CN103044478A - 有机硅材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有机硅材料的制备方法,该制备方法采用水解原料、聚合甲基硅醇的活化、可溶性硅溶液的制备、水合铝离子的制备和有机硅材料的制备等步骤，具有实验设备简单、工艺流程短、切合实际生产应用，环境污染小以及低能耗等特点。采用本发明提供的有机硅材料的制备方法所制得的有机硅材料具有特殊的结构，精细的微粒，极好的悬浮性和纯白的外观，可部分代替钛白粉或硅酸铝的应用。本发明适用于涂料、塑料、橡胶等产品添加剂的使用。

Description

有机硅材料的制备方法
技术领域
本发明属于精细化工中材料制备领域，具体涉及一种有机硅材料的制备方法。
背景技术
有机硅材料是一组功能独特、性能优异的化工新材料，具有耐低/高温、耐老化、耐化学腐蚀性、绝缘、不燃等性能，产品种类繁多，应用非常广泛；有机硅材料被誉为“工业味精”，在军工等一些领域具有无可替代的作用。
硅酸铝盐或其聚合物是近几年发展起来的一种新型功能材料，该新型材料凭借其特殊的结构，精细的微粒和纯白的外观，可广泛应用于水处理及涂料、塑料、橡胶等产品添加剂，不仅降低成本，还提高上述产品的性能和稳定性。
有机硅材料的单体主要指二甲基二氯硅烷，在生产过程中有约14%左右的副产物——甲基三氯硅烷，现有技术中并没有完全将其开发利用，且该副产物易燃、有毒、处理难度较大，给环境和安全带来隐患，将其合理有效的利用是具有重要意义的。
发明内容
本发明要解决的技术问题，是提供一种有机硅材料的制备方法，该制备方法具有实验设备简单、工艺流程短、切合实际生产应用，绿色环保等特点；所制得的有机硅材料具有特殊的结构，精细的微粒，极好的悬浮性和纯白的外观，可部分代替钛白粉和硅酸铝的应用。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种有机硅材料的制备方法，它按照以下步骤顺序进行：
（1）原料的水解
以甲基三氯硅烷为原料，加入水后，甲基三氯硅烷与水在常温下进行水解，得到白色絮状聚合甲基硅醇；
（2）聚合甲基硅醇的活化
将上述聚合甲基硅醇水洗至pH为5～6，90℃干燥，100～400℃在马弗炉中加热活化2h～4h；得到活化后的聚合甲基硅醇；
（3）可溶性硅溶液的制备
按质量比为8～5:2～4把氢氧化钠和活化后的甲基硅醇混合均匀，再加入8～1:1的水—乙醇溶液作为反应溶剂，60～80℃加热并搅拌，直至澄清透亮，得可溶性硅溶液；
（4）水合铝离子的制备
用35%的氢氧化钠溶液加热溶解氢氧化铝或铝盐，得澄清透亮水合铝离子溶液；
（5）有机硅材料的制备
将水合铝离子溶液搅拌加热至20～80℃，缓慢滴加可溶性硅溶液，直至不产生白色沉淀为止，再继续搅拌加热0.5h，将该混合物静置陈化8～12小时，过滤，干燥，得超细白色粉末产品—有机硅材料。
作为本发明的一种限定，步骤（4）中的铝盐为氢氧化铝或含铝离子的废液。
作为对上述方式的限定，步骤（4）中的加热温度为20～50℃，控制pH值10～13。
通过如上方法制备获得的有机硅材料包括以下每百份计的化学元素组成：
硅元素含量   28.4～38.4，      铝元素含量     13.7～20.0，
钠元素含量   4.0～6.2，        碳元素含量     12.2～16.0，
氢元素含量   3.04～4.0，       余量为氧元素。
其中，硅元素与氧元素结合，铝元素与氧元素结合，钠元素也与氧元素结合，碳元素和氢元素结合，以甲基的形式存在；产物中有O—H，Si—O，Si—CH3，Si—O—Si， Si—O—Al，Si—O—Na等结构，终产物是以铝原子为中心原子的二啮或三啮配合物的聚合形式存在。
将上述制得的有机硅材料利用相应的仪器进行表征，其物理特性及形貌如下所示：
白度为92～99%，堆积密度0.25～0.27g/cm-3，平均团聚粒径为2 ～5μm，元级粒径为0.3～0.5μm，不溶于水，耐强碱，分解温度为700℃～1000℃，热稳定性良好。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
（1）有机硅生产构成循环经济体系，废物利用和新产品的研发，其经济、环保效益十分显著，将有机硅单体生产过程中的副产物——甲基三氯硅烷合理有效的利用，制备出有机硅材料——甲基硅酸铝，该有机硅材料具有特殊的结构，精细的微粒，极好的悬浮性和纯白的外观，可部分代替钛白粉和硅酸铝应用于涂料、塑料、橡胶等产品添加剂。其化学元素含量具有低硅铝比，较现有的硅酸铝，元素铝含量增加，元素硅减少，硅和铝的物质量之比接近于2：1，钠含量较低，且含疏水基团甲基，关键是产品中没有铁元素和其它重金属，以及高价强氧化性元素，无毒等特点；
（2）该制备方法具有切合实际生产应用，经济适用，绿色环保等特点；
（3）在制备聚合甲基硅醇的过程中会产生氯化氢，可进行回收利用，作为合成氯甲烷的原料；
（4）采用本发明所提供的制备方法所制得的有机硅材料较现有的钛白粉和硅酸铝具有白度高，光散射性能好,平均团聚粒径小，悬浮性好，有良好的抗沉降性，超微特性及高分散性能，无毒，生产成本低廉等特点。
本发明适用于涂料、塑料、橡胶等产品添加剂的使用。
本发明下面将结合具体实施例作进一步详细说明。
具体实施方式
实施例１
一种有机硅材料的制备方法，它按照以下步骤顺序进行：
（1）原料的水解
以2mL甲基三氯硅烷为原料，加入5mL水后，甲基三氯硅烷与水在常温下进行水解，立即产生白色絮状物，同时产生氯化氢气体，采用特定循环装置回收产生的氯化氢气体，过滤白色絮状物得4g聚合甲基硅醇。其中产生的氯化氢，可进行回收利用，作为合成氯甲烷的原料。
（2）聚合甲基硅醇的活化
将4g聚合甲基硅醇水洗至pH为6，90℃干燥，300℃在马弗炉中加热活化3h；得到活化后的聚合甲基硅醇3.5g。
（3）可溶性硅溶液的制备
把质量比为2:1的氢氧化钠和活化后的甲基硅醇即2g氢氧化钠和1g活化后的甲基硅醇混合均匀，再加入6:1的水—乙醇溶液作为反应溶剂，60℃加热并搅拌，直至澄清透亮，得可溶性硅溶液100mL，固含量约20%。
（4）水合铝离子的制备
用35%的600mL氢氧化钠溶液在50℃加热溶解20g氢氧化铝，调节pH值为12，得澄清透亮水合铝离子溶液，制得的水合铝离子溶液的浓度约为0.6mol/L。
（5）有机硅材料的制备
将10mL上述水合铝离子溶液搅拌加热至50℃，往其中缓慢滴加30mL可溶性硅溶液，直至不产生白色沉淀为止，再继续搅拌加热0.5h，将该混合物静置陈化10h，过滤，干燥，得0.54g超细白色粉末产品—有机硅材料即甲基硅酸铝。
本实施例所制得有机硅材料利用相应的仪器进行表征，结果其物理特性及形貌如下所示：
白度为97%，堆积密度为0.27g/cm-3，平均团聚粒径为3μm，元级粒径为0.4μm，不溶于水，耐强碱，分解温度为750℃，热稳定性良好。
本实施例中所制得的有机硅材料经检测包括以下每百份计的化学元素组成：
硅元素含量    31.8，       铝元素含量     13.7，
钠元素含量    5.5，        碳元素含量     13.5，
氢元素含量    3.5，        余量为氧元素。
所述的有机硅材料中硅元素与氧元素结合，铝元素与氧元素结合，钠元素也与氧元素结合，碳元素和氢元素结合，以甲基的形式存在；产物中有O—H，Si—O，Si—CH3，Si—O—Si， Si—O—Al，Si—O—Na等结构，终产物主要是以铝原子为中心原子的二啮或三啮配合物的聚合形式存在。
产品中的有机基团甲基和硅原子相连，硅和铝通过氧原子结合，硅和钠也通过氧原子结合，该产物的宏观形态是聚合产品，其中的二啮或三啮结合是随机的。
实施例2-5
实施例2-5分别为一种有机硅材料的制备方法，其制备方法与实施例1的不同之处仅在于所涉及的参数、制备出的有机硅材料的元素含量和产品的表征结果，如下表所示：
Figure 333004DEST_PATH_IMAGE001
由上表可知，采用实施例2-5的制备方法所制得的有机硅材料：白度计测产品白度为92～99%，堆积密度0.25～0.27g/cm-3，用SEM电镜测定产品的平均团聚粒径为2 ～5μm，元级粒径为0.3～0.5μm，不溶于水，耐强碱，TD-300型X射线衍射仪测定分解温度为700℃～1000℃，热稳定性良好。

Claims (3)

1.一种有机硅材料的制备方法，其特征在于它按照以下步骤顺序进行：
（1）原料的水解
以甲基三氯硅烷为原料，加入水后，甲基三氯硅烷与水在常温下进行水解，得到白色絮状聚合甲基硅醇；
（2）聚合甲基硅醇的活化
将上述聚合甲基硅醇水洗至pH为5～6，90℃干燥，100～400℃在马弗炉中加热活化2h～4h；得到活化后的聚合甲基硅醇；
（3）可溶性硅溶液的制备
按质量比为8～5:2～4把氢氧化钠和活化后的甲基硅醇混合均匀，再加入8～1:1的水—乙醇溶液作为反应溶剂，60～80℃加热并搅拌，直至澄清透亮，得可溶性硅溶液；
（4）水合铝离子的制备
用35%的氢氧化钠溶液加热溶解氢氧化铝或铝盐，得澄清透亮水合铝离子溶液；
（5）有机硅材料的制备
将水合铝离子溶液搅拌加热至20～80℃，缓慢滴加可溶性硅溶液，直至不产生白色沉淀为止，再继续搅拌加热0.5h，将该混合物静置陈化8～12小时，过滤，干燥，得超细白色粉末产品—有机硅材料。
2.根据权利要求1所述的制备有机硅材料的方法，其特征在于：步骤（4）中的铝盐为氢氧化铝或含铝离子的废液。
3.根据权利要求1或2所述的有机硅材料的制备方法，其特征在于:步骤（4）中的加热温度为20～50℃，控制pH值10～13。
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