中国国家知识产权局2026-04-10发布中国发明专利授权公告：龙星科技集团股份有限公司开发的一种色素炭黑的生产工艺，以国家发明专利授权公告号CN 121825284予以公布；申请日为2025-12-31。该公司针对传统色素炭黑粒径分布宽、分散性差及储存不稳定等行业痛点，提出了一套从原料预处理到成品包装的全流程精准控制方案。该工艺通过引入时序化反应调控、两级急冷协同及定制化表面改性技术，实现了高端色素炭黑性能的显著提升与生产成本的优化平衡。

1.原料预处理与裂解反应工程   油（煤焦油/乙烯焦油/蒽油，重金属≤12 ppm，灰分≤0.1%）经管式预热器加热至423~553 K，通过高压旋转雾化喷嘴在2.5~3.3 MPa压差下实现微米级液滴雾化，以4500 L/h体积流量喷入卧式多段反应炉主反应区。反应区维持1873~2173 K高温与 -10~10 Pa微负压环境，停留时间控制在30~100 ms，使原料油发生不完全燃烧裂解反应。该条件下，雾化液滴经历蒸发、热解、成核与表面生长等多相反应过程，生成初始炭黑粒子。

2.反应调控与界面修饰   的核心突破在于对炭黑颗粒生成过程的微观控制，具体体现在两个关键添加剂的时序化注入：

调聚剂添加：在主反应开始前，通过高压隔膜泵连续注入含钾调聚剂水溶液（K₂CO₃/KNO₃/HCOOK），以钾元素计添加量为原料油质量的0.01~0.2%。K⁺离子作为晶面生长抑制剂，通过选择性吸附于炭黑晶格活性位点，调控颗粒的成核速率与生长取向，抑制非均相团聚，从而实现对初级粒径的精准调控。

多糖溶液注入：在反应终止前30~60 ms的时间窗口内，通过反应炉尾部环形分布器多点注入5~20 wt%​ 多糖溶液（淀粉水解物/纤维素衍生物，平均聚合度100~500，还原糖≤15%），添加量为原料油质量的1~5%，注入速率10~50 mL/min。多糖分子通过氢键与π-π堆积作用在炭黑颗粒表面形成空间位阻层，抑制颗粒间范德华力诱导的不可逆团聚，同时为后续湿法造粒提供桥接粘结位点。

3.急冷淬灭与热历史控制   免高温下炭黑发生二次反应导致结构破坏，工艺采用两级急冷装置实现反应产物的快速热淬灭：

一级急冷：双流体雾化喷淋，冷却介质与高温物料逆流接触，将物料温度骤降至1073~1273 K，冷却速率达10⁴~10⁵ K/s，瞬间冻结炭黑颗粒的微观结构，阻止二次裂解与烧结。

二级急冷：文丘里式对冲喷射冷却，将物料进一步降至553 K以下，消除残余热应力并脱除部分挥发性杂质。

该梯度冷却策略在保证淬灭深度的同时，避免了单一急冷导致的局部温度梯度不均引发的颗粒热应力开裂。

4.湿法造粒与干燥   后的粉状炭黑（含水率≤15%）进入夹套式螺旋搅齿造粒机，加入糖浆类粘结剂（麦芽糖/甘蔗糖蜜，添加量≤3 wt%），在剪切与挤压作用下形成约1 mm球形颗粒。湿颗粒在423~523 K下干燥0.5~1.0 h，控制终含水率≤0.5%。干燥温度的选择兼顾了水分蒸发速率与炭黑表面官能团的热稳定性，避免高温导致含氧基团脱附。

5.表面改性   后的炭黑颗粒在高速混合机中进行硅烷偶联剂接枝改性：加入0.1~1 wt% 硅烷偶联剂（γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷），在353~393 K下搅拌处理20~40 min。偶联剂的烷氧基团首先水解为硅醇，继而与炭黑表面的羟基（-OH）发生脱水缩合反应，形成Si-O-C共价键，在颗粒表面构建单分子层有机包覆层。该包覆层显著降低了炭黑的表面自由能，改善了其在有机聚合物基体中的润湿性与分散性。

6.粒度分级与成品包装   后的炭黑经气流分级机进行精密分级，通过调节分级轮转速（3000~4000 r/min）实现目标粒径截取（如D50=30±2 μm或50±2 μm）。合格品在相对湿度≤45%​ 的洁净环境中采用双层防静电复合包装袋封装，内层聚乙烯保证气密性，外层聚丙烯提供机械强度，防止储存期内吸潮、氧化及静电积聚。

7.技术优势与创新总结   艺相比传统方案具有以下关键提升：

精准时序控制：调聚剂在反应前介入，多糖在反应终止前30~60 ms窗口注入，实现颗粒生长的分段调控。

两级急冷协同：先双流体雾化、后文丘里对冲喷射，兼顾降温速率与均匀性，有效抑制二次反应。

表面改性定制：特定硅烷偶联剂在353~393 K下接枝处理，显著提升在油墨、涂料、塑料中的分散性。

综合性能提升：氮吸附比表面积提升约30.6%，挥发份降低42.9%，着色力提升23.5%，分散细度改善50%，生产效率提高近90%。该发明通过全链条参数的精细化设计与工序间的时序匹配，实现了色素炭黑从"粗放生产"向"精准定制"的技术跨越，可满足通用油墨、高端涂料、橡胶填充等多领域的差异化高性能需求。