CN107551608B - 一种疏水性白炭黑的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种疏水性白炭黑的制备方法，通过改性处理剂和表面处理工艺对亲水白炭黑进行处理，提高了白炭黑表面基团与聚醚改性硅油之间的亲和性，获取的疏水白炭黑与聚醚改性硅油混合后能够抑制沉降的发生，进而改善了消泡剂的外观和应用性能，从而达到了优越消泡性和持久抑泡性的平衡；该制备方法简单安全，步骤少，流程简单。

Description

一种疏水性白炭黑的制备方法

技术领域

本发明涉及有机化学技术领域，尤其涉及一种疏水性白炭黑的制备方法。

背景技术

消泡剂根据主要成分的不同，大体可以分为非硅系和硅系两大类。非硅系以消泡剂主要包括聚醚类消泡剂、矿物油消泡剂和高碳醇消泡剂；而硅系消泡剂的主要成分则为硅油、白炭黑硅油膏或特殊改性硅油。硅系消泡剂是目前应用最广的一类消泡剂。

在改性硅油消泡剂中，聚醚改性硅油是目前应用和生产最多的一类。聚醚改性硅油是在硅氧烷分子中通过硅氢加成反应引入聚醚链段制得的聚醚-硅氧烷共聚物。相比于简单的将硅油与聚醚及其它助剂混合后得到的聚醚-硅油复配消泡剂，实际应用中发现聚醚类消泡剂的抑泡能力强，但消泡能力较一般聚硅氧烷类消泡剂差很多。

在很多应用领域，如造纸、纺织印染、油品加工、污水处理、石油开采及输送等，需要消泡剂同时具备很好的消泡功能和抑泡功能。在聚醚改性硅油里添加白炭黑可大大提高其消泡速度，优化消抑泡平衡性。

但是，现有的白炭黑存在以下缺陷：现有的白炭黑在聚醚改性硅油体系里的抗沉降性差，很容易发生分层析出现象，影响消泡剂的外观和应用性能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种疏水白炭黑的制备方法，该疏水白炭黑与聚醚改性硅油之间的亲和性强，与聚醚改性硅油混合后能够抑制沉降的发生，进而改善了消泡剂的外观和应用性能，从而达到了优越消泡性和持久抑泡性的平衡；制备步骤少，流程简单，操作安全。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种疏水白炭黑的制备方法，按照以下方法制备而成：分别将处理剂和亲水白炭黑放入反应器中，混合均匀，加入第一催化剂，升温反应，脱除副产物，即得所述疏水白炭黑；

所述处理剂的分子结构式如结构式Ⅰ所示：

其中，n＝0-100；R为羟基、羧基、环氧基、氢基或其他与硅羟基有反应活性的基团；R₁、R₂、R₃均为烷烃基。

进一步地，n＝10-50；R₁、R₂、R₃均为甲基、乙基或丙基。

进一步地，所述亲水白炭黑由气相法或沉淀法制备而成。

进一步地，所述第一催化剂为N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基二甲基甲氧基硅烷和3-氨丙基二甲基甲氧基硅烷中的一种或任意组合。

进一步地，所述处理剂的用量为所述亲水白炭黑重量的10-35％；所述第一催化剂的用量为所述亲水白炭黑重量的0.2-3.0％。

进一步地，分别将处理剂和亲水白炭黑放入反应器中，混合均匀，加入第一催化剂，升温至60-200℃，控制反应时间为2-18h，抽真空脱除副产物，即得所述疏水白炭黑。

进一步地，所述处理剂按照以下方法制备而成：

一次加入步骤：将羟基三(三烷基硅氧基)硅烷单体加入反应容器中；

二次加入步骤：在氮气保护的条件下，加入双官能团硅油，搅拌均匀；

反应步骤：加入第二催化剂，升温反应；

出料步骤：抽真空，回流冷凝，脱除副产物，降温出料，即得所述处理剂。

进一步地，在所述一次加入步骤中，羟基三(三烷基硅氧基)硅烷单体的分子结构式如结构式Ⅱ所示：

其中，X₁、X₂、X₃均为甲基、乙基或丙基。

进一步地，在所述二次加入步骤中，双官能团硅油与羟基三(三烷基硅氧基)硅烷单体的摩尔比为1:1；所述双官能团硅油的一端带有硅羟基或硅氢基，所述双官能团硅油的另一端带有羟基、羧基、环氧基、氢基或其他与硅羟基有反应活性的基团。

进一步地，在所述反应步骤中，升温至40-95℃，反应2-18h；所述第二催化剂的用量为双官能团硅油与羟基三(三烷基硅氧基)硅烷单体重量之和的0.01-2.0％；所述第二催化剂为醋酸、己酸、辛酸、庚酸和氯铂酸中的一种或任意组合。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明所提供的疏水性白炭黑的制备方法，通过特殊的改性处理剂和表面处理工艺对亲水白炭黑进行处理，提高了白炭黑表面基团与聚醚改性硅油之间的亲和性，所获取的疏水白炭黑与聚醚改性硅油混合后能够抑制沉降的发生，进而改善了消泡剂的外观和应用性能，从而达到了优越消泡性和持久抑泡性的平衡；该制备方法简单安全，步骤少，流程简单。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供的疏水白炭黑与聚醚改性硅油混合后的效果图；

图2为本发明对比例1所提供的疏水白炭黑与聚醚改性硅油混合后的效果图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

一种疏水白炭黑的制备方法，按照以下方法制备而成：分别将处理剂和亲水白炭黑放入反应器中，混合均匀，加入第一催化剂，升温至60-200℃，控制反应时间为2-18h，抽真空脱除副产物，即得疏水白炭黑；处理剂的分子结构式如结构式Ⅰ所示：

其中，n＝0-100，优选为10-50；R为羟基、羧基、环氧基、氢基或其他与硅羟基有反应活性的基团；R₁、R₂、R₃均为烷烃基，短链烃，优选为甲基、乙基或丙基。

作为进一步的实施方式，所述第一催化剂为N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基二甲基甲氧基硅烷和3-氨丙基二甲基甲氧基硅烷中的一种或任意组合。

作为进一步的实施方式，所述处理剂的用量为所述亲水白炭黑重量的10-35％；所述第一催化剂的用量为所述亲水白炭黑重量的0.2-3.0％。

作为进一步的实施方式，处理剂按照以下方法制备而成：

一次加入步骤：将羟基三(三烷基硅氧基)硅烷单体加入反应容器中；

二次加入步骤：在氮气保护的条件下，加入等摩尔比的双官能团硅油，搅拌均匀；

反应步骤：加入有机酸催化剂，升温反应；

出料步骤：抽真空，回流冷凝，脱除小分子副产物，确保反应进行完全，降温出料，即得处理剂。

作为进一步的实施方式，在二次加入步骤中，双官能团硅油的一端带有硅羟基或硅氢基，另一端为带保护基团或不带保护基团的羟基、羧基、环氧基、氢基或与硅羟基有反应活性的基团。

作为进一步的实施方式，在反应步骤中，升温至40-95℃，反应2-18h；催化剂的用量为双官能团硅油与羟基三(三烷基硅氧基)硅烷单体重量之和的0.01-2.0％；催化剂为有机酸，优选为醋酸、己酸、辛酸、庚酸和氯铂酸中的一种或任意组合。

该用于白炭黑的处理剂的制备流程如反应式Ⅰ所示：

其中，X₁、X₂、X₃均为甲基、乙基或丙基；Y为羟基、羧基、环氧基、氢基或其他与硅羟基有反应活性的基团，Z为羟基或氢基。

首先把羟基三(三烷基硅氧基)硅烷单体加入反应器中，然后在氮气保护的条件下，加入等摩尔比的双官能团硅油，搅拌均匀；接着加入有机酸催化剂，升温至40-95℃，控制反应时间为2-18h，期间，反应物进行缩合反应，生成目标产品和副产物；最后抽真空，回流冷凝，脱除小分子副产物，确保反应进行完全，降温出料，即得处理剂。

以下是本发明具体的实施例，在下述实施例中所采用的原材料、设备等除特殊限定外均可以通过购买方式获得。

实施例1

一种疏水白炭黑的制备方法，首先制备处理剂，然后利用得到的处理剂对亲水白炭黑进行改性，具体如下：

1、将羟基三(三甲硅氧基)硅烷体(结构式Ⅲ)加入反应容器中；

2、在氮气保护下，加入等摩尔比的双端硅羟基硅油(结构式Ⅳ)，搅拌均匀；

其中n＝40；

3、加入总反应物重量0.2％的辛酸作为催化剂，升温至75℃；

4、抽真空，回流冷凝9h，脱除小分子产物，确保反应进行完全，降温出料得白炭黑处理剂；反应流程如反应式Ⅱ所示：

其中，R₁、R₂、R₃均为甲基，n＝40；

5、将上述获取的处理剂与亲水性白炭黑混合均匀，加入3-氨丙基二甲基甲氧基硅烷，在140℃下反应7h，抽真空脱除小分子副产物，得疏水白炭黑；其中，处理剂和3-氨丙基二甲基甲氧基硅烷的用量分别为亲水白炭黑重量的10％和1％。

实施例2

一种疏水白炭黑的制备方法，首先制备处理剂，然后利用得到的处理剂对亲水白炭黑进行改性，具体如下：

1、将羟基三(三甲硅氧基)硅烷体(结构式Ⅲ)加入反应容器中；

2、在氮气保护下，加入等摩尔比的双端含氢硅油(结构式Ⅴ)，搅拌均匀；

其中n＝60；

3、加入总反应物重量0.01％的氯铂酸作为催化剂，升温至55℃；

4、抽真空，回流冷凝9h，脱除小分子产物，确保反应进行完全，降温出料得白炭黑处理剂；反应流程如如反应式Ⅲ所示：

其中，R₁、R₂、R₃均为甲基，n＝60；

5、将上述获取的处理剂与亲水性白炭黑混合均匀，加入N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷，在60℃下反应18h，抽真空脱除小分子副产物，得疏水白炭黑；其中，处理剂和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷的用量分别为亲水白炭黑重量的30％和2％。

实施例3

一种疏水白炭黑的制备方法，首先制备处理剂，然后利用得到的处理剂对亲水白炭黑进行改性，具体如下：

1、将羟基三(三甲硅氧基)硅烷体(结构式Ⅲ)加入反应容器中；

2、在氮气保护下，加入等摩尔比的端烷氧基端羟基硅油(结构式Ⅵ)，搅拌均匀；

其中n＝50；

3、加入总反应物重量0.2％的辛酸作为催化剂，升温至70℃；

4、抽真空，回流冷凝9h，脱除小分子产物，确保反应进行完全，降温出料得白炭黑处理剂；反应流程如反应式Ⅳ所示：

其中R₁、R₂、R₃均为甲基，n＝50；

5、将上述获取的处理剂与亲水性白炭黑混合均匀，加入N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基二甲基甲氧基硅烷，在200℃下反应10h，抽真空脱除小分子副产物，得疏水白炭黑；其中，处理剂和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基二甲基甲氧基硅烷的用量分别为亲水白炭黑重量的20％和0.5％。

对比例1

在500ml的三口瓶中加入300ml八甲基环四硅氧烷，在搅拌条件下，慢慢加入气相白炭黑，直至烧瓶内混合物呈浆糊状，根据所加入白炭黑的量，按4％的比例加入水，室温下搅拌1h，再加入10％的六甲基二硅氮烷，保温2h；蒸出溶剂并脱除反应中产生的氨气，得到疏水白炭黑。

效果评价及性能检测

取实施例1-3和对比例1获取的疏水白炭黑，分别按照5％的添加量添加到同一种有机硅改性聚醚消泡剂里，室温存放4周，观察分层情况，结果见图1和图2。

图1为实施例1的效果图，图2为对比例1的效果图。

从图1中可看出，实施例1的疏水白炭黑与聚醚改性硅油体系混合后，室温放置4周后没有出现分层析出现象，样品外观均匀，这说明了实施例1的疏水白炭黑抗沉降性能好，不会影响消泡剂的外观和应用性能。实施例2-3的效果图与实施例1相近，在此不再赘述。

从图2中可看出，对比例1的疏水白炭黑与聚醚改性硅油体系混合后，室温放置4周后出现了分层析出现象，对比例1的疏水白炭黑抗沉降性能差。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种疏水白炭黑的制备方法，其特征在于，按照以下方法制备而成：分别将处理剂和亲水白炭黑放入反应器中，混合均匀，加入第一催化剂，升温至60-200℃反应，脱除副产物，即得所述疏水白炭黑；

所述处理剂的分子结构式如结构式Ⅰ所示：

；

结构式Ⅰ

其中，n=0-100；R为羟基、羧基、环氧基或氢基；R₁、R₂、R₃均为烷烃基；

所述第一催化剂为N- (β- 氨乙基）-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N- (β- 氨乙基）-γ-氨丙基二甲基甲氧基硅烷和3-氨丙基二甲基甲氧基硅烷中的一种或任意组合。

2.如权利要求1所述的疏水白炭黑的制备方法，其特征在于，n=10-50；R₁、R₂、R₃均为甲基、乙基或丙基。

3.如权利要求1所述的疏水白炭黑的制备方法，其特征在于，所述亲水白炭黑由气相法或沉淀法制备而成。

4.如权利要求1所述的疏水白炭黑的制备方法，其特征在于，所述处理剂的用量为所述亲水白炭黑重量的10-35%；所述第一催化剂的用量为所述亲水白炭黑重量的0.2-3.0%。

5.如权利要求1所述的疏水白炭黑的制备方法，其特征在于，分别将处理剂和亲水白炭黑放入反应器中，混合均匀，加入第一催化剂，控制反应时间为2-18h，抽真空脱除副产物，即得所述疏水白炭黑。

6.如权利要求1所述的疏水白炭黑的制备方法，其特征在于，所述处理剂按照以下方法制备而成：

一次加入步骤：将羟基三(三烷基硅氧基)硅烷单体加入反应容器中；

二次加入步骤：在氮气保护的条件下，加入双官能团硅油，搅拌均匀；

反应步骤：加入第二催化剂，升温反应；

出料步骤：抽真空，回流冷凝，脱除副产物，降温出料，即得所述处理剂。

7.如权利要求6所述的疏水白炭黑的制备方法，其特征在于，在所述一次加入步骤中，羟基三(三烷基硅氧基)硅烷单体的分子结构式如结构式Ⅱ所示：

；

结构式Ⅱ

其中，X₁、X₂、X₃均为甲基、乙基或丙基。

8.如权利要求6所述的疏水白炭黑的制备方法，其特征在于，在所述二次加入步骤中，双官能团硅油与羟基三(三烷基硅氧基)硅烷单体的摩尔比为1:1；所述双官能团硅油的一端带有硅羟基或硅氢基，所述双官能团硅油的另一端带有羟基、羧基、环氧基或氢基。

9.如权利要求6所述的疏水白炭黑的制备方法，其特征在于，在所述反应步骤中，升温至40-95℃，反应2-18h；所述第二催化剂的用量为双官能团硅油与羟基三(三烷基硅氧基)硅烷单体重量之和的0.01-2.0%；所述第二催化剂为醋酸、己酸、辛酸、庚酸和氯铂酸中的一种或任意组合。