概述
气相二氧化硅(气相法白炭黑、Fumed Silica)是无定形合成 SiO₂,由四氯化硅在 ~1800°C 高温火焰水解制得。无孔纳米初级粒子熔合为三维聚集体链状结构,赋予液体体系触变流变控制与弹性体补强填充两大采购核心价值。
HJSIL® 是河南五矿东方新材料公司的气相二氧化硅产品系列,共 10 个商品化牌号,覆盖 150–380 m²/g BET 比表面积(亲水型)与三种表面化学(疏水型)。与 Evonik Aerosil 150 / 200 / 300 / 380 / R972 / R974 / R104 / R208、Wacker HDK N20 / T30 / N20P / H17、Cabot Cab-O-Sil M-5 / EH-5 / TS-720 / TS-530 一一功能对应,综合到岸成本(上海 FOB → 欧美 DDP)低 30–45%。EU REACH 已注册,ISO 9001 + ISO 14001 双认证,批次发货附 CoA(BET、振实密度、灼烧失重、4% pH、卡尔费休水分)。
其他形态硅产品见 MEGEL® 气凝胶 与 HMMAT® 消光剂。
化学结构与表面化学
气相二氧化硅是无定形 a-SiO₂,区别于沉淀法白炭黑(湿法)、结晶石英、胶体二氧化硅。火焰水解工艺生成无孔初级粒子,粒径 7–40 nm,在火焰停留期内熔合为约 100–500 nm 聚集体(aggregate);聚集体再通过氢键缔合成团聚体(agglomerate),即体粉粒度。
表面化学由两类官能团决定:硅醇基(Si–OH)——亲水型表面 3–4.5 个 OH/nm²,负责氢键缔合、水吸附与极性介质中的触变网络;硅氧烷桥(Si–O–Si)——化学稳定的低能表面,经热/化学处理后占比上升。
疏水型由亲水基体经氯硅烷或硅氮烷处理而成,封端部分硅醇基:
| 处理化学 | 试剂 | 碳含量 (%) | 对标牌号 |
|---|---|---|---|
| 二甲基二氯硅烷(DMDS) | (CH₃)₂SiCl₂ | 0.6–1.3 | Aerosil R972 / HDK H15 / HJSIL R272、R274 |
| 六甲基二硅氮烷(HMDS) | (CH₃)₃Si-NH-Si(CH₃)₃ | 1.5–4.0 | Aerosil R812 / HJSIL R620、R622 |
| 聚二甲基硅氧烷(PDMS) | 羟基封端 PDMS 低聚物 | 3.5–5.5 | Aerosil R202/R208 / HDK H18 / Cabot TS-720 / HJSIL R110、R110H |
作用机理
液体体系触变增稠: 无剪切时,聚集体通过氢键链形成三维渗流网络,具备屈服应力(防颜料/填料沉降、防垂直面流挂、防双组份开放时间分相)。剪切下网络断裂,系统流动;剪切停止,网络在数秒内重建 —— 这是触变恢复特征,区别于不可恢复的传统增稠剂。网络强度随 BET 线性增加:同等添加量下,200 m²/g 牌号的增稠效率约为 150 m²/g 的 2 倍 —— 这是 200/300 牌号在不饱和聚酯、环氧、胶黏剂中占主流的根本原因。
硅橡胶/弹性体补强(HTV / RTV-2 / 氟橡胶 / EPDM): 刚性聚集体通过应力再分配提高模量(流体力学增刚);硅醇表面与硅氧烷主链氢键构建部分聚合物-填料网络;高填充(>20 phr)下渗流网络分担额外应力。亲水型补强最强但加工最差(储存期结构化、混炼扭矩偏高);疏水型牺牲少量补强换取大幅改善加工性 —— 是 LSR 与加成型 RTV-2 标准选择。
粉末抗结块: 疏水型 0.1–0.5% w/w 吸附在粉体表面,形成"滚珠轴承"层打断粒间毛细桥。疏水性是必需的 —— 亲水牌号反而从大气吸湿,自身成为结块诱因。
应用与配方指导
| 应用场景 | 推荐牌号 | 添加量 | 关键技术钩子 |
|---|---|---|---|
| 不饱和聚酯/环氧/乙烯基酯树脂增稠(凝胶涂层、层压、模具树脂) | HJSIL 200(通用)、HJSIL 300(垂直/模具) | 树脂基 1.0–2.5% | 高剪切分散 15+ 分钟(转-定子或三辊机);分散不足→粒状+浑浊。极性树脂禁用 R 系列(反润湿) |
| 硅酮密封胶 RTV-1 / RTV-2(烷氧固化) | HJSIL R272 或 R110(高端);高模量结构胶 R110 / R620 升至 14–18 phr | 6–18 phr | 必须疏水 —— 亲水会萃取 DBTDL 催化剂,把储存期从 12 个月缩短到 3 个月 |
| 液态硅橡胶(LSR)/加成型 RTV-2 | HJSIL R110 | 18–25 phr | PDMS 表面与乙烯基-PDMS 基胶相容,无需偶联剂。最终粘度 0.1 s⁻¹ 下 20–80 万 cps。R272/R274 粘度高 1.5–2 倍 —— 留给 HCR 开炼工艺 |
| 胶黏剂——α-氰基丙烯酸酯(CA)凝胶、2K PU、环氧 | HJSIL R274(CA 隔湿)、HJSIL 300(2K PU 初粘力) | 1.5–4.0% | CA:疏水阻止储存期过早固化。PU 膏挤:流变恢复 |
| 涂料(油漆、油墨、凝胶涂层) | HJSIL 200(水/醇)、HJSIL R274/R110(溶剂型) | 0.5–2.0% | 注意:>2% 添加产生光学雾度(限制清漆);喷涂 >3% 出现橘皮 |
| 化妆品/个人护理(液体粉底、防晒霜) | HJSIL R110 | 1–3% | CAS 112945-52-5 + REACH 注册号强制;CoA 须显示重金属(Pb/As/Cd/Hg)低于药典限值 |
| 粉末抗结块(食品、农药、粉末涂料预混料) | HJSIL R274 / R272 | 0.1–0.5% | V 型/螺带混合机 30+ 分钟。目标 ~1 nm 厚薄膜。亲水牌号 60% 相对湿度以上失效 |
| EV 电池热界面/电池包灌封(2024–2026 快速增长) | HJSIL R110 / R620 | 8–15 phr | 必须疏水 —— 固化硅胶中残留水分会催化副产气体释放,危及电池包密封完整性 |
采购、储存与质量控制
包装、起订与交期:
| 形式 | 起订量 | 交期(上海 FOB) |
|---|---|---|
| 10 kg PE 内衬牛皮纸袋(实验,疏水) | 5 袋 | 3–6 周 |
| 15 kg PE 内衬牛皮纸袋(标准,亲水) | 1 托盘(1.2 t) | 3–6 周 |
| 20 / 40 ft 集装箱,可多牌号混装 | 1 柜 | 旺季 4–6 周 / 淡季 3–4 周 |
| FIBC 250 kg | 合同供货 | 按合同 |
疏水牌号密封干燥储存 <25°C,保质期 24 个月。亲水不可逆吸湿 —— 开包后立即倒入密封容器或 60 天内用完(密封 12 月 / 开包 6 月)。松装密度 30–50 g/L,空运很少有成本可行性。
质检文件(每批 CoA 含):
- BET 比表面积 —— 单点 N₂ 吸附法,ISO 9277
- 振实密度 —— ISO 787-11
- 灼烧失重 1000°C × 2 小时 —— ISO 3262-20
- pH(4% 水浆)—— ISO 787-9
- 卡尔费休水分 105°C
- 碳含量(仅疏水牌号)
- 重金属(Pb / As / Cd / Hg —— 化妆/个人护理客户)
法规: REACH 已注册(合成无定形二氧化硅),CLP 自分类非危,无 SVHC。FDA 21 CFR 175.300 间接食品接触/聚合物助剂合规。不是结晶硅(无 IARC Group 1),常规粉体作业 PPE(P100 防尘口罩 + 护目镜),OSHA PEL 5 mg/m³ 可吸入。陆运、海运、空运非危。
规格参数表 — 全部 10 个 HJSIL 牌号
亲水系列
| 牌号 | BET (m²/g) | pH(4% 水浆) | 灼烧失重 1000°C (%) | 振实密度 (g/L) | Aerosil 对标 | HDK 对标 | Cab-O-Sil 对标 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| HJSIL 150 | 150 ± 25 | 3.6–4.5 | 低于 1.5 | 40–60 | Aerosil 150 | HDK V15 | Cab-O-Sil L-90 |
| HJSIL 200 | 200 ± 25 | 3.6–4.5 | 低于 1.5 | 40–60 | Aerosil 200 | HDK N20 | Cab-O-Sil M-5 |
| HJSIL 300 | 300 ± 25 | 3.6–4.5 | 低于 2.0 | 40–60 | Aerosil 300 | HDK T30 | Cab-O-Sil HS-5 |
| HJSIL 380 | 380 ± 30 | 3.6–4.5 | 低于 2.5 | 40–60 | Aerosil 380 | HDK T40 | Cab-O-Sil EH-5 |
疏水系列
| 牌号 | 表面处理 | BET (m²/g) | 碳含量 (%) | pH(4%) | 振实密度 (g/L) | Aerosil 对标 | Wacker 对标 | Cabot 对标 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| HJSIL R110 | PDMS | 100 ± 20 | 3.5–5.5 | 4.0–7.0 | 40–60 | Aerosil R202/R208 | HDK H18 | Cab-O-Sil TS-720 |
| HJSIL R110H | PDMS | 190 ± 20 | 3.5–5.5 | 4.0–7.0 | 40–60 | Aerosil R202/R208 | — | — |
| HJSIL R272 | DDS | 110 ± 20 | 0.6–1.2 | 3.8–5.0 | 40–60 | Aerosil R972 | HDK H15 | Cab-O-Sil TS-610 |
| HJSIL R274 | DDS | 170 ± 20 | 0.7–1.3 | 3.8–5.0 | 40–60 | Aerosil R974 | HDK H20 | — |
| HJSIL R620 | HMDS | 190 ± 10 | 1.5–2.1 | 5.5–8.0 | 40–60 | — | — | — |
| HJSIL R622 | HMDS | 260 ± 30 | 2.8–4.0 | 5.5–7.8 | 40–60 | Aerosil R812 | — | — |
以上数值为典型批次范围,具体承诺规格以批次 CoA 为准。
牌号选型指南
| 应用场景 | 首选牌号 | 选型理由 |
|---|---|---|
| 聚酯凝胶涂层增稠 | HJSIL 200 | 行业标准 BET,在极性树脂中易润湿 |
| 模具树脂/垂直面凝胶涂层 | HJSIL 300 | 高 BET → 网络更强 → 不流挂 |
| 高级触变/精细印刷油墨 | HJSIL 380 | 最高可用 BET,网格最细 |
| RTV-1 硅酮密封胶 | HJSIL R272 或 R110 | 必须疏水;R272 经济型,R110 高端型 |
| LSR / 加成 RTV-2 | HJSIL R110 | PDMS 兼容,补强同等下最低粘度 |
| HCR 硅橡胶 | HJSIL R274 | 中等 BET 疏水,适合开炼工艺 |
| α-氰基丙烯酸酯凝胶 | HJSIL R274(Aerosil R974 对应) | 隔湿是关键 |
| 化妆级粉末抗结块 | HJSIL R110 | PDMS 表面,食品/化妆级 |
| 电缆填料/EV 热界面 | HJSIL R110 | PDMS 表面 = 硅相容,低水分 |
| 溶剂油墨增稠 | HJSIL R274 | 疏水,清漆体系低雾度 |
| 电池电解液凝胶 | HJSIL R620 | HMDS,低离子污染 |
常见问题
HJSIL 和 Aerosil 是同一个产品吗?如何切换?
功能上是 —— HJSIL 使用与 Evonik Aerosil 相同的火焰水解工艺,每个牌号在 BET 比表面积、表面化学、碳含量上都对标 Aerosil 同级别(数值范围在 Evonik 自身批次波动接受度之内)。第一轮试样默认 1:1 直接替换;验证应比较:(1)设计添加量下粘度建立曲线、(2)高剪切后屈服应力恢复、(3)固化态机械性能(弹性体:拉伸/撕裂/硬度;填充树脂:弯曲/夏比冲击)。已交付的 9 例硅酮密封胶配方认证试样中,HJSIL R272 / R110 替换均无需调整配方。例外:高透明度应用 —— 碳含量 >1.0% 可能引入轻微淡黄色,此时 HJSIL R272(低碳)优于 Aerosil R974 对标牌号。综合到岸成本(上海 FOB → 美/欧港口 DDP)较 Aerosil 低 30–45%。
HJSIL 200 与 HJSIL R274 有什么差别?
HJSIL 200 是亲水型(原生硅醇表面)。HJSIL R274 经二甲基二氯硅烷(DMDS)改性,将一部分硅醇封端为三甲基硅氧基。任何满足下述条件之一选 R274:(1)连续相非极性(硅油、PDMS),(2)储存期需要隔湿,(3)施工环境是潮湿空气。极性液体体系(水、醇、聚酯树脂)选 200——单位添加量增稠强度更高。
HJSIL R110 能用于食品接触与药品应用吗?
可以。PDMS 处理的 HJSIL R110 在 FDA 21 CFR 175.300 项下符合间接食品接触要求(食品接触材料中的聚合物助剂)。欧盟食品接触合规由 EFSA 关于合成无定形二氧化硅(E-551)的意见涵盖,但最终配方的宿主聚合物迁移须单独验证。直接食品接触或药品应用,请索取 R110 的 FCF(食品接触级) 变种 —— 增加了重金属与残留硅氮烷的纯度控制。
典型交期与起订量是多少?
疏水牌号试样起订 5 × 10 kg 袋(50 kg);商业供货起订 1 托盘(1.2 t)。亲水牌号起订 1 托盘(1.2 t)。整柜出货可多牌号混装。交期 旺季 4–6 周(3–10 月),淡季 3–4 周,上海 FOB 或代理 CIF/DDP。HJSIL 200 / R272 / R274 / R110 一般有现货。
气相法白炭黑和沉淀法白炭黑有什么不同?
都是无定形 SiO₂,但工艺路线不同。气相法(HJSIL)—— SiCl₄ 在约 1800°C 高温火焰水解 ——无孔初级粒子,7–40 nm,表面能极高。沉淀法 —— 硅酸钠溶液酸化沉淀 —— 多孔粒子,10–50 nm 但有内部孔隙,表面能较低。采购视角的结果:液体体系中气相法的增稠效率为沉淀法的 1.5–3 倍,但沉淀法显著便宜,是轮胎胶料、鞋底、牙膏摩擦剂的正确选择。沉淀法应用见 HPSIL® 健康级白炭黑(牙膏/食品/化妆)与 鞋底用二氧化硅(鞋类配料)。
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