CN117126456A - 疏水液相二氧化硅及其制备方法和环氧树脂组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及二氧化硅技术领域,特别涉及一种环氧树脂增稠用高吸油值疏水液相二氧化硅及其制备方法和环氧树脂组合物。其中,所述疏水液相二氧化硅的制备方法,包括制备液相二氧化硅的步骤;以及基于疏水改性剂对所述液相二氧化硅进行表面疏水改性的步骤;所述疏水改性剂由水解液对硅烷偶联剂水解获得;所述水解液包括10~20%乙酸、水和有机醇。本发明所制备得到的环氧树脂增稠用高吸油值疏水液相二氧化硅的DBP吸收值≥3.0cm3/g。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化硅技术领域,特别涉及一种环氧树脂增稠用高吸油值疏水液相二氧化硅及其制备方法和环氧树脂组合物。
背景技术
环氧树脂是一种高分子聚合物,分子式为(C11H12O3)n,是指分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称。环氧树脂优良的物理机械性能和电绝缘性能、与各种材料的粘接性能、以及其使用工艺的灵活性是其他热固性塑料所不具备的。因此它能制成涂料、复合材料、浇铸料、胶粘剂、模压材料和注射成型材料,在国民经济的各个领域中得到广泛的应用。在环氧树脂配方设计中,要充分其考虑流变效应、防止填料的沉淀、粘弹性能的变化、垂直表面上流挂性能等,在很多情况下它们是相互影响的。对环氧树脂体系而言,希望在高剪切速度下也有好的触变性。
疏水气相二氧化硅具有高比表面积、高吸油值的特点,其微粒在环氧树脂体系内形成三维网络结构,在振动和搅拌作用下,网络结构受到的破坏,由此体系的粘度也随之降低。当体系静止后,网络结构又得以重新构建,粘度也回复至原值。因此,疏水气相二氧化硅在环氧树脂体系中是一个理想的增稠剂和触变剂。目前,树脂增稠用疏水气相二氧化硅产品大多依赖进口,不但价格昂贵,而且供货也不及时。为此,开发一种环氧树脂增稠用高吸油值疏水液相液相二氧化硅替代疏水气相二氧化硅具有广阔的市场前景和良好的经济效益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种环氧树脂增稠用高吸油值的疏水液相二氧化硅的制备方法,以及含有该环氧树脂增稠用高吸油值的疏水液相二氧化硅的环氧树脂组合物。所述环氧树脂增稠用高吸油值的疏水液相二氧化硅的主要指标和使用性能达到或接近疏水气相二氧化硅,可用于替代疏水气相二氧化硅作为环氧树脂的增稠触变剂。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种疏水液相二氧化硅的制备方法,包括制备液相二氧化硅的步骤;
以及基于疏水改性剂对所述液相二氧化硅进行表面疏水改性的步骤;
所述疏水改性剂由水解液对硅烷偶联剂水解获得;
所述水解液包括10~20%乙酸、水和有机醇。
进一步地,所述水解液中,10~20%乙酸、水和有机醇的质量比为1:(2~4):1。
进一步地,所述水解液与硅烷偶联剂的质量比为2:(0.5~1.5)。
进一步地,所述有机醇选自丙三醇、异丙醇和正丁醇中的一种。
进一步地,所述硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷(A-151)、乙烯基三甲氧基硅烷(A-171)和γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)中的一种或两种的复配。优选地,所述复配的比例为1:(0.5~1)。
进一步地,所述制备液相二氧化硅的步骤包括如下步骤:
S1、配制硅酸钠溶液A,硫酸溶液B和乙酸溶液C;
S2、将水、阴离子表面活性剂和所述硅酸钠溶液A搅拌混合,控制pH为10.0~12.0后,流加所述硫酸溶液B至pH为6.5~7.5,反应后静置,获得反应液A;
S3、升温所述反应液A,同时流加硅酸钠溶液A和乙酸溶液C,控制体系pH为8~10,在80~90℃温度下反应,流加所述硫酸溶液B至体系pH为3.5~4.5,均化后获得均化物料;
S4、将所述均化物料进行洗涤、搅拌、喷雾干燥,获得所述液相二氧化硅。
进一步地,所述硅酸钠溶液A包括质量比为1:(0.1~0.7):(0.01~0.05)的水、硅酸钠和碳酸钠;
所述硫酸溶液B的硫酸浓度为18~30%;
所述乙酸溶液包括质量比为1:0.5:(1.5~9.0)的冰乙酸、18%硫酸和水;所述乙酸溶液C的乙酸浓度为10~40%。
进一步地,所述硅酸钠按如下方法制备得到:
取低铁固体水玻璃和水按1:(2~3)先后加入静压釜中,通入0.7MPa蒸汽进行溶解,保压2~2.5h。然后放入储槽静置24h以上,用板框压滤机进行过滤;过滤后得到浓度为25~30%的液体硅酸钠;所述固体水玻璃的含铁量≤120ppm;水的电导率≤100μs/cm。需要说明的是,在下文实施例中所述硅酸钠均按如下方法制备得到:取低铁固体水玻璃和水按1:2.5先后加入静压釜中,通入0.7MPa蒸汽进行溶解,保压2h。然后放入储槽静置24h以上,用板框压滤机进行过滤;过滤后得到浓度为25~30%的液体硅酸钠。
进一步地,所述阴离子表面活性剂选自十二烷基硫酸钠SDS或十二烷基苯磺酸钠SDBS。
具体地,所述制备液相二氧化硅的步骤包括如下步骤:
S1:物料准备,包括:
硅酸钠溶液配制:水,浓度为25~35%硅酸钠溶液和固体碳酸钠按照质量比1:(0.1~0.7):(0.01~0.05)混合均匀后,经板100m2框压滤机和500L 6孔袋式过滤器过滤后得到反应用硅酸钠溶溶液A,硅酸钠溶液A中Na2O的浓度为0.80~1.24mol/L;
稀硫酸配制:浓硫酸和水按质量比1:(2~5)混合均匀后再经孔径2微米管式精密陶瓷滤芯过滤得到反应用硫酸溶液B,浓度(V/V)为18~30%;所述稀硫酸的透明度≥200mm;
乙酸配制:冰乙酸、18%(V/V)硫酸和水按质量比1:0.5:(1.5~9.0)混合均匀,获得浓度(V/V)为10~40%乙酸溶液C;
疏水改性剂配制:加入事先由10~20%(V/V)乙酸、水和有机醇按质量比1:2:1复配而成的水解液对硅烷偶联剂进行水解,水解液和硅烷偶联剂的质量比为2:(0.5~1.5)。
S2:高吸油值二氧化硅产品的制备,包括:
S21、将25~30m3水加入反应釜中,用饱和蒸汽加热到60~70℃后,在搅拌转速60~100r/min条件下,先后加入5~15kg阴离子表面活性剂、2.5~4.5m3的硅酸钠溶液A,取样测pH在10.0~12.0范围内后,用稀硫酸溶液B按流率3.0~5.0m3/h加入反应釜中,至pH在6.5~7.5范围内,再反应5~10min后停止搅拌,静置15~20min。
S22、开启搅拌,升温至80~90℃,按反应用硅酸钠溶液A和乙酸溶液C按流率(3~2):1比例同时加入反应釜中,过程控制pH在8~10范围内,温度控制指标80~90℃范围内,反应50~90min;
然后用稀硫酸溶液B继续酸化至pH为3.5~4.5范围内,停止加酸,均化25~30min;
S23、将均化后物料泵入板框压滤机,然后用水洗涤至出水电导率≤200μs/cm;
S24、经充分洗涤后的滤饼用皮带输送机送至制浆罐中,采用高速搅拌将块状滤饼制成粘度≤600cps的浆料;
S25、采用雾化喷头转速为8000~10000r/min,热风温度530℃离心喷雾干燥方式对浆料进行干燥,即得高吸油值二氧化硅产品E。
具体地,所述表面疏水改性的步骤(S3)包括如下步骤:
S31、将制得的一定量高吸油值二氧化硅产品E加入改性釜中,在搅拌条件下,升温至120~160℃,然后慢慢加入折算其重量的15~25%的疏水改性剂D,密闭反应60~120min,即得疏水高吸油值二氧化硅粗粉产品F。
S32、将制得的疏水高吸油值二氧化硅粗粉产品F进行超细粉碎、分级至粒径D50为3~5μm,即得环氧树脂增稠用高吸油值疏水液相二氧化硅产品G。
进一步提供由前述制备方法制备得到的环氧树脂增稠用疏水液相二氧化硅,所述环氧树脂增稠用疏水液相二氧化硅的吸收值≥3.0cm3/g。
更进一步提供一种环氧树脂组合物,包括环氧树脂和前述环氧树脂增稠用疏水液相二氧化硅。
本发明的有益效果在于:本发明在反应过程中采用阴离子表面活性剂对新生成的二氧化硅粒子进行包覆,阻止粒子间的团聚,同时采用乙酸替代硫酸进行反应,有效解决了反应物料“局部酸度过浓”现象,大大降低了大颗粒及凝胶的产生几率,使得粒子更细,分布更加均匀,在制浆工序控制的固含量≤16%,使得干燥过程中的粒子干燥速度进一步提高,减少了二氧化硅粒子脱水过程中孔结构的塌陷。通过以上技术手段,本发明产品指标与现有二氧化硅产品相比,产品的吸油值显著提高,DBP吸收值≥3.0cm3/g。
采用有机硅烷偶联剂复合改性,在二氧化硅表面中引入长链的疏水基团,大大降低了表面硅烃基含量,可有效改善液体聚合物体系的流变特性,在环氧树脂体系内具备优异的增稠触变性能。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果,以下结合实施方式予以说明。
实施例1
一种环氧树脂增稠用高吸油值疏水液相二氧化硅的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:物料准备,包括:
硅酸钠溶液配制:水、28%浓度的液体硅酸钠、碳酸钠按照质量比1:0.4:0.02混合均匀后,经板框压滤机和袋式过滤器过滤后得到反应用硅酸钠溶溶液A1,硅酸钠溶液A1中Na2O的浓度为1.0mol/L;
稀硫酸配制:浓硫酸、水按质量比1:4.4混合均匀后再经精密陶瓷滤芯过滤得到反应用硫酸溶液B1,浓度为18.5%;
乙酸配制:冰乙酸、18%硫酸、水按质量比1:0.5:3混合均匀,浓度为25%的乙酸溶液C1;
疏水改性剂配制:在搅拌条件下将10kgA-151慢慢加入事先由15%乙酸、水、丙三醇按1:2:1复配而成的15kg水解液中,反应10min,得到疏水改性剂D1;
步骤2:高吸油值二氧化硅产品的制备,包括:
1、将26m3水加入60m3反应釜中,用饱和蒸汽加热到60℃后,在搅拌转速65r/min条件下,先后加入8kg阴离子表面活性剂SDS、3.0m3的硅酸钠溶液A1,用稀硫酸溶液B1按流率3.5m3/h加入反应釜中,至pH在6.6~6.8范围内,再反应5min后停止搅拌,静置15min;
2、开启搅拌,升温至82℃,按反应用硅酸钠溶液A1流率12.2m3/h和乙酸溶液C1流率8.2m3/h同时加入反应釜中,过程控制pH在9~10范围内,温度控制指标81~83℃范围内,反应60min;
然后用稀硫酸溶液B1继续酸化至pH为3.5~3.7范围内,停止加酸,均化25min;
3、将均化后物料泵入板框压滤机,然后用水洗涤至出水电导率≤200μs/cm;
4、经充分洗涤后的滤饼用皮带输送机送至制浆罐中,采用高速搅拌将块状滤饼制成粘度≤600cps的浆料;
5、采用喷雾干燥方式对浆料进行干燥,加热减量控制在7~9%范围内,即得高吸油值二氧化硅产品D1。
步骤3:环氧树脂用高吸油值疏水液相二氧化硅产品制备,包括:
1、将制得的100kg高吸油值二氧化硅产品D1加入改性釜中,在搅拌条件下,升温至135~140℃,然后慢慢加入15Kg的疏水改性剂C1,密闭反应80min,即得疏水高吸油值二氧化硅粗粉产品E1。
2、将制得的疏水高吸油值二氧化硅粗粉产品E1进行超细粉碎、分级至粒径D50为4~5μm,即得环氧树脂增稠用高吸油值疏水液相二氧化硅产品F1。
实施例2
一种环氧树脂增稠用高吸油值疏水液相二氧化硅的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:物料准备,包括:
硅酸钠溶液配制:水、28%浓度的液体硅酸钠、碳酸钠按照质量比1:0.6:0.03混合均匀后,经板框压滤机和袋式过滤器过滤后得到反应用硅酸钠溶溶液A2,硅酸钠溶液A2中Na2O的浓度为1.15mol/L;
稀硫酸配制:浓硫酸、水按质量比1:3.5混合均匀后再经精密陶瓷滤芯过滤得到反应用硫酸溶液B2,浓度为22.2%;
乙酸配制:冰乙酸、18%硫酸、水按质量比1:0.5:3.5混合均匀,浓度为22.2%的乙酸溶液C2;
疏水改性剂配制:在搅拌条件下将5kgA-151、5kgKH560慢慢加入事先由15%乙酸、水、异丙醇按1:2:1复配而成的15kg水解液中,反应10min,得到疏水改性剂D2;
步骤2:高吸油值二氧化硅产品的制备,包括:
1、将27m3水加入60m3反应釜中,用饱和蒸汽加热到65℃后,在搅拌转速65r/min条件下,先后加入10kg阴离子表面活性剂SDBS、3.0m3的硅酸钠溶液A2,用稀硫酸溶液B2按流率3.5m3/h加入反应釜中,至pH在6.6~6.8范围内,再反应5min后停止搅拌,静置15min;
2、开启搅拌,升温至84℃,按反应用硅酸钠溶液A1流率12.0m3/h和乙酸溶液C1流率9.0m3/h同时加入反应釜中,过程控制pH在9~10范围内,温度控制指标83~85℃范围内,反应65min;
然后用稀硫酸溶液B2继续酸化至pH为3.5~3.7范围内,停止加酸,均化25min;
3、将均化后物料泵入板框压滤机,然后用水洗涤至出水电导率≤200μs/cm;
4、经充分洗涤后的滤饼用皮带输送机送至制浆罐中,采用高速搅拌将块状滤饼制成粘度≤600cps的浆料;
5、采用喷雾干燥方式对浆料进行干燥,加热减量控制在7~9%范围内,即得高吸油值二氧化硅产品D2。
步骤3:环氧树脂用高吸油值疏水液相二氧化硅产品制备,包括:
1、将制得的100kg高吸油值二氧化硅产品D2加入改性釜中,在搅拌条件下,升温至145~150℃,然后慢慢加入18Kg的疏水改性剂C2,密闭反应85min,即得疏水高吸油值二氧化硅粗粉产品E2。
2、将制得的疏水高吸油值二氧化硅粗粉产品E2进行超细粉碎、分级至粒径D50为3~4μm,即得环氧树脂增稠用高吸油值疏水液相二氧化硅产品F2。
实施例3
一种环氧树脂增稠用高吸油值疏水液相二氧化硅的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:物料准备,包括:
硅酸钠溶液配制:水、28%浓度的液体硅酸钠、碳酸钠按照质量比1:0.6:0.05混合均匀后,经板框压滤机和袋式过滤器过滤后得到反应用硅酸钠溶溶液A3,硅酸钠溶液A3中Na2O的浓度为1.23mol/L
稀硫酸配制:浓硫酸、水按质量比1:3混合均匀后再经精密陶瓷滤芯过滤得到反应用硫酸溶液B3,浓度为25%;
乙酸配制:冰乙酸、18%硫酸、水按质量比1:0.5:2.5混合均匀,浓度为28%的乙酸溶液C3;
疏水改性剂配制:在搅拌条件下将5kgA-171、6kgKH560慢慢加入事先由15%乙酸、水、正丁醇按1:2:1复配而成的18kg水解液中,反应10min,得到疏水改性剂D3;
步骤2:高吸油值二氧化硅产品的制备,包括:
1、将27m3水加入60m3反应釜中,用饱和蒸汽加热到68℃后,在搅拌转速65r/min条件下,先后加入12kg阴离子表面活性剂SDBS、3.0m3的硅酸钠溶液A3,用稀硫酸溶液B3按流率3.0m3/h加入反应釜中,至pH在6.6~6.8范围内,再反应5min后停止搅拌,静置15min;
2、开启搅拌,升温至85℃,按反应用硅酸钠溶液A3流率12.0m3/h和乙酸溶液C3流率8.5m3/h同时加入反应釜中,过程控制pH在9~10范围内,温度控制指标84~86℃范围内,反应68min;
然后用稀硫酸溶液B3继续酸化至pH为3.5~3.7范围内,停止加酸,均化25min;
3、将均化后物料泵入板框压滤机,然后用水洗涤至出水电导率≤200μs/cm;
4、经充分洗涤后的滤饼用皮带输送机送至制浆罐中,采用高速搅拌将块状滤饼制成粘度≤600cps的浆料;
5、采用喷雾干燥方式对浆料进行干燥,加热减量控制在7~9%范围内,即得高吸油值二氧化硅产品D3。
步骤3:环氧树脂用高吸油值疏水液相二氧化硅产品制备,包括:
1、将制得的100kg高吸油值二氧化硅产品D3加入改性釜中,在搅拌条件下,升温至150~155℃,然后慢慢加入20Kg的疏水改性剂C3,密闭反应90min,即得疏水高吸油值二氧化硅粗粉产品E3。
2、将制得的疏水高吸油值二氧化硅粗粉产品E3进行超细粉碎、分级至粒径D50为2~3μm,即得环氧树脂增稠用高吸油值疏水液相二氧化硅产品F3。
对比例
一种环氧树脂增稠用高吸油值液相二氧化硅的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:物料准备,包括:
硅酸钠溶液配制:水、28%浓度的液体硅酸钠、碳酸钠按照质量比1:0.4:0.02混合均匀后,经板框压滤机和袋式过滤器过滤后得到反应用硅酸钠溶溶液A1,硅酸钠溶液A1中Na2O的浓度为1.0mol/L
稀硫酸配制:浓硫酸、水按质量比1:4.4混合均匀后再经精密陶瓷滤芯过滤得到反应用硫酸溶液B1,浓度为18.5%;
乙酸配制:冰乙酸、18%硫酸、水按质量比1:0.5:3混合均匀,浓度为25%的乙酸溶液C1;
步骤2:高吸油值二氧化硅产品的制备,包括:
1、将26m3水加入60m3反应釜中,用饱和蒸汽加热到60℃后,在搅拌转速65r/min条件下,先后加入8kg阴离子表面活性剂SDS、3.0m3的硅酸钠溶液A1,用稀硫酸溶液B按流率3.5m3/h加入反应釜中,至pH在6.6~6.8范围内,再反应5min后停止搅拌,静置15min;
2、开启搅拌,升温至82℃,按反应用硅酸钠溶液A1流率12.2m3/h和乙酸溶液C1流率8.2m3/h同时加入反应釜中,过程控制pH在9~10范围内,温度控制指标81~83℃范围内,反应60min;
然后用稀硫酸溶液B1继续酸化至pH为3.5~3.7范围内,停止加酸,均化25min;
3、将均化后物料泵入板框压滤机,然后用水洗涤至出水电导率≤200μs/cm;
4、经充分洗涤后的滤饼用皮带输送机送至制浆罐中,采用高速搅拌将块状滤饼制成粘度≤600cps的浆料;
5、采用喷雾干燥方式对浆料进行干燥,加热减量控制在7~9%范围内,即得高吸油值二氧化硅产品D1。
检测例
将实施例1至3和对比例所制得的二氧化硅产品进行质量检测,结果如表1所示。
表1
注:1、甲醇值测定方法:称取0.2g疏水二氧化硅放入50mL纯水中中,在搅拌下慢慢滴入甲醇直至二氧化硅完全溶于水中,记录所消耗的甲醇的体积V(mL),甲醇值可通过下式计算:
甲醇越高,说明二氧化硅的处理程度越高,疏水性越好。
2、触变指数测定方法:参照GB50550-2016建筑结构加固工程施工质量验收规范(附录L结构胶粘剂触变指数的测定方法),It=η6/η60。式中η6为6r/min测得的粘度,η60为60r/min测得的粘度。
3、增稠性测定方法:取200g GM128环氧树脂,在搅拌下慢慢加入20g二氧化硅样品,加完后再搅拌5min,然后用NDJ-1旋转粘度计在60r/min下测定粘度值。
由表1所示,本发明采用分步反应工艺,在反应过程中通过表面活性剂和用乙酸和稀硫酸复配替代硫酸,有效提高了产品的吸油值。
在疏水改性过程中,采用预先水解硅烷偶联剂,大大提高了产品疏水改性效果。采用二种硅烷偶联剂复配疏水改性效果优于单一硅烷偶联剂改性,且产品在环氧树脂中的增稠及触变性更好。通过与气相疏水二氧化硅和未经疏水改性产品相比,本发明产在环氧树脂中的增稠及触变性接近气相疏水二氧化硅,明显优于未经疏水改性产品。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书内容所作的等同变换,或直接或间接运用在相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种疏水液相二氧化硅的制备方法,其特征在于,包括制备液相二氧化硅的步骤;
以及基于疏水改性剂对所述液相二氧化硅进行表面疏水改性的步骤;
所述疏水改性剂由水解液对硅烷偶联剂水解获得;
所述水解液包括10~20%V/V乙酸、水和有机醇。
2.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述水解液中,10~20%乙酸、水和有机醇的质量比为1:(2~4):1。
3.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述水解液与硅烷偶联剂的质量比为2:(0.5~1.5)。
4.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述有机醇选自丙三醇、异丙醇和正丁醇中的一种。
5.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的一种或两种的复配。
6.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于,所述制备液相二氧化硅的步骤包括如下步骤:
S1、配制硅酸钠溶液A,硫酸溶液B和乙酸溶液C;
S2、将水、阴离子表面活性剂和所述硅酸钠溶液A搅拌混合,控制pH为10.0~12.0后,流加所述硫酸溶液B至pH为6.5~7.5,反应后静置,获得反应液A;
S3、升温所述反应液A,同时流加硅酸钠溶液A和乙酸溶液C,控制体系pH为8~10,在80~90℃温度下反应,流加所述硫酸溶液B至体系pH为3.5~4.5,均化后获得均化物料;
S4、将所述均化物料进行洗涤、搅拌、喷雾干燥,获得所述液相二氧化硅。
7.根据权利要求6所述制备方法,其特征在于,所述硅酸钠溶液A包括质量比为1:(0.1~0.7):(0.01~0.05)的水、硅酸钠和碳酸钠;
所述硫酸溶液B的硫酸浓度V/V为18~30%;
所述乙酸溶液包括质量比为1:0.5:(1.5~9.0)的冰乙酸、18%V/V硫酸和水;所述乙酸溶液C的乙酸浓度V/V为10~40%。
8.根据权利要求6所述制备方法,其特征在于,所述阴离子表面活性剂选自十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠。
9.由权利要求1至8任一项所述制备方法制备得到的环氧树脂增稠用疏水液相二氧化硅,其特征在于,所述环氧树脂增稠用疏水液相二氧化硅的DBP吸收值≥3.0cm3/g。
10.一种环氧树脂组合物,其特征在于,包括环氧树脂和如权利要求9所述环氧树脂增稠用疏水液相二氧化硅。
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