粒径。
2、传统沉淀法白炭黑在橡胶中经混炼后,并不能使沉淀法白炭黑分散成100 nm以下的粒子。据国外研究表明,在胶料中分散后的白炭黑粒子,也就是真正与胶料交联起补强作用的粒子粒径在250~500 nm的范围内。
3、传统沉淀法白炭黑的原始粒子虽为15~20 nm,但在表面羟基作用下已形成聚集体颗粒,因而无法表现出纳米材料应有的特性。