电石表面有机包覆技术的研究

邱尚辉，章 黎，钟文武

(台州学院物理与电子工程学院，浙江台州318000)

电石分子式是CaC2，外观为灰色、棕黄色、黑色或者褐色块状固体，是生产乙炔、石灰氮和钢铁脱硫剂的原料［1－2］。但由于电石表面吸水性强，表面积大，表面原子数多，活性很大，表面原子极容易与环境中的水、氧气、酸、碱等反应，从而使电石发生粉化。将其暴露在空气中，很快就会完全粉化而失去功效［3］。每年有大量的电石由于保存方法不当而受到大量的损失。在电石表面包覆有机层是电石保存的方法的之一。表面包覆是通过表面添加剂与颗粒发生化学反应或表面吸附来改变颗粒的表面状态。用物理、化学方法对粒子表面进行处理，有目的地改变粒子表面的物理化学性质，如果将原始颗粒看作“核”，表面包覆层看作“壳”，则颗粒经包覆以后具有“核－壳”的结构，呈现出某些新的特性和功能［4］。而对电石表面有机包覆技术的研究未见报道，基于这个原因，本文采用对电石包覆工艺进行优化，比较包覆温度、包覆时间、包覆材料对电石防潮性的影响，从而得出较为理想的包覆工艺，使电石能在空气中长期存放而不被粉化，具有较强的实用性。

1 实验材料和方法

采用以下几种材料进行正交，筛选，优化出一种能保护电石不被腐蚀粉化的材料:液体石蜡、聚氨酯、食用菜籽油。

实验方法是，在设定温度下，每个包覆剂包覆两个样品，一个用来放置于空气中，以观察其在室温下，以及空气湿度不能控制的情况下样品存放的时间;另一个将其表面风干，然后放入水中，以便缩短其从开始包覆到粉化的观察过程。最终对优化工艺的电石包覆表面进行红外光谱分析。

2 实验结果与分析

2.1 工艺的优化

正交实验设计如表1 所示，可知，影响因素(A)溶剂温度、(B)浸泡时间、(C)实验材料对电石的包覆效果的影响大小顺序是C ＞B ＞A;在最低的溶剂温度情况下，用最少的浸泡时间而能得到电石保存最久的的方案是在以食用菜籽油为包覆材料，20℃下，浸泡20min。

表1 正交实验设计Table 1 Design of orthogonal experiment

对于用液态石蜡、聚氨酯一次包覆的电石，在水中非常容易与水发生反应，其中原因有两个方面:(1)包覆形成的膜层，由于与电石表面结合不紧密，放于水中时，受到水分子的挤压，产生表面孔隙，使得水分子能通过薄膜到达电石的内部，使其反应放出乙炔，同时，反应过程所产生的乙炔气体从电石表面释放过程中，加快了表面膜的破裂而使得更多的水分子参与反应。(2)包覆不完成，在包覆层上本来就存在缺陷，电石表面并没有完全处于包覆膜的保护下，立即与水发生反应。

以食用菜籽油作包覆材料的样品能保存很长的时间，包覆层厚度非常薄，结果很好，所以我们选用油作为最佳的包覆材料。

将未经表面包覆处理的电石放置于水中，溶液逐渐显示碱性，其水解反应方程式为:

观察未经包覆处理和包覆处理的电石在水中的pH 值变化。未包覆的电石在1min 内pH 值迅速升高，5min 后pH 值保持不变，说明水解接近完全;而最佳工艺下包覆的电石在24h 内溶液的pH 值保持不变，将其在空气中连续放置35 天，未水解，表现出良好的耐水性。

2.2 包覆剂含量的确定

包覆层完整、致密，可以有效阻挡外界水分的侵入，包覆层越薄、越均匀一致对电石性的影响越小。在工艺条件相对固定的条件下，包覆剂的加入量决定电石的吸湿性。为了确定包覆剂的最佳含量，进行了包覆剂含量对电石的吸湿性影响的对比实验，如图1 所示。随着包覆剂的增加，吸湿性迅速减小;当包覆剂含量达到6%以上时，吸湿性减少速度趋缓。当包覆剂含量在4% ～6%之间时，体系的吸水性变化速率较小，有利于工艺的控制，选择包覆剂含量为被包覆的4% ～6%。

图1 包覆剂含量对电石吸湿性的影响Fig.1 The influence of surface additives on the hygroscopicity of CaC2

2.3 红外光谱分析

图2 所示为包覆后电石表面拨离颗粒的红外光谱图。3650cm－1～3590cm－1之间有含游离－OH 在低浓度时伸缩震动的峰位在3643cm－1，在3431cm－1表明可能有物理水的存在。图中存在C =O 的伸缩振动。1080cm－1处表明C － O 基团占的比例比较大。3335cm－1～2500cm－1处表明存在二聚体，存在－COOH。1750cm－1～1735cm－1间表明存在着饱和的脂类基团。表明表面颗粒缓慢地与油的功能团发生了反应，将包覆的电石放入水中不与水相反应，这就说明包覆电石的表面与氧化油脂比较紧密。电石的有机包覆过程中发生了三个重要的过程:(a)电石与有机物的物理包覆;(b)有机物在空气中发生了氧化反应;(c)在较长时间作用下，氧化油脂与少许电石发生了反应，使得有机物与电石更加紧密地结合。

图2 油包覆后的电石表面红外光谱图Fig.2 The infrared spectrum of the CaC2 surface after oil coating

第一个过程，油类在电石的表面包覆了一层油液，其风干的过程在实验室条件(温度19℃、湿度60% ～70%)下极其缓慢，约需要6 ～7 天。其风干过程既是物理吸附的过程，又进行着第二个过程。为使其风干过程加快我们可以采取一些措施。油脂的氧化机理为自由基链式反应，由于菜油所含脂肪酸分子链较长，氧化反应过程采用紫外光长波365nm，照射催化，通气量400L/h，助化剂R1 用量为1.5%，反应时间6h ～7h。快速风干的作用在于便于运输和储存。

第二个过程又称自动氧化过程，随反应进行，其中间状态及初级产物又能加速其反应速度。其中主要表现为不饱和脂肪酸的自动生成氢氧化物。

第三个过程，反应过程过于复杂，机理简单化是电石中的Ca 取代了化合物中的H 基。其过程是氧化油脂在长时间的作用下向电石内部发生了少许的扩散，其中一些电石则裸露在外层与空气中的水发生了反应生成Ca(OH)2，生成的Ca(OH)2再与氧化油脂发生反应生成相应的Ca 的生成物。

3 结论

(1)通过正交实验和比较实验，能获得在空气中能存放35 天的油层包覆电石。确定了包覆的最佳工艺:以食用菜籽油为包覆材料，20℃下，浸泡20min。

(2)通过包覆剂含量对电石吸湿性的实验，确定了较为理想的包覆剂含量。

(3)通过红外光谱分析，可知电石的有机包覆过程中发生了三个重要的过程:(a)电石与有机物的物理包覆;(b)有机物在空气中发生了氧化反应;(c)在较长时间作用下，氧化油脂与少许电石发生了反应，使得有机物与电石更加紧密地结合。

［1］吴樟生. 我国电石行业现状分析与未来展望［J］. 化工管理，2007，21(1):67 －71.

［2］倪丽娟. 电石生成过程中的界面行为研究［D］.北京化工大学，2013.

［3］P. Redondo，C. Barrientos，A. Largo. Structure and stability of binary calcium-carbon compounds:a comparative ab initio and DFT study of CaC2［J］. Chemical Physics Letters，2003，382:150 －159.

［4］耿丽平. Fe3O4磁性纳米材料的有机包覆［D］.兰州理工大学，2010.