CN101723317B

CN101723317B - 在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的方法及装置

Info

Publication number: CN101723317B
Application number: CN 200910213723
Authority: CN
Inventors: 李振华; 刘莉; 冯钦邦; 徐宁; 王跃林; 申士和
Original assignee: Guangzhou Gbs High Tech & Industry Co ltd
Current assignee: Guangzhou Hui Fu Research Institute Co ltd; Hubei Huifu Nano Materials Co Ltd
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2029-12-09
Also published as: CN101723317A

Abstract

一种在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的方法及装置，该方法包括如下步骤：A、纳米二氧化硅在载气的作用下从物料进口连续输入流化床反应炉，表面处理剂从表面处理剂入口连续输入流化床反应炉，处理助剂从处理助剂入口连续输入流化床反应炉；控制纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂的质量比，使纳米二氧化硅∶表面处理剂∶处理助剂为(1-2)∶(0.05-0.5)∶(0-0.03)；纳米二氧化硅、表面处理剂及处理助剂在流化床反应炉内反应，反应的温度为150至350摄氏度，反应时间为5至40分钟；C、反应后生成的产品从出料口排出，再经过后处理装置处理后输出。所生产的产品具有良好的疏水率，产品质量更高、性能更稳定。

Description

在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的方法及装置。

背景技术

气相纳米二氧化硅由于其独特的物理化学性质而被广泛应用于橡胶、塑料、涂料、油墨、胶粘剂、化妆品、医药制药、农业等领域，起到补强、增稠、触变、消光、消泡、防沉降、防流挂和防老化等作用。气相纳米二氧化硅采用有机卤化物(如四氯化硅、甲基三氯硅烷等)通过火焰高温水解制得纳米二氧化硅气凝胶，然后经过聚集、分离和脱酸等工艺处理而得到纳米二氧化硅，也称为气相法白炭黑或气相纳米二氧化硅。此法所得的纳米二氧化硅产品纯度高(纳米二氧化硅含量大于99.8％)，产品的原生粒径在7～40nm之间，比表面积为100～400m²/g，具有优异的补强性、增稠和触变性能，但由于产品表面含有大量的硅羟基(也称硅醇基，Si-OH)，易形成氢键而使得产品具有亲水性，影响了气相纳米二氧化硅在有机聚合物中的均匀分散，无法满足某些行业的特殊需要，极大地抑制了气相纳米二氧化硅的应用。为改善气相纳米二氧化硅颗粒与有机物分子之间的浸润性、相容性、分散性、界面结合强度，提高聚合物复合材料的综合性能，拓宽产品的应用领域，需要对亲水性产品进行表面处理，以除去亲水性纳米二氧化硅产品表面大量的硅羟基，以使其具有良好的疏水率。

现有的处理亲水型纳米二氧化硅的方法存在如下缺陷：

1、现有的湿法表面处理方法由于表面处理剂不是气态，无法实现在线连续生产，影响产品生产的质量及效率，而且反应速率慢，后处理耗能高；

2、反应炉及后处理装置的加热方式易造成局部温度过高，炉内纳米二氧化硅受热不均，影响反应效果，而且能耗过高；

3、纳米二氧化硅及表面处理剂、处理助剂混合不均匀，影响产品质量；

4、尾气及未反应表面处理剂、处理助剂无法进行回收利用，不利于降低成本及环境保护。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的方法及装置，本发明所生产的产品具有良好的疏水率，产品质量更高。

其技术方案如下：

一种在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的方法，其包括如下步骤：

A、纳米二氧化硅在载体的作用下从物料进口连续输入流化床反应炉，表面处理剂从表面处理剂入口连续输入流化床反应炉，处理助剂从处理助剂入口连续输入流化床反应炉；控制纳米二氧化硅、处理剂、处理助剂的质量比，使纳米二氧化硅∶表成处理剂∶处理助剂为(1-2)∶(0.05-0.5)∶(0-0.03)；

B、纳米二氧化硅、表面处理剂及处理助剂在流化床反应炉内反应，反应的温度为150至350摄氏度，反应时间为5至40分钟；

C、反应后生成的产品从出料口排出，再经过后处理装置处理后输出。

在所述A步骤之前，还有一个步骤：A0、以干燥惰性气体为载体，将纳米二气化硅输送至预处理器进行干燥预处理；同时分别将所述表面处理剂、处理助剂经高温气化。

在所述A步骤中，纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂在流化床反应炉内的流速为0.005至0.10米/秒。

在所述C步骤中，反应后生成的产品经后处理装置进行后处理，再从后处理装置下出口进入分级器；后处理装置解吸的尾气经除尘装置除尘后，输送至洗涤塔用吸收剂进行循环吸收；流化床反应炉尾气从顶部排出，再经过除尘后进入流化床反应炉的表面处理剂入口。

所述表面处理剂、处理助剂的组分可以为以下其中之一：

所述表面处理剂、处理助剂一、处理助剂二分别为硅氮烷、1～8个碳的醇、水；

或者，所述表面处理剂、处理助剂分别为硅氮烷、1～8个碳的醇；

或者，所述表面处理剂、处理助剂分别为硅氮烷、水；

或者，所述表面处理剂、处理助剂一、处理助剂二分别为硅氧烷、氯硅烷、HCl；

或者，所述表面处理剂、处理助剂一、处理助剂二分别为硅氧烷、HCl、氯硅烷；

或者，所述表面处理剂、处理助剂分别为硅氧烷、氯硅烷；

或者，所述表面处理剂、处理助剂分别为硅氧烷、HCl；

或者，所述表面处理剂、处理助剂分别为氯硅烷、1～8个碳的醇；

(其中，硅氮烷可为六甲基二硅氮烷、四甲基二乙烯基二硅氮烷等；1～8个碳的醇可包括甲醇、乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、戊醇、正己醇、辛醇等；氯硅烷可包括二甲基二氯硅烷、三甲基氯硅烷、二甲基氯硅烷、癸基二甲基氯硅烷等；硅氧烷可包括聚二甲基硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷、辛基三甲氧基硅氧烷、乙烯基硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、环氧硅氧烷等。)

本发明还公开了一种在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的装置，其包括流化床反应炉及后处理装置，在流化床反应炉的下部设有纳米二氧化硅进口、表面处理剂入口、处理助剂入口，在流化床反应炉的上部设有出料口，出料口与后处理装置相通。

该装置还包括有加热器，在所述流化床反应炉、后处理装置的外壁均设有夹套，在流化床反应炉、后处理装置上均设有夹套入口、夹套出口；所述流化床反应炉的夹套通过其夹套入口、夹套出口分别与循环加热器相通；后处理装置的夹套通过其夹套入口、夹套出口分别与循环加热器相通。

在所述纳米二氧化硅进口的前方设有预处理器及输送计量器，在输送计量器上设有计量出口、计量进口及载体输入口，计量进口与预处理器相通，计量出口与所述纳米二氧化硅进口相通。

在所述后处理装置上设有尾气排出口，在所述后处理装置的后方设有除尘装置，尾气排出口与除尘装置相通，除尘装置与所述的循环吸收洗涤塔相通。

在所述表面处理剂入口的前方设有气化加热器及载体输入口、处理剂输入口，载体输入口、表面处理剂输入口通过气化加热器与所述表面处理剂入口相通。

在所述处理助剂入口的前方设有气化加热器及载体输入口、处理助剂输入口，载体输入口、处理助剂输入口通过气化加热器与所述处理助剂入口相通。

在所述流化床反应炉反应腔的下部并行的设有多个分流板；相邻两个分流板相互倾斜，其上部相互靠近、下部相互远离，或者，其上部相互远离、下部相互靠近，而使所述相邻两个分流板的断面呈“V”形排列。

在所述流化床反应炉反应腔内并行的导流板，导流板位于所述分流板的上方；相邻两个导流板相互倾斜，其上部相互靠近、下部相互远离，或者，其上部相互远离、下部相互靠近，而使所述相邻两个导流板的断面呈“V”形排列。

综上所述，本发明的优点是：

1、在对纳米二氧化硅的加工过程中，采用表面处理剂及处理助剂，反应速率更快，使得产品的质量更高；

2、生产过程中产生的尾气及未反应表面处理剂、处理助剂进行循环利用，降低了生产过程中的成本及保护环境；

3、流化床反应炉及后处理装置的夹套内的传热介质通过加热装置进行循环加热，加热更均匀，温度控制更准确，大大降低能耗；

4、在流化床反应炉的反应腔内设有分流板及导流板，使得气相的纳米二氧化硅、表面处理剂及处理助剂的混合更均匀、充分，提高了产品的质量和性能稳定性；

5、表面处理剂及液体处理助剂在进入流化床反应炉之前均进行加热气化，可以实现在线反应，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明实施例中，所用的在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的装置的结构图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图2的B-B剖视图；

附图标记说明：

1、流化床反应炉，2、表面处理剂入口，3、处理助剂一入口，4、出料口，5、预处理器，6、分级器，7、纳米二氧化硅进口，8、后处理装置，9、夹套入口，10、夹套出口，11、循环加热器，12、输送计量器，13、尾气排出口，14、布袋除尘器，15、尾气洗涤器，16、流化床反应炉尾气出口17、载体输入口，18、处理剂输入口，19、处理助剂输入口，20、分流板，21、导流板，22、气化加热器，23、夹套，24、处理助剂二入口，25、处理剂计量装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

如图1所示，一种在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的装置，其包括流化床反应炉1及后处理装置8，在流化床反应炉的下部设有纳米二氧化硅进口7、表面处理剂入口2、处理助剂一入口3，处理助剂二入口24，在流化床反应炉的上部设有出料口4，出料口4与后处理装置相通，流化床反应炉顶部设有尾气出口16，尾气出口16与布袋除尘器14相通。

具体而言，该流化床反应炉1及后处理装置8含有加热系统，在所述流化床反应炉1、后处理装置8的外壁均设有夹套23，在流化床反应炉1、后处理装置8上均设有夹套入口9及夹套出口10；所述流化床反应炉的夹套23通过其夹套入口9、夹套出口10分别与所述循环加热器11相通；后处理装置8的夹套23通过其夹套入口9、夹套出口10分别与所述循环加热器11相通。

在所述纳米二氧化硅进口7的前方设有预处理器5及输送计量器12，在输送计量器12上设有计量出口、计量进口及载体输入口17，计量进口与预处理器5相通，计量出口与所述纳米二氧化硅进口7相通。在所述后处理装置8上设有尾气排出口13，在所述后处理装置8的后方设有除尘装置(即布袋除尘器14及尾气洗涤器15)，尾气排出口13与除尘装置相通，除尘装置14与尾气洗涤塔15相通。

在所述表面处理剂入口2的前方设有气化加热器22、处理剂计量装置25及载体输入口17、表面处理剂输入口18，载体输入口17、表面处理剂输入口18通过气化加热器22与所述表面处理剂入口2相通。在所述处理助剂一入口3和处理助剂二入口24的前方设有气化加热器22、处理剂计量装置25及载体输入口17、处理助剂输入口19，载体输入口17、处理助剂输入口19通过气化加热器22分别与所述处理助剂一入口3和处理助剂二入口24相通。

在所述流化反应炉反应腔的下部并行的设有多个分流板20；相邻两个分流板20相互倾斜，其上部相互靠近、下部相互远离，或者，其上部相互远离、下部相互靠近，而使所述相邻两个分流板20的断面呈“V”形排列。在所述流化反应炉反应腔内并行的设有多个导流板21，导流板21位于所述分流板20的上方；相邻两个导流板21相互倾斜，其上部相互靠近、下部相互远离，或者，其上部相互远离、下部相互靠近，而使所述相邻两个导流板21的断面呈“V”形排列。

本实施例采用的在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的方法，其包括如下步骤：

A0、以干燥惰性气体为载体，将纳米二气化硅输送至预处理器5进行干燥预处理；同时分别将所述表面处理剂、处理助剂经高温气化；

A、纳米二氧化硅在载体的作用下从物料进口连续输入流化床反应炉1，表面处理剂从表面处理剂入口2连续输入流化床反应炉1，处理助剂从处理助剂一入口3和(或)处理助剂二入口24连续输入流化床反应炉1(纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂在流化床反应炉1内的流速为0.005至0.10米/秒)；控制纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂的质量比，使纳米二氧化硅∶表成处理剂∶处理助剂为(1-2)∶(0.05-0.5)∶(0-0.03)；

B、纳米二氧化硅、表面处理剂及处理助剂在流化床反应炉1内反应，反应的温度为150至350摄氏度，反应时间为5至40分钟；

C、反应后生成的产品从出料口4排出，再经过后处理装置处理后输出；即反应后生成的产品经后处理装置8进行后处理，后处理产品进入分级器6，流化床反应炉尾气从顶部出口排出，经过布袋除尘后输送至表面处理剂入口2进入流化床反应炉循环利用。后处理装置尾气经布袋除尘后进入尾气洗涤塔15用吸收剂循环吸收。

根据不同的产品牌号不同，所述表面处理剂、处理助剂的组分及配比可以为以下其中之一：

所述表面处理剂、处理助剂一、处理助剂二分别为六甲基二硅氮烷、乙醇、水；且纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂一、处理助剂二的配比分别为1.0∶0.05∶0.01∶0.01。

或者，所述表面处理剂、处理助剂分别为聚二甲基硅氧烷、二甲基二氯硅烷；且纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂的配比分别为1.1∶0.1∶0.01。

或者，所述表面处理剂、处理助剂分别为二甲基二氯硅烷、甲醇；且纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂的配比分别为1.2∶0.18∶0.02。

或者，所述表面处理剂、处理助剂分别为聚二甲基硅氧烷、HCl；且纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂的配比分别为1.2∶0.3∶0.03。

或者，所述表面处理剂、处理助剂一、处理助剂二分别为六甲基二硅氮烷、正丙醇、水；且纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂一、处理助剂二的配比分别为2.0∶0.25∶0.02∶0.01。

或者，所述表面处理剂、处理助剂分别为八甲基环四硅氧烷、HCl、二甲基二氯硅烷；且纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂一、处理助剂二的配比分别为1.0∶0.2∶0.02∶0.005。

或者，所述表面处理剂、处理助剂分别为聚二甲基硅氧烷、HCl；且纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂的配比分别为1.4∶0.14∶0.01。

针对不同的产品牌号，其对应的表面处理剂、处理助剂的组分及配比如表1所示(为方便起见，六甲基二硅氮烷、聚二甲基硅氧烷、二甲基二氯硅烷、八甲基环四硅氧烷分别用HMDS、PDMS、DMDS、D4代替)；所生产的各牌号的产品的各项指标见表2。

目前采用的处理亲水型纳米二氧化硅的方法中(不采用处理助剂)时的参数见表3，所生产的各牌号的产品的各项指标见表4。

通过对比可以看出，采用本实施例所述方法及装置所生产的产品的质量更高，具有良好的疏水率，表面处理反应所需能耗更低。

表1

表2

表3

表4

以上仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围；在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。

Claims

1.一种在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

A、纳米二氧化硅在载体的作用下从物料进口连续输入流化床反应炉，表面处理剂从表面处理剂入口连续输入流化床反应炉，处理助剂经精确计量从处理助剂入口连续输入流化床反应炉；控制纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂的质量比，使纳米二氧化硅：表面处理剂：处理助剂为(1-2)∶(0.05-0.5)∶(0-0.03)；

B、纳米二氧化硅、处理剂及处理助剂在流化床反应炉内反应，反应的温度为150至350摄氏度，反应时间为5至40分钟；

C、反应后生成的产品从出料口排出，再经过后处理装置处理后输出；

所述表面处理剂、处理助剂分别为硅氮烷、1～8个碳的醇，或者分别为硅氮烷、水，或者分别为硅氮烷、1～8个碳的醇和水，或者分别为硅氧烷、氯硅烷，或者分别为氯硅烷、1～8个碳的醇，或者分别为硅氧烷、HCl和氯硅烷，或者分别为硅氧烷、HCl。

2.如权利要求1所述在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的方法，其特征在于，在所述A步骤之前，还有一个步骤：

A0、以干燥惰性气体为载体，将纳米二气化硅输送至预处理器进行干燥预处理；同时分别将所述表面处理剂、处理助剂经高温气化。

3.如权利要求1所述在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的方法，其特征在于，在所述A步骤中，纳米二氧化硅、表面处理剂、处理助剂在流化床反应炉内的流速为0.005至0.10米/秒。

4.如权利要求1所述在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的方法，其特征在于，在所述C步骤中，反应后生成的产品经后处理装置进行后处理，流化床反应炉顶部排出的尾气经除尘后进入流化床反应炉表面处理剂入口。

5.一种在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的装置，其特征在于，包括流化床反应炉及后处理装置，在流化床反应炉的下部设有纳米二氧化硅进口、表面处理剂入口、处理助剂入口，在流化床反应炉的上部设有出料口，出料口与后处理装置相通。

6.如权利要求5所述在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的装置，其特征在于，该装置还包括有加热器、后处理装置，在所述流化床反应炉、后处理装置的外壁均设有夹套，在流化床反应炉、后处理装置上均设有夹套入口、夹套出口；所述流化床反应炉的夹套通过其夹套入口、夹套出口分别与循环加热器相通；后处理装置的夹套通过其夹套入口、夹套出口分别与循环加热器相通。

7.如权利要求5所述在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的装置，其特征在于，在所述纳米二氧化硅进口的前方设有预处理器及输送计量器，在输送计量器上设有计量出口、计量进口及载体输入口，计量进口与预处理器相通，计量出口与所述纳米二氧化硅进口相通。

8.如权利要求5至7中任一项所述在线连续表面处理亲水型纳米二氧化硅的装置，其特征在于，在所述流化反应炉反应腔的下部并行的设有多个分流板；相邻两个分流板相互倾斜，其上部相互靠近、下部相互远离，或者，其上部相互远离、下部相互靠近。