中孔炭黑及其制造方法技术

本发明专利技术涉及用于提高炭黑起始材料表面积以及用于形成中孔炭黑的方法。所述方法包括以下步骤：使具有第一ＢＥＴ氮气表面积的炭黑起始材料与氧化剂在流化床中在有效地形成具有大于所述第一ＢＥＴ氮气表面积的第二ＢＥＴ氮气表面积的炭黑产物的条件下接触。本发明专利技术还涉及由该方法形成的炭黑产物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及碳质材料。具体地说，本专利技术涉及中孔炭黑以及中孔炭黑的制造方法。
技术介绍
中孔炭黑为这样的炭黑，其具有大于2nm但是小于该炭黑平均初级颗粒尺寸(Dp) 的平均孔尺寸。与微孔炭黑(即具有小于2nm的平均孔尺寸的炭黑)相比，中孔炭黑通常 具有更高的表面积。炭黑的孔隙率可通过若干方法实现。提高炉法炭黑孔隙率的一种常见方法在于提 高在炭黑反应器中的停留时间，从而使尾气有更多的时间来攻击和侵蚀炭表面。另一方法 在于向炭黑进料中添加碱土金属离子，这是因为，已经知晓这些离子催化了经由尾气对炭 黑的侵蚀。这两种技术均涉及在生产期间，“原位”(即在炉反应器内)侵蚀炭黑以产生具 有内孔隙率的炭黑。对于延长在炭黑反应器中的停留时间来说，主要限制为温度和反应器 的物理长度；炭黑反应器的长度通常不足以获得极高的孔隙率水平。此外，在较低的反应器 温度(该温度可用于制造较大的初级颗粒)下，侵蚀速率未足够快。对于添加碱土金属离 子来说，限制在于该添加将在炭黑上遗留杂质，这在一些应用中可为不期望的。这两种原 位侵蚀技术的另一主要限制在于到目前为止，它们有利于形成微孔炭黑而不是中孔炭黑。 到目前为止，还未知晓使用常规炭黑炉反应器来产生高度中孔性炭黑的方法。在一些经由气化法制造的竞争性炭黑中存在一定程度的中孔隙率，在所述气化法 中，炭黑为反应副产物(例如，Ketjen EC600、Ketjen EC300、或PrintexXE-2)。这些产物 具有显著的中孔隙率，但是，由于与气化法有关的其它因素，使得可通过所述气化法制得的 基本形态(即初级颗粒直径和聚集体直径)显得相当受限。这些产物通常具有低于30nm 的初级颗粒尺寸Dp。此外，在气化法中形成的炭黑颗粒的结构通常高，这意味着具有不规 则碎片形(fractal)的炭黑聚集体含有大量初级颗粒。因此，需要也提供对形态(即初级颗粒尺寸和聚集体尺寸两者)进行精细控制的 能力的中孔炭黑制造方法。此外，需要具有与由常规气化法形成的炭黑不同的孔和形态特 性的中孔炭黑。
技术实现思路
在一个实施方式中，本专利技术涉及提高炭黑表面积的方法，该方法包括使具有第一 BET氮气表面积的炭黑起始材料与氧化剂在流化床中在有效地形成具有大于第一 BET氮气 表面积的第二 BET氮气表面积的炭黑产物的条件下接触，其中，所述第二 BET氮气表面积例 如为第一 BET氮气表面积的至少约1. 5倍高(如约1. 5 约8. 0倍高)。优选地，该方法进 一步包括在流化床中用含氧化剂的流化剂流化炭黑起始材料。所述流化剂任选地在流化床 中具有约0. 03 约0. 15m/s的表观速度。任选地，氧化剂包含蒸汽。所述条件任选地包括约0. 5 约15小时的反应时间。除了氧化剂以外，流化剂还任选地包含氮气。在各种其它任选实施方案中，流化剂包含蒸汽、基本上由蒸汽组成、或者由蒸汽组成。优选地，炭黑起始材料包括提供所需流化特性的粒状炭黑。在该方法中，在反应时间结束时的总的氧化剂与炭黑起始材料的质量比任选地为 约0. 5 约2. 5。所述条件任选地包括采用约700°C 约1300°C (如约900°C 约1100°C )的流化床温度。流化床中的蒸汽流量与炭黑起始材料之比任选地为约0. 05 约0. 50kg蒸汽/kg 炭黑起始材料/小时。在另一实施方式中，本专利技术涉及通过包括以下步骤的方法形成的炭黑产物使具 有第一 BET氮气表面积的炭黑起始材料与氧化剂在流化床中在有效地形成具有大于第一 BET氮气表面积的第二 BET氮气表面积的炭黑产物的条件下接触。优选地，炭黑起始材料在 流化床中用含氧化剂的流化剂流化。在另一实施方式中，本专利技术涉及含炭黑产物和塑料的导电塑料，其中，所述炭黑产 物通过包括以下步骤的方法形成使具有第一 BET氮气表面积的炭黑起始材料与氧化剂在 流化床中在有效地形成具有大于第一 BET氮气表面积的第二 BET氮气表面积的炭黑产物的 条件下接触。优选地，炭黑起始材料在流化床中用含氧化剂的流化剂流化。在另一实施方式中，本专利技术涉及包含分散在液体载剂中的炭黑产物的喷墨油墨， 其中，所述炭黑产物通过包括以下步骤的方法形成使具有第一 BET氮气表面积的炭黑起 始材料与氧化剂在流化床中在有效地形成具有大于第一 BET氮气表面积的第二 BET氮气表 面积的炭黑产物的条件下接触。优选地，炭黑起始材料在流化床中用含氧化剂的流化剂流 化。在另一实施方式中，本专利技术涉及包含炭黑产物和位于其上的活性相的燃料电池催 化剂，其中，所述炭黑产物通过包括以下步骤的方法形成使具有第一 BET氮气表面积的炭 黑起始材料与氧化剂在流化床中在有效地形成具有大于第一 BET氮气表面积的第二 BET氮 气表面积的炭黑产物的条件下接触。优选地，炭黑起始材料在流化床中用含氧化剂的流化 剂流化。在另一实施方式中，本专利技术涉及包含炭黑产物的超电容器，其中，所述炭黑产物通 过包括以下步骤的方法形成使具有第一 BET氮气表面积的炭黑起始材料与氧化剂在流化 床中在有效地形成具有大于第一 BET氮气表面积的第二 BET氮气表面积的炭黑产物的条件 下接触。优选地，炭黑起始材料在流化床中用含氧化剂的流化剂流化。在另一实施方式中，本专利技术涉及具有以下性质的多孔炭黑(如中孔炭黑)⑴约 600 约 1200m2/g 或约 1500 约 1800m2/g (例如，约 600 约 900m2/g、约 900 约 1200m2/ g、或约1500 约1800m2/g)的BET氮气表面积，以及(ii)约0. 95 约1. 1的BET氮气表 面积与STSA(统计厚度表面积)之比。在另一实施方式中，本专利技术涉及具有以下性质的多孔炭黑(如中孔炭黑)约 35 约80nm的平均初级颗粒尺寸；约600 约1800m2/g的BET氮气表面积；和约0. 95 约1. 1的BET氮气表面积与STSA之比。在另一实施方式中，本专利技术涉及具有以下性质的多孔炭黑(如中孔炭黑)约 600 约1800m2/g的BET氮气表面积；和约1 约7 (如约1 约5、或约1 约3)的Dass/Dp之比。Dp任选地为约35 约80nm、或约5 约15nm。所述多孔炭黑任选地具有约900 约1400m2/g的BET氮气表面积和约1 约5 (如约1 约3)的Dagg/Dp之比。所述多孔炭 黑任选地具有约0. 95 约1. 1的BET氮气表面积与STSA之比。在另一实施方式中，本专利技术涉及这样的多孔炭黑，其具有通过氮气解吸附测得的 约1. 2 约2. OcmVg的尺寸为2 5nm的孔的总体积。在另一实施方式中，本专利技术涉及这样的多孔炭黑，其具有通过氮气解吸附测得的 约3. 0 约5. OcmVg的尺寸为2 IOOnm的孔的总体积。附图说明参照下列非限制性附图将更好地理解本专利技术，其中图1说明了如何经由蒸汽侵蚀通过除去晶格缺陷而提高炭表面积；图2示出了根据本专利技术一个方面的其中流化剂包含蒸汽和/或氮气的流化床反应 系统的流程图；图3A 3C示出了随侵蚀时间的变化，经蒸汽侵蚀的炭黑的XRD曲线；图4说明了随着蒸汽侵蚀的进行而发生的炭微观结构的非限制性的可能变化；图5A和5B示出了炭黑(Vulcan XC72)在蒸汽侵蚀之前的孔尺寸分布(图5A)以 及按本文档来自技高网...

【技术保护点】
提高炭黑表面积的方法，该方法包括：使具有第一ＢＥＴ氮气表面积的炭黑起始材料与氧化剂在流化床中在有效地形成具有大于所述第一ＢＥＴ氮气表面积的第二ＢＥＴ氮气表面积的炭黑产物的条件下接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁C格林，罗斯科W泰勒，杰弗里D莫泽，阿加莎格洛斯基尔利迪斯，雷蒙德M索卡，
申请(专利权)人：卡伯特公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]