水合二氧化矽:物理性質,化學性質,主要用途,製造方法,毒性和對環境影響,包裝、運輸

水合二氧化矽（英文名稱Hydrated Silica；Silicondioxidehydrate）又名白炭黑（White carbon black），又名輕質二氧化矽，主要成分是二氧化矽，白色無定形粉末（圖1），質輕而鬆散，能溶於苛性鹼和氫氟酸，不溶於水、溶劑和酸（氫氟酸除外）。耐高溫、不燃、無味、無嗅、具有很好的電絕緣性。其性能與炭黑相似，但呈白色。分子式和結構式可用SiO2·nH2O表示，其中nH2O是以表面羥基的形式存在。其巨觀結構類似於炭黑，粒子呈球狀，單子粒子之間以面相接觸，呈鏈狀聯結結構（二次結構）。鏈枝結構又以氫鍵力相作用，形成一團團的聚集體。原始粒子極微細，在空氣中吸收水分後形成聚集的細粒子。白炭黑微粒表面存在羥基，主要有隔離羥基、相鄰羥基、矽氧基三種（見圖2、3）。其中相鄰羥基對極性物質的吸附非常重要。這些基團的存在使白炭黑表面有很強的親水性，表面積和分散能力都較大，機械強度和抗撕指標均很高。高溫不分解，絕緣性高，具有粒子小，比表面積大，結構性高等特點。主要用作橡膠工業優良的淺色補強劑，潤滑劑、絕緣材料等。可通過稀矽酸鈉溶液與稀鹽酸反應製取。

物理性質,化學性質,主要用途,製造方法,毒性和對環境影響,包裝、運輸和貯存,

物理性質

【熔點】°C 1610

【沸點】°C >100

【密度】g/mL ( 25 °C)

【折射率】n _D²⁰ 1.544

【溶解性能】能溶於苛性鹼和氫氟酸，不溶於水、溶劑和酸（氫氟酸除外）。

【穩定性】穩定

化學性質

【CAS登錄號】：10279-57-9

【EINECS登錄號】：238-878-4

【分子式和結構式】SiO₂·n H₂O

【常見化學反應】白炭黑為非晶態的二氧化矽，其化學性質較晶態二氧化矽活潑，用為具有較大的表面積，特別是表面結合的OH根，增到了非晶態二氧化矽的化學活性。例如可在常溫下與苛性鹼反應生成矽酸鹽;與氫氟酸反應生成氟矽酸，反應方程如下：

SiO₂ +2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

SiO₂ + Na₂CO₃ → Na₂SiO₃ + CO₂

SiO₂ + 4HF→ SiF₄ + H₂O

【禁配物】氫氟酸，強鹼。

【聚合危害】不聚合

主要用途

氣相白炭黑是極其重要的高科技超微細無機新材料之一,由於其粒徑很小，因此比表面積大，表面吸附力強，表面能大，化學純度高、穩定性、分散性能好、熱阻、電阻等方面具有特異的性能，作為添加劑、催化劑載體，石油化工，脫色劑，消光劑，橡膠補強劑，塑膠充填劑，油墨增稠劑，金屬軟性磨光劑，絕緣絕熱填充劑，電子封裝材料，樹脂複合材料，高級日用化妝品填料及噴塗材料、醫藥、環保等各種領域。

製造方法

白炭黑製造方法有三種；即氣相法、沉澱法和離解法

（1）氣相法

氣相法白炭黑是以矽的氯化物四氯化矽或三氯一甲基矽烷為原料，採用火焰水解法生產。被氫、氧燃燒形成的1000℃高溫水蒸汽水解得到。反應方程如下:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

SiCl₄ + 2H₂O → SiO₂ +4HCl

氣相法白炭黑生產的工藝流程圖如圖4

在空氣和氫氣混合氣流中經高溫水解生成的一種無定型粉末，往往是球形顆粒，表面帶有羥基和吸附水，粒徑在7～40nm之間，比表面積大，化學純度高，氣相法白炭黑根據是否進行過表面處理可分為親水型和疏水型，根據比表面的大小又可分為不同的型號。

（2）沉澱法

沉澱法就是將水玻璃（Na₂SiO₃）與硫酸或鹽酸作用，生成矽酸，再分解而製得白炭黑。反應方程如下：

Na₂SiO₃ + H₂SO₄ + H₂O → H₄SiO₄

mH₄SiO₄→m SiO₂·nH₂O +(2m-n)H₂O

沉澱法白炭黑在合成二氧化矽中的重要性居首位，最早出現在美國市場是在1939年，是為橡膠工業需求而生產，商品名稱為“Silene”。中國最早開發研製沉澱法白炭黑始於1958年，廣州人民化工廠以“WC—5801”品牌生產，我國的白炭黑生產廠有幾十家，主要採用這種方法生產白炭黑。沉澱法白炭黑SiO2含量在90%左右，市場需求量大，主要用作橡膠補強填料。沉澱法白炭黑的生產技術、設備簡單，產品活性不高，顆粒不易控制，親和力差，補強性能低，顆粒表面親水性集團鍵合嚴重，削弱了產品的結合力。二次結晶生產超細白炭黑便是在沉澱法生產技術前提下，進行了二次晶種處理的改良性技術。採用二次結晶新工藝，可以全自動控制工業化生產。其SiO₂含量在94%以上，比表面積達269～320m/g，粒徑最大為1000目，最細可達納米級。沉澱法白炭黑廣泛用作橡膠、塑膠的填充補強劑、合成樹脂(聚脂樹脂、彈性聚氨脂)的添加劑、聚丙烯、無毒聚氯乙烯塑膠薄膜的開口劑、電子電氣業絕緣絕熱填料等。

沉澱法白炭黑廣泛用作橡膠、塑膠的填充補強劑、合成樹脂(聚脂樹脂、彈性聚氨脂)的添加劑、聚丙烯、無毒聚氯乙烯塑膠薄膜的開口劑、電子電氣業絕緣絕熱填料等。

2006年，全世界白炭黑的生產能力約130萬噸（不含中國），其中德國德固薩、法國羅納和美國PPG三大跨國公司的生產能力超過世界總能力的一半。2008年中國白炭黑產量已達到71.2萬噸，產量居世界第一位，並已成為白炭黑的淨出口國。目前，中國白炭黑行業形成了外資（合資）公司和國內公司並存的市場競爭格局。生產規模在5.0萬噸/年（含）以上的廠家共有10家，生產能力合計為77.2萬噸，約占中國沉澱法白炭黑總產能的53.2%，其中，株洲興隆化工實業公司是目前中國最大的沉澱法白炭黑生產企業。預計到2015年，中國沉澱法白炭黑的生產能力將超過170.0萬噸，屆時，生產能力將出現過剩，未來的市場競爭將更加激烈。

【產業鏈】

【參考質量指標】氣相法及沉澱法白炭黑企業參考標準如下：

表1 氣相法白炭黑質量指標

項目名稱	1號	2號	3號	4號	5號
外觀	白色固體膠狀微粒
比表面積，m/g 吸油值ml/g 假密度g/ml pH值乾燥減量(110℃,2h) 灼燒減量(900℃,2h) 機械雜質(個數/2g) 氧化鋁% 氧化鐵(Fe₂O₃)% 銨（以NH₃計）%	<2.9 4~6 ≤3 ≤5 ≤30	75~105 2.6~2.9 ≤0.05 4~6 ≤3 ≤5 ≤20 0.03	≥2.9 3.5~6 ≤3 ≤5 ≤30	≥150 ≥3.46 ≤0.04 3.5~5.5 ≤3 ≤5 ≤15 ≤0.03 ≤0.01	150~200 2.6~2.8 0.04~0.05 4~6 ≤3 ≤5 ≤20 微量

表2 沉澱法白炭黑質量指標

項目名稱	技術要求
SiO₂ 含量% 顏色篩余物（45µm）% 加熱減量% 灼燒減量% pH 值總含銅量mg/kg 總含錳量mg/kg 總含鐵量mg/kg DBP 吸收值cm/g	≥90 優於等於標樣 ≤0.5 4.0~8.0 ≤7.0 5.0~8.0 ≤30 ≤50 ≤1000 2.0~3.5

毒性和對環境影響

白炭黑本身無毒，合成的白炭黑是無定形物質，通常不會造成矽肺病。其粉末可作為防結塊劑加入食品和藥品中。有報導稱期粉末可刺激皮膚及黏膜，因此生產環境防塵措施必需嚴格。其生產過程中的廢水、廢棄物對環境有危害，需嚴加治理。

包裝、運輸和貯存

按每包淨重 5.0kg 的倍數或按用戶的需要進行包裝，包裝袋採用編織袋內襯聚乙烯薄膜。存放場所乾燥、通風、避雨、避暴曬。按無毒化學品運輸。