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眾所周知，二氧化硅在自然界中分布極廣。天然產(chǎn)物包括沙子、水晶、石英砂、硅微粉、硅藻土等，自古代起，人們就開始對泥土沙石中的二氧化硅穩(wěn)定的化學(xué)性能在建筑、器具加工等領(lǐng)域加以利用，但不管是直接使用還是經(jīng)過簡單的加工處理，其物化性能都不能算優(yōu)異，因此天然產(chǎn)物的應(yīng)用領(lǐng)域相對有限，更無法跟上社會進(jìn)步的發(fā)展步伐?，F(xiàn)在用途最廣的是化學(xué)制備的二氧化硅產(chǎn)品——白炭黑。工業(yè)合成的二氧化硅按其生產(chǎn)技術(shù)的不同可分為兩個大的類別，一種是沉淀法白炭黑，另一種則是氣相法白炭黑。

什么是白炭黑?

白炭黑是一種無定形的硅酸和硅酸鹽總稱，主要是指沉淀二氧化硅、氣相二氧化硅和超細(xì)二氧化硅凝膠，也包括粉末狀合成硅酸鋁和硅酸鈣等。是一種白色、無毒、無定形微細(xì)粉狀或粒狀物，其 SiO2 含量較高（大于 90%），原始粒徑一般為 5～40nm，因表面含有較多羥基，易吸水而成為聚集的細(xì)粒。

白炭黑熔點(diǎn)為 1750℃。不溶于水和酸，溶于強(qiáng)堿和氫氟酸，具有多孔性，內(nèi)表面積大、高分散性、質(zhì)輕、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、不燃燒、無毒無味以及電絕緣性好等優(yōu)異特性。白炭黑的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用性能與炭黑相似，因其具有對橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用且二氧化硅外觀是白色，故又俗稱白炭黑，在橡膠、輪胎、制鞋、飼料、塑料、造紙、涂料、化妝品、牙膏以及油墨等方面具有廣泛的應(yīng)用。

沉淀法白炭黑和氣相法白炭黑都有成熟的工藝，通過調(diào)整工藝參數(shù)，現(xiàn)已出現(xiàn)數(shù)十種產(chǎn)品，可適應(yīng)各個領(lǐng)域的不同需求。在工業(yè)應(yīng)用中，沉淀法白炭黑雖然用量比較大，但是氣相法白炭黑的應(yīng)用領(lǐng)域卻更廣。由于氣相法白炭黑復(fù)雜的合成工藝和優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性和觸變性等產(chǎn)品性能，氣相法白炭黑產(chǎn)品在眾多學(xué)科及領(lǐng)域內(nèi)均有著不可取代的作用，也因此在市場上的售價最高。


 

中國沉淀法白炭黑發(fā)展歷程

1958 年，第一套沉淀法白炭黑工業(yè)化裝置在廣州人民化工廠建成投產(chǎn)，但產(chǎn)能規(guī)模較小。到 1984 年全國共有沉淀法白炭黑企業(yè)十多家，年生產(chǎn)能力不足4000噸，產(chǎn)量為不足3000噸。80 年代國內(nèi)膠鞋生產(chǎn)的迅速發(fā)展帶動了白炭黑的市場需求，1989年南昌引進(jìn)的萬噸級白炭黑裝置投產(chǎn)后，1990 年全國沉淀法白炭黑年生產(chǎn)能力提高到 3 萬噸，產(chǎn)量提高到 2 萬噸。

經(jīng)過長期的起步發(fā)展，我國沉淀法白炭黑行業(yè)在上世紀(jì) 90 年代開始迅速發(fā)展，到 2007 年我國沉淀法白炭黑生產(chǎn)工藝從高濃度硫酸法取代稀硫酸法，實(shí)現(xiàn)了在一個反應(yīng)釜內(nèi)完成全部反應(yīng)過程，并以蒸汽直接加熱取代了蒸汽夾套間接加熱的方式。工藝技術(shù)的發(fā)展不僅提高了熱效率，且有利于采用大型反應(yīng)釜和DCS計(jì)算機(jī)控制。

2007 年，全國直接從事沉淀法白炭黑生產(chǎn)的廠家共有 49 家（不包括購買沉淀法白炭黑產(chǎn)品進(jìn)行超細(xì)加工或改性的廠家），總生產(chǎn)能力為83.95 萬噸，實(shí)際產(chǎn)量 64.38 萬噸，生產(chǎn)能力和產(chǎn)量均居世界第一位。在經(jīng)歷了一段高速發(fā)展階段后，我國沉淀法白炭黑市場供需基本平衡，2007年后國內(nèi)沉淀法白炭黑行業(yè)整體表現(xiàn)為產(chǎn)能增加、競爭激烈、售價較低、利潤下滑，行業(yè)并購整合加速，產(chǎn)品生產(chǎn)向大型化方向發(fā)展。與此同時，我國白炭黑產(chǎn)品品種有所發(fā)展，輪胎行業(yè)對白炭黑的需求成為白炭黑行業(yè)新的增長點(diǎn)。

我國氣相法白炭黑生產(chǎn)始于上世紀(jì) 60 年代，長期以來由于原料和技術(shù)的問題，直到 90 年代初期，只有沈陽化工廠和上海氯堿廠兩家企業(yè)小規(guī)模的生產(chǎn)，國內(nèi)需求主要依靠進(jìn)口。直到后來氣相法白炭黑開始大量用于民用工業(yè)，如硅橡膠、聚酯、密封膠、涂料、油墨等領(lǐng)域，1994年以廣州吉必時科技實(shí)業(yè)公司為代表的一批國內(nèi)企業(yè)陸續(xù)投產(chǎn)了氣相法白炭黑項(xiàng)目，國內(nèi)氣相法白炭黑就此進(jìn)入快速發(fā)展階段。
 

白炭黑在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

橡膠業(yè)

在橡膠中起交聯(lián)作用做補(bǔ)強(qiáng)劑。氣相白炭黑對硅橡膠補(bǔ)強(qiáng)的影響膠料的機(jī)械性能強(qiáng)烈地受到氣相白炭黑比表面積和粒徑的影響，氣相白炭黑粒子越細(xì)，它的比表面積就越大，一般隨比表面積增大，橡膠制品的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均增大，但回彈性降低，撕裂強(qiáng)度降低，且不耐磨，混煉時分散困難，操作性能就越差，生熱高，膠料門尼粘度大，易焦燒。反之它的粒子粗些，比表面積也小，補(bǔ)強(qiáng)效果就差，但操作性就要好一些。隨著比表面積的增大，膠料的粘度和定伸應(yīng)力顯著提高，硅橡膠的硬度和拉伸強(qiáng)度也隨之逐漸增大，斷裂伸長率減小。因此，不同配方或不同用途要求比表面積也不一樣，比表面積對硫化橡膠物理機(jī)械性能的影響不是始終如一的。與用氣相白炭黑補(bǔ)強(qiáng)的硅橡膠膠料相比，用沉淀白炭黑補(bǔ)強(qiáng)的膠料機(jī)械強(qiáng)度稍低，介電性能，特別是受潮后的介電性能較差，但耐熱老化性能較好，混煉膠的成本要低得多。當(dāng)對制品的機(jī)械強(qiáng)度要求不高時，可用沉淀白炭黑或使之與氣相白炭黑并用。 

油漆涂料

可作為增稠劑、觸變劑、分散劑、流量控制劑和防沉劑，能使制劑色澤鮮艷，增加透明感。其產(chǎn)生增稠性和觸變性的原因是由于氣相法白炭黑表面具有很多高活性的硅羥基，表面的硅羥基一般以孤立羥基、相鄰羥基和雙重羥基形式存在。表面硅羥基能夠通過液體中的極性分子直接或間接產(chǎn)生相互作用。氫鍵作用使分散于體系中的二氧化硅聚集體連接成為一個完整的二氧化硅網(wǎng)絡(luò)充滿于整個體系，使得體系的粘度增加從而起到增稠性。

由于氫鍵作用力非常弱，當(dāng)體系受到剪切力作用的時候，氫鍵可以被破壞，因此二氧化硅網(wǎng)絡(luò)也被破壞，導(dǎo)致體系的粘度在剪切力作用下而變小；而一旦剪切力消失，二氧化硅網(wǎng)絡(luò)又可以再次形成，體系的粘度又恢復(fù)到最初的狀態(tài)，從而體現(xiàn)出觸變性。

由于固體物質(zhì)粒子會發(fā)生團(tuán)聚和結(jié)塊，因此包裝/儲藏和以粉狀形式傳遞就變得非常困難，此時可以添加氣相法白炭黑解決這個問題。氣相法白炭黑的小粒徑和多孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出高表面能，使其吸附在涂料粉體的表面，并在粉體表面形成一個表層，提高粉料的分散性，覆蓋粉體顆粒時也可減少水份的吸附，這樣可防止流動時結(jié)塊。
 

塑料

可提高材料的強(qiáng)度、韌性，明顯提高防水性和耐老化性。利用氣相白炭黑透光、粒度小，可以使塑料變得更加致密。在聚苯乙烯塑料薄膜中添加氣相白炭黑后，不但提高其透明度、強(qiáng)度、韌性，而且防水性能和抗老化性能也明顯提高。通過在普通塑料聚氯乙烯中添加少量氣相白炭黑后生產(chǎn)出的塑鋼門窗硬度、光潔度和抗老化性能均大幅提高。利用氣相白炭黑對普通塑料聚丙烯進(jìn)行改性，主要技術(shù)指標(biāo)(吸水率、絕緣電阻、壓縮殘余變形、撓曲強(qiáng)度等)均達(dá)到或超過工程塑料尼龍6的性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了聚丙烯配件替代尼龍6使用，產(chǎn)品成本大幅下降，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分顯著。

食品加工

食品級白炭黑利用表面的孔徑，可吸附空氣中的水汽，防止食品在儲存期間受潮結(jié)塊，能保證食品長時間保存，如速溶固體飲品、膨化食品和調(diào)味品。

醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)

白炭黑有較高比表面，具有高吸附和促進(jìn)流動的特性，可作為理想的醫(yī)藥和農(nóng)藥載體。在農(nóng)藥中能大量吸收殺蟲劑農(nóng)藥。白炭黑具有生理惰性，高吸收性、分散性和增稠性，在藥物制劑中得到廣泛的應(yīng)用，例如：維生素E粉現(xiàn)大量使用白炭黑作載體。目前，白炭黑主要應(yīng)用于各類可濕性粉劑。


 

化妝品和日用品

白炭黑可增加粘度、提高整體穩(wěn)定性、耐溫性，可以促進(jìn)色素均勻分布，應(yīng)用在口紅中還可防脫色。在牙膏中的應(yīng)用方面白炭黑具有良好相容性與物理性能，白炭黑吸附性強(qiáng)，把白炭黑作為牙膏磨擦劑能潔齒、去除牙菌斑。

造紙和打印

白炭黑可以提高紙張的白度、使紙張質(zhì)量輕化適合高速印刷。白炭黑在油墨中主要起增稠作用，用于控制印刷油墨的流量。還用于控制打印機(jī)油墨的流量，使它不能任意流動或流掛，以獲得清晰的打印。 

白炭黑發(fā)展預(yù)期

按制造方法分類，白炭黑可分為沉淀白炭黑和氣相法白炭黑，其中沉淀法白炭黑是國內(nèi)白炭黑市場的主流，占據(jù)著市場90%以上的份額。沉淀白炭黑可作為補(bǔ)強(qiáng)劑用于橡膠制品和輪胎，也可作為分散劑和載體應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、固體消防材粹、涂料及油墨中，還可以作為載體或流動助劑用在農(nóng)藥、飼料等，在市場有著較為廣闊的應(yīng)用空間。

近年來，隨著國內(nèi)橡膠、塑料制品領(lǐng)域?qū)Π滋亢谛枨蟛粩嘣龃螅沟脟鴥?nèi)白炭黑市場得到快速發(fā)展，產(chǎn)品產(chǎn)量也呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢。從2012年的135萬噸發(fā)展到2018年，我國白炭黑商業(yè)產(chǎn)量已經(jīng)增長至240萬噸以上，與上一年225萬噸的產(chǎn)量相比，增長了約6.6個百分點(diǎn)。未來隨著下游領(lǐng)域?qū)Π滋亢谛枨蟮倪M(jìn)一步擴(kuò)大，其產(chǎn)量仍有很大的增長空間，預(yù)測2020年我國白炭黑產(chǎn)量將有望突破270萬噸?？梢钥闯?，我國白炭黑市場未來仍具有一定發(fā)展?jié)摿Α?/span>
 

作為綠色輪胎的必備原材料，沉淀法白炭黑市場隨著我國輪胎行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級而快速發(fā)展起來。2018年以來，近年來我國輪胎產(chǎn)量有所下滑，在2018年已經(jīng)下降至8.2億條左右，因此我國輪胎行業(yè)急需進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級。隨著國家對輪胎產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保要求的提高，特別是對汽車節(jié)油有較大影響的輪胎滾動阻力等質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)要求的提高，輪胎中白炭黑的添加量必然會大幅增加，對白炭黑產(chǎn)品的需求量也將得到進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，未來白炭黑在我國輪胎行業(yè)的應(yīng)用需求將會存在著很大的增長空間。

白炭黑產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域相對廣泛，主要應(yīng)用于橡膠、輪胎、塑料制品、涂料以及化妝品等領(lǐng)域，隨著下游市場需求的不斷擴(kuò)大，我國白炭黑市場呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。作為綠色輪胎的必備原材料，白炭黑隨著國家對輪胎產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保要求的提高，其市場需求也在進(jìn)一步擴(kuò)大，整個市場在未來仍有著相當(dāng)廣闊的發(fā)展空間。