一种载重轮胎专用沉淀白炭黑的制备方法与流程

本发明属于沉淀水合二氧化硅制备，特别涉及一种载重轮胎专用沉淀白炭黑的制备方法。

背景技术：

1、随着全球物流运输行业快速发展，重型载重轮胎长期在高负荷、高形变、长里程工况下服役，对胎面胶的补强效果、耐磨性、抗撕裂性及批次稳定性的要求，远高于普通乘用轮胎，而沉淀法白炭黑是绿色轮胎的核心补强填料，其比表面积、孔结构、表面特性及分散性能，直接决定载重轮胎的整体服役性能。

2、目前沉淀法白炭黑应用于载重轮胎体系存在以下技术痛点：

3、1、有效补强面积利用率低：普通白炭黑虽然总比表面积较高，但内部微孔闭塞、孔道羟基团聚，橡胶大分子难以浸润，聚合物可及表面积与总比表面积比值仅为0.70～0.80，大量内表面积无法发挥补强作用，导致轮胎高负荷下补强不足、滚动阻力优化效果有限；

4、2、高填充体系分散性差：载重轮胎配方中白炭黑填充量高达70～90份，白炭黑表面硅羟基含量高、极性强，颗粒间氢键作用力大，高填充体系中极易团聚形成硬团，造成胶料力学性能波动、磨耗不均、批次稳定性差，严重影响轮胎使用寿命；

5、3、耐磨与滚阻性能难以平衡：传统白炭黑体系虽然可降低轮胎滚动阻力，但耐磨性能显著低于炭黑体系，无法满足载重轮胎长里程、高负荷的核心使用需求，是其规模化应用的主要瓶颈；

6、4、现有表面改性工艺存在固有缺陷：行业现有改性路径中，在反应前或反应中添加硅烷类改性剂会干扰晶核生长，导致白炭黑粒径粗大、比表面积下降；而湿法改性需新增工序与设备，生产成本高；干法改性仅能包覆颗粒外表面，无法深入微孔内部，聚合物可及表面积与总比表面积比值提升有限，改性均匀性差。

7、且现有技术中，针对硅酸乙酯类硅源改性，本领域存在普遍技术偏见：硅酸乙酯在酸性水相环境中水解速率极快，易发生自聚生成游离二氧化硅硬颗粒，直接破坏产品粒径分布与使用性能，因此行业内硅酸乙酯改性均采用干法后处理工艺，或在中性、碱性水相条件下进行，从未在沉淀反应结束后的酸性老化阶段进行原位接枝改性，导致无法利用水相悬浮状态实现颗粒内外全表面均匀接枝。

8、综上，目前行业缺乏一种可实现白炭黑颗粒内外全表面均匀改性、高有效比表面积、高填充分散性优异、耐磨性能媲美炭黑，且兼容现有量产产线的制备方法，对提升载重轮胎综合性能、降低生产成本具有重要产业价值。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、为了克服现有技术不足，现提出一种载重轮胎专用高比表面积高分散沉淀白炭黑的制备方法，通过精准调控沉淀反应工艺参数构建均一颗粒基体，核心突破在于将硅酸乙酯改性引入沉淀反应后的酸性老化阶段，通过复配水解体系实现酸性环境下可控水解与原位接枝，在不干扰颗粒成核生长的前提下，完成白炭黑外表面与内部微孔的全维度均匀改性，最终产品bet比表面积230±10m²/g、ctab比表面积220±5m²/g，ctab/bet比值稳定在0.93～0.97，高填充橡胶体系中分散均匀，无需后续气流磨打散即可实现窄粒径分布，并可同时实现滚动阻力显著降低、湿地抓地力明显提升、耐磨性能与炭黑相当，全面适配重型载重轮胎、pcr高端乘用车轮胎及高端通用橡胶制品需求，解决了现有技术中存在的一种或多种情况。

3、（二）技术方案

4、本发明通过如下技术方案实现：本发明提出了一种载重轮胎专用沉淀白炭黑的制备方法，包括以下步骤：

5、s1、向反应釜中加入脱盐水作为底液，开启搅拌并恒温至指定温度；以硅酸钠溶液作为碱液，以浓硫酸作为酸液，分别输送至高位计量罐备用；

6、s2、同步开启碱液与酸液进料，控制碱液流率和酸液流率，全程保持反应ph值，恒温下连续反应一定时间，完成白炭黑晶核生成与颗粒生长，形成结构均一的二氧化硅聚集体；

7、s3、并流反应结束后，停止碱液进料，继续滴加酸液，分两步完成酸化：

8、第一步：降低酸液流率并调低悬浮液ph值，保持恒温搅拌，老化一定时间，使颗粒骨架初步稳定；

9、第二步：再次降低酸液流率并继续酸化至ph降低到定量值，后停止加酸；

10、s4、保持恒温与持续搅拌，匀速滴加预先配制好的硅酸乙酯复合水解液，并在一定时间内滴加完成；滴加完成后继续恒温老化一定时间，使硅酸乙酯充分水解并与白炭黑表面、孔道内壁的硅羟基完成缩合接枝；

11、s5、将老化后的悬浮液送入板框压滤机进行压滤洗涤，并控制洗涤终点水电导率和可溶性杂质，最终得到白炭黑滤饼；

12、s6、将白炭黑滤饼加水送入高速制浆机打浆，采用压力式喷雾干燥塔进行干燥，得到成品。

13、2. 根据权利要求1所述的一种载重轮胎专用沉淀白炭黑的制备方法，其特征在于：所述s1中，脱盐水的加入量为85m³，硅酸钠溶液的浓度为3.15±0.05n、模数为3.4～3.5，浓硫酸的质量分数为98%；

14、所述s2中，碱液流率为12.0±0.5m³/h、酸液流率为0.88±0.1m³/h，反应ph值为8.9～9.1，反应时间为120min；

15、所述s3第一步中，酸液流率降低至0.72m³/h，并调节ph值至7.0～7.1，老化时间为10min；

16、所述s3第二步中，酸液流率降低至0.42m³/h，并调节ph值至3.9～4.0；

17、所述s4中，硅酸乙酯复合水解液在30min内滴加完成，恒温老化时间为50～70min。

18、3. 根据权利要求1或2所述的一种载重轮胎专用沉淀白炭黑的制备方法，其特征在于：所述s1至s4均在63.0±1℃的恒温下进行。

19、4. 根据权利要求1或2所述的一种载重轮胎专用沉淀白炭黑的制备方法，其特征在于：所述s5中，洗涤终点水电导率≤480μs/cm，白炭黑滤饼的固含量为22%～26%。

20、5. 根据权利要求1或2所述的一种载重轮胎专用沉淀白炭黑的制备方法，其特征在于：所述s6中，压力式喷雾干燥塔的进风温度为550±30℃、出风温度为105±15℃。

21、6. 根据权利要求1或2所述的一种载重轮胎专用沉淀白炭黑的制备方法，其特征在于：所述s4中，硅酸乙酯复合水解液按质量份配制，配比为：硅酸乙酯32份、无水乙醇45份、去离子水20份、0.5mol/l稀盐酸3份。

22、7. 根据权利要求6所述的一种载重轮胎专用沉淀白炭黑的制备方法，其特征在于：所述s4中，硅酸乙酯复合水解液总添加量为白炭黑理论干基质量的4.2%～5.2%。

23、进一步的，所述s1中，脱盐水的加入量为85m³，硅酸钠溶液的浓度为3.15±0.05n、模数为3.4～3.5，浓硫酸的质量分数为98%；

24、所述s2中，碱液流率为12.0±0.5m³/h、酸液流率为0.88±0.1m³/h，反应ph值为8.9～9.1，反应时间为120min；

25、所述s3第一步中，酸液流率降低至0.72m³/h，并调节ph值至7.0～7.1，老化时间为10min；

26、所述s3第二步中，酸液流率降低至0.42m³/h，并调节ph值至3.9～4.0；

27、所述s4中，硅酸乙酯复合水解液在30min内滴加完成，恒温老化时间为50～70min。

28、进一步的，所述s1至s4均在63.0±1℃的恒温下进行。

29、进一步的，所述s5中，洗涤终点水电导率≤480μs/cm，白炭黑滤饼的固含量为22%～26%。

30、进一步的，所述s6中，压力式喷雾干燥塔的进风温度为550±30℃、出风温度为105±15℃。

31、进一步的，所述s4中，硅酸乙酯复合水解液按质量份配制，配比为：硅酸乙酯32份、无水乙醇45份、去离子水20份、0.5mol/l稀盐酸3份。

32、进一步的，所述s4中，硅酸乙酯复合水解液总添加量为白炭黑理论干基质量的4.2%～5.2%。

33、（三）有益效果

34、上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

35、1、有效补强面积和孔道利用率高：成品bet比表面积稳定在230±10m²/g，ctab比表面积稳定在220±5m²/g，ctab/bet比值可达0.93～0.97，远高于普通沉淀白炭黑0.70～0.80的水平，聚合物可及补强面积利用率提升20%以上，充分满足载重轮胎高负荷下的补强需求；

36、2、高填充分散性优异，批次稳定性大幅提升：全表面原位疏水接枝大幅降低颗粒间氢键团聚作用力，在载重轮胎常用的80phr高填充橡胶配方中分散等级≥9.7级，无硬团、白点；产品批次间bet波动≤±5m²/g，力学性能、磨耗性能波动幅度降低65%以上，适配载重轮胎规模化生产的稳定性要求；

37、3、载重轮胎三大核心性能协同突破：

38、滚动阻力的胶料60℃tanδ降低18%～24%，轮胎滚动阻力系数显著下降，可实现重载车辆节油4%～6%；

39、湿地抓地力的湿滑路面摩擦系数提升17%～21%，可满足欧盟轮胎标签a级湿地抓地标准，大幅提升重载车辆雨天行驶安全性；

40、耐磨性的胎面相对磨耗量与炭黑填充体系基本持平，解决了传统白炭黑“降滚阻但不耐磨”的长期矛盾，满足长途重载轮胎长里程使用寿命要求。

41、4、工艺简洁高效，生产成本更低：改性工序完全嵌入原有酸性老化工序，无需新增设备，单釜生产周期短，生产能耗降低15%以上；硅酸乙酯水解接枝效率＞93%，相比干法喷涂改性剂损耗降低40%，规模化生产综合成本优势显著。