一種適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備方法及其製備裝置的製作方法

2023-06-04 01:28:21 1

專利名稱：：一種適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備方法及其製備裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備方法及其製備裝置。
背景技術：
：炭黑是以含碳原料(主要為石油)經不完全燃燒而產生的微細粉末。外觀為純黑色的細粒或粉狀物。炭黑作為著色劑用於中性筆用墨水的製造時具有以下特點1.炭黑是最好的黑色顏料。2.炭黑幾乎是最廉價的顏料。3.炭黑是著色力及遮蓋力最強的顏料。4.炭黑的色度在視覺感官上呈中性。5.炭黑具有耐久性優良的特點，是最穩定的顏料、耐熱、耐化學品、耐光。6.炭黑顏色的深淺，粒子的細度，比重的大小，均隨所用原料和製造方法的不同而有差異。作為一種顏料，炭黑被廣泛應用於墨水及色漿製造領域。隨著社會科技水平的不斷發展，特別是隨著環境保護要求的提高，在色漿中使用很多溶劑在使用過程中受到了限制，因此在墨水及色漿製造領域中，製造水性色漿已逐步取代溶劑型色漿成為人們的主要選擇。將炭黑穩定地分散在水中，需要提高炭黑的親水性能，因此對炭黑進行改性以適應水體系穩定性的需要成為人們研究的一個熱點課題。液相氧化法是色素炭黑最早使用的表面氧化改性的方法，可用硝酸、高錳酸鉀、氯酸鈉、次氯酸鈉水溶液和溴水溶液等對炭黑進行表面氧化改性。以硝酸為代表的液相氧化法，雖然能使羧基官能團增加，顯著提高炭黑在水中的分散性，但在實際的工業化生產中，由於氧化效率低、成木高、工藝過程複雜，尤其是氧化後的炭黑需用水二次洗淨處理，造成嚴重環境汙染，因而此法在發達國家己被淘汰，我國也正在逐步淘汰此法。催化氧化法是利用催化劑對炭黑進行催化氧化的方法。國外報導了使用TiCl4、V0C13、Cr0Cl4等金屬催化劑對炭黑進行氣相催化氧化實驗，結果表明，利用催化劑氧化炭黑可以提高炭黑表面含氧官能團含量，尤以Cr為佳，其最佳反應溫度為25(TC左右，當氧化溫度再高時，炭黑表面的含氧官能團就會分解，生成C0和C02，導致含氧官能團含量下降。目前催化劑氧化炭黑的研究還處於實驗室水平，關鍵因素是未研究出價格便宜、反應溫度低(室溫下)、氧化效率高，便於工業開發的高效能、低消耗的催化劑。等離子體表面氧化改性技術是80年代發展起來的一項新技術，目前在材料表面改性中已得到較為廣泛的應用，如改進材料的粘接性能、親水性能和親油性能等。而對炭黑粉體表面氧化改性最常見的是對炭黑進行低溫等離子體氧化，其主要過程是將極性基團引入炭黑表面，使其表面極性化，如以高頻電暈放電，製造以02為主的等離子體處理炭黑。經此處理後的炭黑顯酸性，並且在水中的分散性優良，而未經改性的炭黑在水中的分散性不佳，易產生沉降。常用的等離子體有空氣、氧氣等離子體、NO低溫等離子體等。炭黑等離子體氧化法目前也處於實驗研究階段，其工業化的主要技術難點在於如何降低能耗，使炭黑在反應器內均勻氧化以及實現連續化生產等問題。氣相氧化法是當今世界色素炭黑表面氧化改性工業化生產普遍採用的方法。氣相氧化往往使用氧化性氣體如空氣、氧氣、氮氧化合物及臭氧等對炭黑進行表面氧化改性處理。用空氣、氧氣等氣體為氧化劑進行氣相氧化炭黑得到的產品，其表面含氧官能團含量相對較低，主要原因是氧化反應一般要在400。C以上進行，而處於該溫度下的部分含氧官能團己不穩定，分解生成C0和C02。因此，以空氣、氧氣等氣體為氧化劑來氧化炭黑的方法己基木停止使用。同樣，以氮氧化合物為氧化劑，由於氣源限制、成本高及環境汙染等缺陷，也很少採用。臭氧為己知最強的氧化劑之一，僅次於氟，可以氧化大多有機物、無機物。臭氧與其它氧化性物質氧化性強弱對比如下氟>氫氧根〉臭氧>過氧化氫〉高錳酸根〉二氧化氯>次氯酸>氯氣>氧氣，臭氧穩定性極差，在常溫下可自行分解為氧氣，1%濃度以下臭氧在空氣(常溫常壓)中的半衰期為半個小時左右，隨溫度的升高，分解速度加快，當溫度達到27(TC高溫時可立即轉為氧氣。以臭氧為氧化劑，因具有氣體來源方便、氧化效率高、反應條件溫和(室溫下)、成本低等優點，為當今世界普遍使用，由於其分解快而沒有殘留物質存在，因此臭氧氧化工藝有利於環境保護。2001年，中科院化工冶金研究所呂雪松、王兆霖、李洪鐘等人進行臭氧在超細炭黑表面改性中的應用研究，進行了在流化床中利用臭氧在不同條件下對炭黑進行了表面改性的實驗，經臭氧處理的氧化炭黑的性質在許多方面都優於非氧化炭黑。但臭氧氧化炭黑的流化床技術也存在一定的缺陷，臭氧氧化炭黑流化床技術為氣固兩相反應，臭氧利用率較低，炭黑的氧化效率低。
發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種炭黑氧化效率高、炭黑顆粒自分散性能好、色漿穩定性能好的適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備方法及其製備裝置。本發明提供一種適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備方法，包括下列步驟a.在反應器中加入純水、助分散劑、消泡劑混合均勻，高速攪拌下慢慢加入炭黑，用pH調節劑調整體系pH值為79，打漿l小時以上；b.向反應器中通入臭氧，臭氧通過超微氣泡擴散器生成100微米左右的微小氣泡，逐步由反應器底部上升，在上升過程中臭氧微小氣泡與炭黑顆粒充分接觸反應，反應過程中對物料進行充分的攪拌，反應45小時；c.對上述產物進行脫氣，加入助分散劑，並用pH調節劑調整pH至79範圍內，攪拌使產物充分自分散，最終製得所需色漿。上述技術方案中還可以還包括去除尾氣步驟，臭氧尾氣由反應器底部上升到頂部後，由尾氣吸收機構進行吸收。上述技術方案中，通過超微氣泡陶瓷擴散器所產生的臭氧氣泡具有極小的直徑和極大的表面積，臭氧在整個混合液體系中的傳遞速率很高，使其反應性能大大加強，在炭黑的臭氧氧化過程中，不僅炭黑團聚體表面被氧化，同時炭黑團聚體內部也逐步被氧化，氧化的結果使炭黑團聚體逐漸解聚，形成較小的自分散炭黑顆粒。為使自分散炭黑成為良好穩定的具有納米尺度範圍的分散體，僅僅使用製備的自分散炭黑是達不到分散穩定的目的，還需添加一定的助分散劑，其作用是協助自分散炭黑達到分散穩定。添加助分散劑還具有降低表面能的作用，可使顏料粒子為介質充分潤溼，有利於自分散炭黑解聚為粒徑尺度範圍為150納米以內的顆粒，並達到自分散的狀態。本發明推薦使用的是脂肪醇聚氧乙烯醚或聚丙烯酸酯作為自分散炭黑色漿的助分散劑。消泡劑的使用是消除臭氧氧化過程中所產生的微小氣泡，消泡劑可以潤溼滲透到所產生的微小氣泡薄層中，降低其表面張力，破壞薄層的穩定性，達到消泡的目的。本發明推薦的消泡劑主要包括三大類磷酸酯類消泡劑、礦物油類消泡劑和有機矽類消泡劑。pH調節劑用於控制體系的酸鹼度，以利於體系的穩定。本發明推薦弱鹼性物質來調節pH值，如氨水、單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、碳酸鈉等。本發明還提供一種適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備裝置，包括反應器、臭氧發生器、超微氣泡陶瓷擴散器、物料攪拌循環機構、尾氣吸收機構，超微氣泡陶瓷擴散器設置在反應器的底部，臭氧發生器的臭氧出口通過管道與超微氣泡陶瓷擴散器的進氣口相連通，反應器中設有物料攪拌循環機構，反應器的頂部設有尾氣排放口，尾氣排放口通過管道與尾氣吸收機構相連接。其中反應器為臭氧氧化炭黑反應區，反應區為圓柱形區域，有利於臭氧超微氣泡擴散器的安裝和物料的加入；臭氧發生器通過脈衝高壓放電產生臭氧，所用原料氣體為純氧，產生的臭氧為已知最強的氧化劑之一，通過臭氧發生裝置產生的臭氧佔氣體總量的58%，可對炭黑進行充分的氧化；超微氣泡陶瓷擴散器可產生直徑為100微米左右的氣泡，微氣泡的產生極大地增加了反應的表面積，提高了臭氧的傳遞速率，在較小的空間內具有較高的效率，反應時間短，同時陶瓷具有較好的化學穩定性，不受臭氧氧化的影響，因此超微氣泡陶瓷擴散器對臭氧氧化炭黑具有重要的作用；物料攪拌循環機構為常規攪拌裝置，可使物料進行充分的循環，有利於反應的有效進行；尾氣吸收機構空氣中臭氧濃度達0.010.02ppm即可嗅到，濃度達lppm以上時對人體健康有一定的影響，因此利用化學物質對排出的臭氧進行吸收，吸收後排空，以利於人體健康和環境保護。本發明的有益效果是本發明中臭氧氧化反應是在氣液固三相中進行的，臭氧的利用率較高，同時利用超微氣泡法，可明顯提高臭氧在液體中的傳質效率，從而提高炭黑的氧化效率，製備出能在水體系中自分散的氧化炭黑產物，從而形成納米級的自分散炭黑顆粒；同時加入助分散劑協助自分散炭黑達到分散穩定，從而極大地改善了炭黑顆粒自分散性能；另外加入pH調節劑，用於控制體系的酸鹼度，更有利於體系的穩定，從而大大提高了色漿的穩定性能。下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。圖1是本發明適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備裝置的總體結構示意圖。具體實施例方式如圖1所示，本發明適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備裝置的一種實施例，包括反應器2、臭氧發生器5、超微氣泡陶瓷擴散器3、物料攪拌循環機構1、尾氣吸收機構6，超微氣泡陶瓷擴散器3設置在反應器2的底部，臭氧發生器5的臭氧出口通過管道4與超微氣泡陶瓷擴散器3的進氣口相連通，反應器2中設有物料攪拌循環機構1，反應器2的頂部設有尾氣排放口8，尾氣排放口8通過管道7與尾氣吸收機構6相連接。下面通過幾個具體的實例進一步說明本發明一種適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備方法。實例1-6具體步驟通過以下步驟對炭黑進行臭氧氧化，使其達到自分散的狀態。1.在反應器中加入純水、助分散劑脂肪醇聚氧乙烯醚或改性聚丙烯酸酯、磷酸酯類消泡劑混合均勻，高速攪拌下慢慢加入炭黑，用三乙醇胺調整體系PH值為8.5，打漿l小時；2、向反應器中通入臭氧，臭氧通過超微氣泡擴散器生成100微米左右的微小氣泡，逐步由反應器底部上升，在上升過程中臭氧微小氣泡與炭黑顆粒充分接觸反應；3、物料在反應過程中由籃式攪拌裝置對物料進行充分的攪拌，以利於反應的充分進行；4、反應5小時，每隔1小時測定炭黑揮發分，確定反應終點；5、臭氧微小氣泡由底部上升到頂部後，由尾氣排放系統進行吸收；6、對上述步驟得到的產物進行脫氣1小時後，加入助分散劑脂肪醇聚氧乙烯醚或改性聚丙烯酸酯，並用三乙醇胺調整pH至7.5-8.5範圍內，攪拌1小時，使產物充分自分散，最終得所需色漿。實例1-6中各種組分含量見表一，其中原料碳黑DegussaSB_6、DegussaSB-4、DegussaPrintexU為德國德固賽公司產品。表一實例1一6各種組分含量(克)tableseeoriginaldocumentpage10結果分析對反應過程中產物的揮發分進行測定，結果如表二所示，當反應進行45小時時，產物的揮發分基本穩定，達到反應終點，從表二可以看出，通過本發明製備方法製備的碳黑色漿中炭黑揮發分達到20左右，說明炭黑氧化很充分。表二臭氧氧化過程中炭黑揮發分的變化tableseeoriginaldocumentpage11採用法國formulaction公司的TURBSCAN分散穩定性分析儀對製備的色漿進行穩定性測試，結果如表三所示，從表三的數據中可以看出，採用本發明提供的方法，通過臭氧氧化改性炭黑製造自分散炭黑著色劑，並配製出具有納米尺度色漿產品，適合中性墨水使用，其中實例三產品具有更為突出的分散性能和穩定性。表三納米改性炭黑色漿產品的粒徑及穩定性測試tableseeoriginaldocumentpage11權利要求1、一種適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備方法，其特徵在於包括下列步驟a.在反應器中加入純水、助分散劑、消泡劑混合均勻，高速攪拌下慢慢加入炭黑，用pH調節劑調整體系pH值為7～9，打漿1小時以上；b.向反應器中通入臭氧，臭氧通過超微氣泡擴散器生成100微米左右的微小氣泡，逐步由反應器底部上升，在上升過程中臭氧微小氣泡與炭黑顆粒充分接觸反應，反應過程中對物料進行充分的攪拌，反應4～5小時；c、對上述產物進行脫氣，加入助分散劑，並用pH調節劑調整pH至7～9範圍內，攪拌使產物充分自分散，最終得所需色漿。2、根據權利要求1所述適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備方法，其特徵在於還包括去除尾氣步驟，臭氧尾氣由反應器底部上升到頂部後，由尾氣吸收機構進行吸收。3、根據權利要求1或2所述適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備方法，其特徵在於所述助分散劑為脂肪醇聚氧乙烯醚或聚丙烯酸酯。4、根據權利要求1或2所述適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備方法，其特徵在於所述消泡劑是磷酸酯類消泡劑、礦物油類消泡劑和有機矽類消泡劑。5、根據權利要求1或2所述適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備方法，其特徵在於所述PH調節劑是氨水、單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、碳酸鈉。6、一種適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備裝置，其特徵在於包括反應器(2)、臭氧發生器(5)、超微氣泡陶瓷擴散器(3)、物料攪拌循環機構(1)、尾氣吸收機構(6)，超微氣泡陶瓷擴散器(3)設置在反應器(2)的底部，臭氧發生器(5)的臭氧出口通過管道(4)與超微氣泡陶瓷擴散器(3)的進氣口相連通，反應器(2)中設有物料攪拌循環機構(1)，反應器(2)的頂部設有尾氣排放口(8)，尾氣排放口(8)通過管道(7)與尾氣吸收機構(6)相連接。全文摘要本發明公開了一種炭黑氧化效率高、炭黑顆粒自分散性能好、色漿穩定性能好的適用於中性墨水的納米炭黑色漿製備方法及其製備裝置，該製備方法包括下列步驟a.在反應器中加入純水、助分散劑、消泡劑和炭黑混合均勻；b.向反應器中通入臭氧，臭氧通過超微氣泡擴散器生成100微米左右的微小氣泡，使臭氧微小氣泡與炭黑顆粒充分接觸反應，反應4～5小時；c.對上述產物進行脫氣，加入助分散劑，最終製得所需色漿。該製備裝置包括反應器、臭氧發生器、超微氣泡陶瓷擴散器、物料攪拌循環機構、尾氣吸收機構，超微氣泡陶瓷擴散器設置在反應器的底部，臭氧發生器的臭氧出口通過管道與超微氣泡陶瓷擴散器的進氣口相連通。文檔編號C09D11/16GK101104761SQ20071007033公開日2008年1月16日申請日期2007年7月25日優先權日2007年7月25日發明者向衛東,楊昕宇,梁曉娟,潘明初,王兆倫,王華伍申請人:浙江省麗水傳人筆業有限公司;溫州大學