專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高純度炭黑及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種炭黒，特別涉及一種高純度炭黑。
背景技術(shù)：
炭黑是烴類(lèi)物質(zhì)經(jīng)不完全燃燒或裂解生成的。炭黑用途廣泛，除用于橡膠制品補(bǔ)強(qiáng)外，還可用于其它材料，如涂料、油漆、油墨、墨粉、電子產(chǎn)品、塑料、纖維、電池等，賦予制品所需的著色、導(dǎo)電性能。此外，炭黑還可以作為冶金エ業(yè)的重要原料。炭黑的純凈度可以分為物理純凈度和化學(xué)純凈度兩類(lèi)。物理純凈度是指炭黑中的雜質(zhì)，包括焦粒和其它機(jī)械夾雜物、含量的多少，通常采用45 μ m篩余物來(lái)測(cè)定。橡膠用炭黑標(biāo)準(zhǔn)允許45 μ m篩余物彡O. 10%,即彡1000 ppm, 一般產(chǎn)品實(shí)際在200 ppm左右，即 本申請(qǐng)所述的“普通炭黒”。提高物理純凈度主要途徑有兩個(gè)一個(gè)是從生產(chǎn)エ藝入手，采用防腐蝕材料制造的設(shè)備和純凈度較高的原料油，強(qiáng)化原料油的霧化和微米粉碎過(guò)程，以生產(chǎn)篩余物較低的炭黑；另一個(gè)則是對(duì)炭黑產(chǎn)品進(jìn)行超細(xì)粉碎和分級(jí)處理?；瘜W(xué)純凈度是指炭黑產(chǎn)品中，硫、金屬、多環(huán)芳烴和苯并芘含量的多少。高化學(xué)純凈度的炭黑，可以通過(guò)對(duì)炭黑進(jìn)行化學(xué)液相純化，即酸洗來(lái)得到，但該方法需要后續(xù)的干燥處理，生產(chǎn)成本很高，而且還容易出現(xiàn)污染問(wèn)題。隨著科技的發(fā)展和人類(lèi)需求的不斷提高，對(duì)于炭黑的純度要求越來(lái)越高。在電池領(lǐng)域，高純度導(dǎo)電炭黑是動(dòng)カ鋰離子電池不可缺少的添加剤，其性能直接關(guān)系到動(dòng)カ鋰離子電池性能和技術(shù)的發(fā)展。動(dòng)カ鋰離子電池比容量和壽命的提高與電池內(nèi)阻和負(fù)極材料活性有直接的關(guān)系，而電池內(nèi)阻的大小直接決定于所采用的導(dǎo)電劑——炭黑的性能。動(dòng)カ電池在應(yīng)用中采用反復(fù)、快速充電的大電流充放電方式工作。炭黑中的不純物，如無(wú)機(jī)鹽ー類(lèi)的物質(zhì)，在電解液中會(huì)離解出金屬離子。電池中發(fā)生的反應(yīng)非常復(fù)雜，在反復(fù)充放電后金屬離子會(huì)解析成金屬。這些金屬的存在一方面會(huì)降低二次電池的容量，同時(shí)析出的金屬會(huì)形成“枝晶”刺破隔膜造成瞬間短路而產(chǎn)生大量熱量引發(fā)爆炸。因此，高純導(dǎo)電炭黑是決定動(dòng)カ電池的安全可靠性和使用壽命的重要因素。目前,瑞士伯奧地的Timcal (特密高)石墨與碳化學(xué)公司采用特殊的エ藝,控制炭黑生產(chǎn)中的氣體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)條件較低的流速、不加急冷水淬熄和無(wú)添加剤，生產(chǎn)出的ENSACO和SUPER P系列導(dǎo)電炭黑產(chǎn)品具有極高的純度(其金屬雜質(zhì)含量低于50ppm，灰分低于O. 1%)，廣泛用于鋰電池中。但該生產(chǎn)エ藝對(duì)生產(chǎn)原料、設(shè)備、エ藝的要求都特別高，使得生產(chǎn)成本居高不下。國(guó)內(nèi)導(dǎo)電炭黑產(chǎn)品主要有三類(lèi)。ー類(lèi)是重油造氣副產(chǎn)炭黑，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，但由于是副產(chǎn)物，純度不高、產(chǎn)量有限。第二類(lèi)是こ炔黑，こ炔黑是以こ炔氣體為原料生產(chǎn)的導(dǎo)電性好的炭黒，但能耗高、污染大，而且這類(lèi)炭黑粒徑過(guò)大，具有多孔的微觀結(jié)構(gòu)，在鋰電池充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的膨脹或收縮，導(dǎo)致鋰鹽脫落而使電池容量迅速衰減。第三類(lèi)是油爐法導(dǎo)電炭黑，油爐法導(dǎo)電炭黑具有很好的導(dǎo)電性和分散性，但是受原料和生產(chǎn)エ藝的限制，產(chǎn)品純度低，不能滿足動(dòng)力鋰電池導(dǎo)電劑的要求。
在食品行業(yè)，與食品接觸的塑料著色、兒童玩具、塑料餐碟、烹飪用品等要求采用食品級(jí)高純度色素炭黒。美國(guó)食品及藥品管理局(FDA)過(guò)去規(guī)定與食品接觸的塑料的著色劑只允許使用槽法炭黑，現(xiàn)在已允許使用高純度爐法炭黒。其純度要求是在炭黑中多環(huán)芳烴(PAHs)彡O. 5 ppm ;苯并芘彡5. O ppb ;在塑料中的添加量彡2. 5 % (質(zhì)量)。食品級(jí)炭黑主要有美國(guó)卡博特公司生產(chǎn)的Black Pearls 4350和Monarch 4750，哥倫比亞公司開(kāi)發(fā)的Pure black 100 Carbon和115 Carbon,德國(guó)德固賽公司開(kāi)發(fā)的]3RINTEX F alpha等，國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)爐法食品級(jí)炭黑生產(chǎn)的報(bào)道。在硬質(zhì)合金等冶金行業(yè)也要求炭黑純度高(含碳量>99%)，硫含量低，灰分及其他有害雜質(zhì)含量極微。目前冶金用炭黑通常是以經(jīng)脫硫后的天然氣為原料生產(chǎn)，生產(chǎn)設(shè)備主要采用不銹鋼，生產(chǎn)エ藝用水要求經(jīng)過(guò)凈化處理，使得生產(chǎn)成本較高。因此，開(kāi)發(fā)一種生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)方法簡(jiǎn)單可控的高純度的炭黑對(duì)于電池領(lǐng)域、食品領(lǐng)域或者硬質(zhì)合金等領(lǐng)域來(lái)說(shuō)都是ー種迫切的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的目的之一在干針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)方法簡(jiǎn)單可控的高純度炭黑的生產(chǎn)方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的一種高純度炭黑的生產(chǎn)方法，其特征在于依次包括以下步驟，
(O將普通炭黑放入密閉的加熱裝置中；密閉的加熱裝置可以采用高溫加熱爐等裝
置；
(2)將加熱裝置抽真空后，再通入含有氯元素的純化劑，升溫至900 3500°C;為了防止在有空氣的情況下炭黑被氧化，所以在進(jìn)行純化反應(yīng)前使反應(yīng)裝置保持真空狀態(tài)，以防止新雜質(zhì)的引入；
(3)在900 3500°C下，保溫至少5分鐘；
(4)再向加熱裝置中通入惰性氣體；為了排除體系引入的鹵族元素，所以通入惰性氣
體；
(5)加熱裝置冷卻至室溫，關(guān)閉前述的純化劑和惰性氣體，即得。作為優(yōu)選第(2)步驟中抽真空至IOOPa或IOOPa以下?？諝馊コ綇氐?，炭黑在氣相純化反應(yīng)過(guò)程中被氧化的幾率和比例越小，有利于減少炭黑在純化過(guò)程中的損失，提高炭黑收率和質(zhì)量，但真空度越大越會(huì)增大生產(chǎn)時(shí)間和成本，發(fā)明人通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，確定真空度為IOOPa及其以下是純化效果和成本之間的最優(yōu)平衡。作為優(yōu)選第(2)步驟中所述純化劑為氯氣、ニ氯ニ氟甲烷、四氯化碳中的至少ー種。作為優(yōu)選第(4)步驟中所述惰性氣體為氬氣或氮?dú)?。本發(fā)明中氣相化學(xué)凈化處理是獲得高純炭黑的關(guān)鍵。打破常規(guī)的磁鐵純化或化學(xué)液相純化工藝，根據(jù)炭黑的高溫穩(wěn)定性，通過(guò)控制高溫純化溫度和時(shí)間，以及純化劑的流量，可以根據(jù)處理的炭黑的量和高溫浄化爐容積的大小來(lái)確定，對(duì)普通炭黑進(jìn)行純化處理，使灰分、揮發(fā)份和金屬雜質(zhì)以氣態(tài)形式被排出高溫處理系統(tǒng)，從而獲得高純度炭黒。在本發(fā)明中，對(duì)普通炭黑進(jìn)行純化的基本原理是由于炭黑的主要成分是碳，在高溫下具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，炭黑中的水分、有機(jī)組分可以在高溫下被氣化，并通過(guò)載氣帶出爐體。因此，炭黑中的灰分和金屬雜質(zhì)是影響純化效果的關(guān)鍵。本申請(qǐng)的發(fā)明人通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，篩選出了合適的純化劑，該類(lèi)純化劑具有很強(qiáng)的反應(yīng)活性，在高溫下可以將炭黑中的金屬等雜質(zhì)氧化生成具有較低熔點(diǎn)的物質(zhì)，低熔點(diǎn)的物質(zhì)氣化后便可離開(kāi)炭黑，使炭黑得到純化。具體來(lái)講，炭黑中的水分和有機(jī)組分通過(guò)揮發(fā)或分解，而其它雜質(zhì)則與含有氯元素的純化劑反應(yīng)后以氯化物的形式被帶出爐體。在900°C以上有利于炭黑中雜質(zhì)的氯化，因?yàn)槁扰c金屬等雜質(zhì)在高溫下具有很強(qiáng)的反應(yīng)活性。鐵是炭黑中的主要金屬雜質(zhì)，金屬氯化物具有較低的熔點(diǎn)，金屬氯化物一旦形成，它們就會(huì)被氣化離開(kāi)炭黑從而促進(jìn)純化的繼續(xù)進(jìn)行。因?yàn)橛休d氣的推動(dòng)作用，所以熱力學(xué)條件也有利于金屬氯化物的自發(fā)去除。同理，其它金屬雜質(zhì)也得以去除。本發(fā)明生產(chǎn)的高純度炭黑，其水分含量很低，灰份含量在IOOppm以下，45μπι篩余物可達(dá)到20 ppm以下；金屬雜質(zhì)含量極低,特別是Fe含量在50ppm以下。
采用本方法生產(chǎn)高純炭黑，生產(chǎn)エ藝簡(jiǎn)單，操作性強(qiáng)，可以迅速推廣應(yīng)用。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明開(kāi)發(fā)的高純度炭黒，既可滿足能源領(lǐng)域電池的需要，同時(shí)也可用于食品、冶金制品，提高我國(guó)相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)含量和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明。為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一歩詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用干限定本發(fā)明。實(shí)施例I
取I kg普通炭黑A，裝入石墨容器中后再放入高溫浄化處理裝置，將高溫浄化裝置抽真空至IPa后，通入氯氣和ニ氯ニ氟甲烷作為氣相純化劑(流量為O. 02升/秒)，升溫至9500C;在950°C下，保溫30小時(shí)后將純化劑切換為氬氣(流量為O. 01升/秒)，保溫5小時(shí)以排除殘留的鹵素物質(zhì)；最后隨爐冷卻至室溫，關(guān)閉氬氣即得高純炭黑B。炭黑A，B主要雜質(zhì)及其含量見(jiàn)表I。實(shí)施例2
取10 kg普通炭黑C，裝入石墨容器中后再放入高溫浄化處理裝置，將高溫浄化裝置抽真空至10 Pa后，再通入氯氣作為氣相純化劑(流量為O. 12升/秒)，升溫至2000°C ;在2000°C下，保溫10小時(shí)后將純化劑切換為氬氣(流量為O. 05升/秒)，保溫3小時(shí)以排除殘留的鹵素物質(zhì)；最后隨爐冷卻至室溫，關(guān)閉氬氣即得高純炭黑D。炭黑C，D主要雜質(zhì)及其含量見(jiàn)表I。實(shí)施例3
取20 kg普通炭黑E，裝入石墨容器中后再放入高溫浄化處理裝置，將高溫浄化裝置抽真空至20 Pa后，再通入四氯化碳和氯氣作為氣相純化劑(流量為O. 16升/秒)，升溫至25000C;在2500°C下，保溫5小時(shí)后將純化劑切換為氮?dú)?流量為O. I升/秒)，保溫I小時(shí)以排除殘留的鹵素物質(zhì)；最后隨爐冷卻至室溫，關(guān)閉氮?dú)饧吹酶呒兲亢贔。炭黑E，F(xiàn)主要雜質(zhì)及其含量見(jiàn)表I。實(shí)施例4
取30kg普通炭黑G，裝入石墨容器中后再放入高溫浄化處理裝置，將高溫浄化裝置抽真空至50 Pa后，再通入氯こ烯作為氣相純化劑(流量為0.4升/秒)，升溫至3000°C ;在3000°C下，保溫5小時(shí)后將純化劑切換為氦氣(流量為O. I升/秒)，保溫I小時(shí)以排除殘留的鹵素物質(zhì)；最后隨爐冷卻至室溫，關(guān)閉氮?dú)饧吹酶呒兲亢贖。 炭黑G，H主要雜質(zhì)及其含量見(jiàn)表I。
實(shí)施例5
取50 kg普通炭黑I，裝入石墨容器中后再放入高溫浄化處理裝置，將高溫浄化裝置抽真空至100 Pa后，再通入四氯化碳和ニ氯ニ氟甲烷作為氣相純化劑(流量為0.8升/秒)，升溫至3500°C ;在3500°C下，保溫O. 5小時(shí)后將純化劑切換為氮?dú)?流量為O. 2升/秒)，保溫O. 5小時(shí)以排除殘留的鹵素物質(zhì)；最后隨爐冷卻至室溫，關(guān)閉氮?dú)饧吹酶呒兲亢贘。炭黑I，J主要雜質(zhì)及其含量見(jiàn)表I。表I炭黑高溫浄化處理前后雜質(zhì)含量
雜質(zhì)S含實(shí)施例I實(shí)施例2實(shí)施例3實(shí)施例4實(shí)施例5
MABCDEFGHIJ
水分,/K2.60 0.061.2 0.041.70 0.051.50 0.040.50 0.02
灰分/ 0.60 0.0030.4 0.0020.50 0.0010.50 0.0020.20 0.001
45 Wm 篩余290 18100 16450 17210 15150 10 物/ΡΙ
Fe ^ I1217 391386 18983 15327 11196 8 /H
權(quán)利要求
1.一種高純度炭黑的生產(chǎn)方法，其特征在于依次包括以下步驟， (1)將普通炭黑放入密閉的加熱裝置中； (2)將加熱裝置抽真空后，再通入含有氯元素的純化劑，升溫至900 3500°C； (3)在900 3500°C下，保溫至少5分鐘； (4)再向加熱裝置中通入惰性氣體； (5)加熱裝置冷卻至室溫，關(guān)閉前述的純化劑和惰性氣體，即得。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種高純度炭黑的生產(chǎn)方法，其特征在于第(2)步驟中抽真空至IOOPa或IOOPa以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種高純度炭黑的生產(chǎn)方法，其特征在于第(2)步驟中所述純化劑為氯氣、ニ氯ニ氟甲烷、四氯化碳中的至少ー種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種高純度炭黑的生產(chǎn)方法，其特征在于第(4)步驟中所述的惰性氣體為氬氣或氮?dú)狻?br> 5.權(quán)利要求I至4任意一項(xiàng)所述的生產(chǎn)方法所制得的高純度炭黒。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高純度炭黑的生產(chǎn)方法，其主要步驟包括將普通炭黑加入密閉的加熱裝置并抽真空、再通入含有氯元素的純化劑，升溫至900～3500℃、保溫至少5分鐘、再向加熱裝置中通入惰性氣體，并公開(kāi)上述方法制得的炭黑，本發(fā)明生產(chǎn)的高純度炭黑，其水分含量很低，灰份含量在100ppm以下，45μm篩余物可達(dá)到20ppm以下；金屬雜質(zhì)含量極低，特別是Fe含量在50ppm以下；既可滿足能源領(lǐng)域電池的需要，同時(shí)也可用于食品、冶金制品，提高我國(guó)相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)含量和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。
文檔編號(hào)C09C1/56GK102702801SQ201210174548
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者劉敏, 張質(zhì), 李兵紅, 范正平 申請(qǐng)人:中橡集團(tuán)炭黑工業(yè)研究設(shè)計(jì)院