碳粒及其生產(chǎn)方法

專利名稱：碳粒及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種其彌散性能強(qiáng)且粒硬度高的碳黑粒以及一種生產(chǎn)這種碳黑粒的方法。
在生產(chǎn)工業(yè)用碳黑時(shí)最好使用顆粒產(chǎn)品，這些顆粒產(chǎn)品通常表現(xiàn)為碳球、碳黑?；蛱紙F(tuán)。為了使碳成?；蚴蛊涑汕蛑闋?，目前在大規(guī)模造粒技術(shù)方面采用了兩種不同的方法在造粒機(jī)中濕式造粒并隨后干燥碳黑粒的方法和在造粒滾筒中干式造粒的方法。這兩種方法具有與各自聚集成團(tuán)過(guò)程中的物理過(guò)程和形成的顆粒性能密切相關(guān)的且明顯不同的工藝參數(shù)。
就濕式造粒法來(lái)說(shuō)，可以將帶齒軸的成粒機(jī)用作造粒機(jī)。它包括一個(gè)平放的位置固定的、且?guī)в幸桓挥谄渲械霓D(zhuǎn)動(dòng)齒軸的管(以下也稱其為定子)。在齒軸的軸線和管壁之間有一個(gè)供造粒機(jī)使用的成粒腔。在成粒腔內(nèi)，通過(guò)自身轉(zhuǎn)動(dòng)的齒軸將碳黑料從管一端上的供料口輸送到管另一端上的出料口。與此同時(shí)，聚集成團(tuán)是通過(guò)碳黑料在靜止管壁上滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)的?？梢酝ㄟ^(guò)在出料口處安裝一個(gè)緩沖板或通過(guò)相對(duì)供料口升高出料口來(lái)延長(zhǎng)碳黑料在造粒機(jī)中的停留時(shí)間。典型的造粒機(jī)的長(zhǎng)度約為1～3.5米并且其直徑為200～760毫米。
在造粒機(jī)中，任選在使用粘結(jié)劑的情況下，使水與工業(yè)用碳黑粉密切混合在一起。根據(jù)碳黑料品種，在含水量占總重的40％～60％的情況下獲得了球形碳黑粒。隨后，在另一個(gè)工序中干燥濕潤(rùn)碳黑粒。
在濕式造粒法中，聚集成團(tuán)是通過(guò)碳黑粒子間的液體橋和毛細(xì)力實(shí)現(xiàn)的。毛細(xì)力值允許齒尖具有10～20米/秒的較高切線速度，由此引發(fā)了密切混合和隨后的成粒過(guò)程。
在濕式造粒法中，形成良好碳黑粒所需的停留時(shí)間為幾秒鐘且通常短于20秒。可以通過(guò)緩沖板或通過(guò)相對(duì)供料口升高出料口的方式，將停留時(shí)間延長(zhǎng)到幾分鐘。
在不使用粘結(jié)劑的情況下，當(dāng)粒徑為1.4～1.7毫米時(shí)，通過(guò)濕式造粒法獲得碳黑粒的可獲粒硬度為0.1～0.3N。為了提高粒硬度，在水滴中加入了可溶的固體材料(造粒劑)，它在干燥后留在了碳黑粒中。通過(guò)強(qiáng)烈潤(rùn)濕碳以及通過(guò)在造粒用的水中均勻溶解造粒劑，使造粒劑得到最佳分布并可以完全發(fā)揮其強(qiáng)化作用。
就干式造粒法來(lái)說(shuō)，采用了造粒滾筒，它包括一個(gè)也是平放著的轉(zhuǎn)動(dòng)管。管內(nèi)腔被稱為成粒腔。為了形成顆粒，如DE3832404所述的那樣，預(yù)先壓實(shí)工業(yè)用碳黑粉并在造粒滾筒內(nèi)通過(guò)碳黑粉在自身轉(zhuǎn)動(dòng)的管壁上滾動(dòng)而形成了碳黑粒。致使干式造粒的范德瓦爾力和靜電力明顯小于在濕式造粒法中作用的毛細(xì)力。與此相應(yīng)地，必須謹(jǐn)慎小心地進(jìn)行造粒過(guò)程。造粒滾筒的切線速度在這里僅為1～2米/秒。在切線速度明顯較高的情況下，滾動(dòng)前移因離心力較高而停止了。另外，正在成型的顆粒所受作用力如此之高，以致它馬上又破裂了。在粒徑為1.4～1.7毫米的情況下，可獲粒硬度通常低于0.1N。
由于范德瓦爾力較低，所以為了引發(fā)造粒過(guò)程就必須在碳中加入呈壓實(shí)碳黑粉形式的造粒粒核。在開(kāi)始造粒前將造粒粒核加入造粒滾筒中，或者在造粒滾筒的工作中以占碳黑粉量1％～30％(重量百分比)的含量連續(xù)輸入造粒粒核。造粒粒核的作用是使聚集成團(tuán)所需的粒核總是夠用。當(dāng)不足量地加入造粒粒核時(shí)，可能沒(méi)有出現(xiàn)干式造?；蛘叱霈F(xiàn)了碳黑粒破裂。
碳黑在干式造粒滾筒中的典型停留時(shí)間為1～4秒。為了確保足夠的碳黑處理能力(kg/小時(shí))，干式造粒滾筒必須明顯大于濕式造粒法所用的造粒機(jī)。在生產(chǎn)過(guò)程中采用了直徑為2米、長(zhǎng)度為18米的干式造粒滾筒。這種造粒滾筒的裝料量為好幾噸。與此相反，造粒機(jī)的裝料量?jī)H為幾千公斤。
無(wú)論是在濕式造粒法中還是在干式造粒法中都可以采用添加劑，以便提高粒硬度和/或改善彌散性能。
與通過(guò)干式造粒法形成的碳黑粒相比，通過(guò)濕式造粒法形成的碳黑粒因其粒硬度較高而大體上也具有較強(qiáng)的彌散性能。在這里，碳黑粒主要被用在橡膠工業(yè)中。在高粘性橡膠組合物中，通過(guò)濕式造粒法形成的碳黑粒可以均勻地分散開(kāi)。碳黑粒的高粒硬度允許通過(guò)氣動(dòng)輸送裝置輕松地輸送它。
通過(guò)干式造粒法形成的碳黑粒主要被用作塑料和涂料中的顏料。但在這種應(yīng)用場(chǎng)合中也使用了大量碳黑粉。在其運(yùn)送過(guò)程中，這些碳黑粉可能在操作場(chǎng)所造成大量粉塵故障。只能通過(guò)采用碳黑粒來(lái)避免粉塵故障。
在WO96/01875中描述了使用有機(jī)粘結(jié)劑來(lái)生產(chǎn)抗開(kāi)裂的、且其彌散性能良好的碳黑粒。適用的有機(jī)粘結(jié)劑是非聚合物型有機(jī)粘結(jié)劑、熱塑性均聚物、熱塑性共聚物或蠟。在造粒過(guò)程中，以10％～48％的重量百分比將這種粘結(jié)劑加入碳黑料中?？梢栽谠炝C(jī)中和造粒滾筒中進(jìn)行造粒。根據(jù)這篇文獻(xiàn)，由于熔融的有機(jī)粘結(jié)劑的緣故，與濕式造粒法中的造粒過(guò)程相似地通過(guò)強(qiáng)化碳間粘合力來(lái)實(shí)現(xiàn)造粒。與此相應(yīng)地，當(dāng)采用造粒機(jī)時(shí)，所述造粒機(jī)以與傳統(tǒng)濕式造粒法參數(shù)相同的工藝參數(shù)工作。根據(jù)WO96/01875，在沒(méi)有添加有機(jī)物質(zhì)的情況下沒(méi)有獲得碳黑粒。當(dāng)在一臺(tái)帶齒軸的造粒機(jī)中進(jìn)行造粒時(shí)，根據(jù)碳黑粉的DBP值，有機(jī)物質(zhì)的最低添加量約為29％(重量百分比)，但它典型地是38.5％(重量百分比)。根據(jù)這篇WO文獻(xiàn)，例如通過(guò)高壓噴嘴進(jìn)行噴灑的方式將有機(jī)物質(zhì)加入碳黑料中。
WO96/21698描述了在一臺(tái)造粒機(jī)中借助有機(jī)粘結(jié)劑的水溶液而使碳黑料形成顆粒的方法。為了脫水，所形成的碳黑粒必須在加熱時(shí)被干燥，此時(shí)有機(jī)粘結(jié)劑尚未分解。干燥了的碳黑粒中的粘結(jié)劑含量為0.1％～50％(重量百分比)。
本發(fā)明的目的在于，提供具有改善的使用技術(shù)性能的、且可以低能耗地進(jìn)行生產(chǎn)的碳黑粒。我們力求獲得這樣一種改進(jìn)的碳黑粒，即它由于在成粒時(shí)采用了添加劑而具有高的粒硬度并同時(shí)具有良好的彌散性能但只有少量的粉塵含量。
通過(guò)這樣一種碳黑粒達(dá)到了上述目的，即它含有至少一種天然蠟和/或合成蠟、且它是通過(guò)對(duì)成粉的原料碳黑粉進(jìn)行成粒而獲得的。所述碳黑粒的特征在于，碳黑粒的蠟含量占碳黑?？傊氐?％到低于10％(重量百分比)，還在于，碳黑粒的單個(gè)粒硬度高于0.15N。
本發(fā)明的碳黑?？梢杂欣赜米飨鹉z制品和塑料制品中的填料以及作為生產(chǎn)打印墨水的顏料。這種顆粒因其有利的粒硬度而具有良好的運(yùn)輸性能和計(jì)量性能的特點(diǎn)，且它很容易再次分散化。
用于生產(chǎn)碳黑的蠟既可以是天然的，也可以是合成來(lái)源的。烏爾曼的《工業(yè)化學(xué)百科全書》(第A28卷，103～163頁(yè)，1996)給出了適用于本發(fā)明的蠟的良好概括。優(yōu)先選用那些為了生產(chǎn)出成品而總應(yīng)加入碳黑粒時(shí)無(wú)論如何都需要的蠟。在這種情況下，與由現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)的含蠟碳黑粒相比，蠟含量低于10％(重量百分比)的碳黑粒被證明是有利的。在這里，通過(guò)碳黑粒補(bǔ)入成品中的蠟含量通常比成品所需蠟含量要低。因此通過(guò)碳黑?；旧蠜](méi)有限制成品中的蠟含量的自由度。
可以根據(jù)使用要求，可從許多種公知的碳黑產(chǎn)品中選出用于本發(fā)明碳黑粒中的原料碳黑。因而，原料碳黑的DBP吸附能力在40～250ml/g之間變化，而其氮表面在5～500米2/g之間變化。
優(yōu)選地在一臺(tái)如濕式造粒法所用的造粒機(jī)中、通過(guò)干式造粒法來(lái)生產(chǎn)本發(fā)明的碳黑。為了在造粒機(jī)中可能實(shí)現(xiàn)干法造粒，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)操作參數(shù)，以與干式造粒的要求匹配。
當(dāng)濕式造粒時(shí)，在齒軸轉(zhuǎn)速高于500轉(zhuǎn)/分的情況下進(jìn)行生產(chǎn)，這造成10～20米/秒的齒尖切線速度。當(dāng)試圖干式造粒時(shí)，由此造成一個(gè)阻礙顆粒形成的力作用于碳上。
就本發(fā)明碳黑粒的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，齒軸轉(zhuǎn)速下降得如此之低，以致于齒尖切線速度的值為1～6米/秒。事實(shí)表明，在這種情況下，當(dāng)碳黑料在造粒機(jī)中的平均停留時(shí)間被調(diào)節(jié)到20～600秒時(shí)，碳黑料在沒(méi)有添加液體或造粒劑地時(shí)就開(kāi)始自發(fā)聚集成團(tuán)。
通過(guò)加入熔融的蠟或熔融的蠟混合物來(lái)加強(qiáng)原料碳黑粉的自發(fā)聚集成團(tuán)過(guò)程。為了防止碳黑與管壁和造粒機(jī)內(nèi)置部件粘在一起，加入蠟后就必須將整個(gè)造粒機(jī)加熱到這樣一個(gè)溫度，即它比各種蠟的熔點(diǎn)溫度高10％～20％。
加入蠟的方式嚴(yán)重影響著成品碳黑粒的質(zhì)量。事實(shí)表明，僅當(dāng)以低于50μm的平均滴大小將蠟很細(xì)微地噴灑到原料碳黑粉上時(shí)，能在成品碳黑粒中蠟含量低于10％(重量百分比)的情況下獲得所需的高于0.15N的粒硬度。在滴大小比較大的情況下，蠟不再足夠均勻地散布在碳黑料中，這由此造成需要更高蠟含量以獲得預(yù)定的粒硬度。
為了噴灑蠟，首先通過(guò)加熱到一個(gè)比熔點(diǎn)高10％～20％的溫度而使蠟熔化，隨后將熔蠟供給一個(gè)噴嘴。在6巴壓力下機(jī)械噴灑蠟的嘗試沒(méi)有產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。由此獲得的平均滴大小超過(guò)了100μm。在這種情況下，只能夠在碳黑粒蠟含量高于20％(重量百分比)的情況下獲得高于0.15N的粒硬度。用一個(gè)雙料噴嘴噴灑蠟被證明是適用于本發(fā)明目的的。通過(guò)用6巴的壓縮空氣噴灑蠟而獲得了約為20μm的平均滴大小。
除了噴灑蠟的方式外，噴灑位置對(duì)形成碳黑粒的質(zhì)量也有著重要影響。如上所述的那樣，造粒機(jī)包括一個(gè)平放的、位置固定的且?guī)в性谄渲修D(zhuǎn)動(dòng)的齒軸的管(定子)。造粒機(jī)通常具有一個(gè)供料口區(qū)，原料碳黑粉在此供料口區(qū)內(nèi)被供給造粒機(jī)。在此區(qū)域內(nèi)設(shè)有一根供料螺桿，此螺桿賦予送入的碳黑料一個(gè)沿軸向運(yùn)動(dòng)分量。與供料口區(qū)相連的是真正的造粒區(qū)，碳黑料在此區(qū)域內(nèi)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)齒的機(jī)械作用和在定子內(nèi)壁上的滾動(dòng)而聚集成團(tuán)。在離開(kāi)造粒區(qū)后，現(xiàn)在已呈粒狀的碳黑進(jìn)入了出料口區(qū)，并從造粒機(jī)中被連續(xù)排出。
根據(jù)造粒機(jī)的結(jié)構(gòu)，造粒機(jī)的各區(qū)域可具有不同的尺寸。在任何情況下都應(yīng)保持供料口區(qū)和出料口區(qū)盡可能短，以有利于造粒區(qū)。在原料碳黑粉進(jìn)入造粒區(qū)后，碳黑料開(kāi)始聚集成團(tuán)且成粒過(guò)程在此區(qū)域末端結(jié)束。為了將蠟盡可能均勻地分布在整個(gè)碳黑粒橫截面上，必須在前三分之一造粒區(qū)內(nèi)將蠟噴灑到碳黑料上。在隨后階段內(nèi)加入蠟造成了不均勻的碳黑粒結(jié)構(gòu)并進(jìn)而造成降低的粒硬度。
當(dāng)利用許多個(gè)在一個(gè)垂直于齒軸的平面內(nèi)分散在定子外周上的噴嘴進(jìn)行噴蠟時(shí)，人們可以獲得另一個(gè)均勻地將蠟混入碳黑料中的有利改進(jìn)方案。噴嘴數(shù)量適當(dāng)?shù)叵薅?～5個(gè)。另外，為了確保良好的混合均勻性，噴嘴布置在一個(gè)垂直于齒軸的平面內(nèi)。如果噴嘴軸向加料，則來(lái)自不同噴嘴的蠟是在不同成粒階段混入的。
如以上所述的那樣，碳黑料在造粒機(jī)中的優(yōu)選停留時(shí)間為20～600秒。平均停留時(shí)間t根據(jù)以下公式與造粒機(jī)的生產(chǎn)量
和裝料量mf關(guān)系起來(lái)m.=mf/t-]]>在成粒腔大小可比的情況下，造粒機(jī)的產(chǎn)量高于造粒滾筒的產(chǎn)量，其原因就是碳黑料在造粒機(jī)中的停留時(shí)間明顯較短。令人驚奇的是，盡管停留時(shí)間短，但碳黑料在造粒機(jī)中開(kāi)始了自發(fā)聚集成團(tuán)過(guò)程。這可以通過(guò)選擇操作條件(停留時(shí)間和齒尖切線速度)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而選擇操作條件對(duì)濕式造粒法中的普通造粒機(jī)的操作是不常見(jiàn)的。
通常借助供料螺桿將碳黑粉供給造粒機(jī)的造粒區(qū)。碳黑處理能力或者說(shuō)造粒機(jī)的生產(chǎn)量在這里等于供料螺桿的供料速率，并且所述處理能力是可以在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。可以通過(guò)相對(duì)于供料口區(qū)升高出料口來(lái)延長(zhǎng)停留時(shí)間并提高裝料量。此時(shí)在造粒機(jī)軸和水平面之間產(chǎn)生的角度可以在0°～15°內(nèi)變化。
另外，裝料量和停留時(shí)間受齒輥轉(zhuǎn)速的影響。當(dāng)碳黑料供料速率保持不變(不變的碳黑處理能力)時(shí)，裝料量和停留時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速的升高而互成比例地減小。
用于生產(chǎn)本發(fā)明碳黑粒的停留時(shí)間優(yōu)選為20～180秒。在短于20秒的時(shí)間里，聚集成團(tuán)過(guò)程尚未充分地發(fā)展，此時(shí)碳黑粒具有高于20％的高的細(xì)粒含量。由于裝料量的上限限制，600秒以上的停留時(shí)間通常只在碳黑處理量低的情況下出現(xiàn)。
原則上可以通過(guò)上述生產(chǎn)方法使所有類型的碳黑料形成顆粒。事實(shí)表明，可以方便地使具有小的比表面和小的結(jié)構(gòu)的碳黑料形成顆粒，具有大的比表面和大的結(jié)構(gòu)的碳黑料也可以方便地形成顆粒。相反地，具有大的比表面和小的結(jié)構(gòu)的碳黑料和具有小的比表面和大的結(jié)構(gòu)的碳黑料難于成粒。為了引發(fā)聚集成團(tuán)過(guò)程，因此將碳粒混入碳粉中以作為聚集成團(tuán)的粒核(以下稱其為造粒粒核)是有利的。優(yōu)選地使用與待成粒碳黑料同類的碳黑粒。根據(jù)碳黑的成粒性能，可以向碳黑中混入50％的碳黑粒。以5％～15％的量將碳黑粉混入碳黑粒中是優(yōu)選的。在易成粒碳黑料類型的情況下，可以完全取消加入碳黑顆?；蛘咴诔闪ｉ_(kāi)始以后馬上終止加碳黑粒。但是在任何情況下，蠟的加入都有利地影響著造粒過(guò)程。
當(dāng)在將碳黑粉供給造粒機(jī)之前以150～300g/l的壓實(shí)密度預(yù)先壓實(shí)碳黑粉時(shí)，獲得了另一個(gè)造粒改進(jìn)方案。例如可以借助真空濾輥以公知的方式進(jìn)行預(yù)壓實(shí)。
以下將結(jié)合幾張附圖來(lái)描述本發(fā)明。其中

圖1示出了用于生產(chǎn)本發(fā)明碳黑粒的具有帶齒的軸的造粒機(jī)；圖2是生產(chǎn)本發(fā)明碳黑粒的工藝流程圖。
可以利用造粒機(jī)生產(chǎn)本發(fā)明的碳黑粒。在圖1中示意地畫出了這種造粒機(jī)的結(jié)構(gòu)。所述造粒機(jī)包括一個(gè)平放的固定不動(dòng)的管1，即定子，和一個(gè)沿軸向設(shè)置于管中的、且?guī)в新菪惭b的齒尖3的轉(zhuǎn)動(dòng)齒軸2。在齒軸2和定子1之間是造粒機(jī)的成粒腔。碳黑粉在供料口5處被供給造粒機(jī)。在供料口區(qū)內(nèi)，一根沿軸向?qū)⑻己诜鬯拖虺隽峡?的供料螺桿6位于齒軸上。定子1成雙壁管形結(jié)構(gòu)且它允許借助液體8來(lái)控制定子壁的溫度。在定子造粒區(qū)域的前三分之一內(nèi)，透孔位于定子的頂側(cè)壁上，通過(guò)所述透孔引入了加蠟用的噴嘴9。
圖2示出了生產(chǎn)本發(fā)明碳黑粒的工藝流程圖。為了調(diào)節(jié)停留時(shí)間，造粒機(jī)10的軸線可以相對(duì)水平面傾斜0°～15°。因此，相對(duì)供料口升高了造粒機(jī)的出料口。從儲(chǔ)存容器12和14中將碳黑粉11和可能有的造粒粒核13供給造粒機(jī)10的供料口15。借助恒溫箱16將造粒機(jī)的定子調(diào)節(jié)到一個(gè)所需溫度。
權(quán)利要求
1．一種的碳粒，它含有至少一種天然蠟和/或合成蠟且通過(guò)使原料碳黑粉成粒而獲得，其特征在于，碳黑粒中蠟含量占碳黑?？傊氐?％到低于10％(重量百分比)，還在于，碳黑粒的單個(gè)粒硬度高于0.15N。
2．如權(quán)利要求1所述的碳黑粒，其特征在于，所述的原料碳黑粉具有40～250ml/100g的DBP吸附能力和5～500米2/g的氮表面。
3．如權(quán)利要求2所述的碳黑粒，其特征在于，所述蠟可以是一種或多種石蠟。
4．一種連續(xù)生產(chǎn)如權(quán)利要求1所述的碳黑粒的方法，它在一臺(tái)帶有齒軸的加熱式造粒機(jī)中進(jìn)行，所述造粒機(jī)具有一個(gè)供料口區(qū)、一個(gè)成粒區(qū)和一個(gè)出料口區(qū)，通過(guò)將碳黑粉送入所述供料口區(qū)、并添加熔融的蠟或熔融的蠟混合物，并在造粒機(jī)的出料口處連續(xù)取出成粒了的碳黑而生產(chǎn)出了上述碳黑粒，其特征在于，在造粒機(jī)的成粒區(qū)的前三分之一內(nèi)，以不超過(guò)50μm的平均滴大小將蠟或蠟混合物噴灑到仍然呈粉末狀的原料碳黑上，其中齒尖的最高切線速度為1～6米/秒，碳黑料在造粒機(jī)中的平均停留時(shí)間被調(diào)節(jié)到20～600秒。
5．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，借助2～5個(gè)噴嘴將蠟混合物噴灑到仍然呈粉末狀的原料碳黑上，其中噴嘴設(shè)置在一個(gè)垂直于齒軸軸線的平面內(nèi)。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，將最多為50％、且優(yōu)選為5％～30％(重量百分比)的預(yù)壓實(shí)碳黑混入碳黑粉中，以作為造粒粒核。
7．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在成粒之前，碳黑粉被事先壓實(shí)到150～300g/升的壓實(shí)密度。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種可以在干式造粒法中通過(guò)加入蠟而生成的碳黑粒。在蠟含量占低于碳黑?？傊氐?0%(重量百分比)的情況下，這種碳黑粒的顯著特點(diǎn)是具有至少為0.15N的粒硬度。
文檔編號(hào)C08L91/00GK1227856SQ9812699
公開(kāi)日1999年9月8日 申請(qǐng)日期1998年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月18日
發(fā)明者C·沃格勒, K·沃格爾, U·威斯克諾斯基, J·克比茨 申請(qǐng)人:底古薩股份公司