RU2447020C1 - Method of obtaining fine silica - Google Patents

Method of obtaining fine silica Download PDF

Info

Publication number
RU2447020C1
RU2447020C1 RU2010140684/05A RU2010140684A RU2447020C1 RU 2447020 C1 RU2447020 C1 RU 2447020C1 RU 2010140684/05 A RU2010140684/05 A RU 2010140684/05A RU 2010140684 A RU2010140684 A RU 2010140684A RU 2447020 C1 RU2447020 C1 RU 2447020C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
chlorosilanes
alcohol
reaction mixture
water
particles
Prior art date
Application number
RU2010140684/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Андреевич Аверичкин (RU)
Павел Андреевич Аверичкин
Владимир Александрович Кальнов (RU)
Владимир Александрович Кальнов
Юрий Николаевич Пархоменко (RU)
Юрий Николаевич Пархоменко
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" filed Critical Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет"
Priority to RU2010140684/05A priority Critical patent/RU2447020C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2447020C1 publication Critical patent/RU2447020C1/en

Links

Landscapes

  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to chemistry and the technology of inorganic silicon-oxygen compounds and can be used to produce fine silica from chlorosilane by-products from chemical-metallurgical chloride production of polysilicon and other metals and chemical production of organochlorosilanes. The method involves hydrolysis, subsequent condensation and deposition of particles in a solvent. The starting material used is chlorosilanes with functionality higher than 3, which, before hydrolysis, are alkoxylated with lower aliphatic alcohols C1-C3 in amount of 1.0-1.2 moles alcohol per 1 g-atom chlorine in chlorosilane. Further, the reaction mixture is diluted with a solution of alcohol with water in amount of 0.53-0.77 moles water per 1 g-atom alkoxy groups to until achieving concentration of deposited particles in the solvent of 14.0-25.2 wt %. The reaction mixture is boiled at 67-84°C for 2.5-3.5 hours.
EFFECT: simple technique of obtaining fine silica from high-functional chlorosilanes with output of 97,3-98,5 wt % of the load, improved quality and application properties of said silica, with simultaneous trapping of 89,4-96,7 wt % of the load of the formed gaseous hydrogen chloride.
3 cl 13 ex, 2 tbl

Description

Изобретение относится к химии и технологии неорганических кремнекислородных соединений и может быть использовано для получения мелкодисперсных кремнеземов из попутных хлорсиланов химико-металлургических хлоридных производств поликремния и других металлов (титана, циркония, алюминия) и химико-технологических производств органохлорсиланов.The invention relates to the chemistry and technology of inorganic silicon-oxygen compounds and can be used to obtain finely divided silicas from associated chlorosilanes of chemical and metallurgical chloride production of polysilicon and other metals (titanium, zirconium, aluminum) and chemical-technological production of organochlorosilanes.

Изобретение может быть использовано также для получения органосилоксановых полимерных соединений с регулярными структурами макромолекул из органохлорсиланов.The invention can also be used to obtain organosiloxane polymer compounds with regular structures of macromolecules from organochlorosilanes.

Существующие в настоящее время основные промышленные технологии получения порошков синтетической двуокиси кремния (a-SiO2) основаны на:The currently existing main industrial technologies for the production of powders of synthetic silicon dioxide ( a- SiO 2 ) are based on:

- жидкофазном осаждении аморфной кремнекислоты из растворов силикатов щелочных металлов кислыми реагентами (соляной, серной, угольной кислотами) при температуре 70-90°С;- liquid-phase deposition of amorphous silicic acid from solutions of alkali metal silicates with acidic reagents (hydrochloric, sulfuric, carbonic acids) at a temperature of 70-90 ° C;

- газофазном сжигании хлорсиланов в плазме или при температуре 1000-1100° в атмосфере водорода и/или метана с одновременным улавливанием образующегося хлористого водорода (пирогенный метод);- gas-phase combustion of chlorosilanes in plasma or at a temperature of 1000-1100 ° in an atmosphere of hydrogen and / or methane with the simultaneous capture of the resulting hydrogen chloride (pyrogenic method);

- гидролитической обработке хлорсиланов водой или парами воды (аэрогельный метод), в том числе и при их химической прививке на поверхность мелкодисперсных кремнеземов.- hydrolytic treatment of chlorosilanes with water or water vapor (airgel method), including when they are chemically grafted onto the surface of finely divided silica.

Известные технологии синтеза кремнеземов связаны со значительными производственно-технологическими трудностями и высокими энергоресурсными затратами. Получаемые при этом товарные продукты неоднородны по структуре, имеют высокий разброс полидисперсности. При использовании таких кремнеземов требуется дополнительная их модификация, например гидрофобизация или гидроксилирование. Кроме этого, частицы загрязнены химическими примесями, которые ограничивают их применение в высокотехнологичных областях, например в качестве усиливающих наполнителей в производстве высоковольтных электроизоляционных композитов, биосорбентов, инертных носителей медицинских препаратов, особо чистого сырья для получения синтетического кварца для оптики или выращивания кварцевых кристаллов и т.п.Known technologies for the synthesis of silicas are associated with significant production and technological difficulties and high energy costs. The resulting commercial products are heterogeneous in structure, have a high dispersion of polydispersity. When using such silicas, their additional modification is required, for example, hydrophobization or hydroxylation. In addition, the particles are contaminated with chemical impurities that limit their use in high-tech fields, for example, as reinforcing fillers in the production of high-voltage insulating composites, biosorbents, inert carriers of medical preparations, highly pure raw materials for producing synthetic quartz for optics or growing quartz crystals, etc. P.

Таким образом, создание упрощенного способа получения дисперсных кремнеземов с низкими ресурсными затратами и модифицированных мелкодисперсных порошков высокой степени чистоты на их основе с функциональными свойствами для широкого применения в высокотехнологичных областях является задачей важной и актуальной.Thus, the creation of a simplified method for producing dispersed silicas with low resource costs and modified fine powders of high purity based on them with functional properties for widespread use in high-tech fields is an important and urgent task.

Технической задачей, решаемой заявляемым способом, является упрощение технологии получения мелкодисперсных модифицированных кремнеземов и газообразного хлористого водорода из хлорсиланов, являющихся попутными продуктами химико-металлургических хлоридных производств поликремния и других металлов (титана, циркония, алюминия) и химико-технологических производств органохлорсиланов.The technical problem solved by the claimed method is to simplify the technology for producing finely dispersed modified silicas and gaseous hydrogen chloride from chlorosilanes, which are by-products of chemical and metallurgical chloride production of polysilicon and other metals (titanium, zirconium, aluminum) and chemical-technological production of organochlorosilanes.

Известен способ получения модифицированного дисперсного кремнезема путем предварительного гидроксилирования дисперсных кремнеземов в присутствии каталитических количеств кислоты при 105-110°С в течение 1,5-2 ч, сушки, активации поверхности карбонатами щелочных металлов или щелочью с последующей химической модификацией элементоорганическими соединениями общей формулы RnSiCl4-n, где n=1-3; R=H; C2H5; ClCH2; С6Н5 в соотношении (16-100):1, соответственно, при механическом перемешивании компонентов (Патент РФ №2152903, опубл. 20.07.2000 г., МКИ: C01B 33/18).A known method of producing modified dispersed silica by preliminary hydroxylation of dispersed silica in the presence of catalytic amounts of acid at 105-110 ° C for 1.5-2 hours, drying, surface activation with alkali metal carbonates or alkali, followed by chemical modification with organoelement compounds of the general formula R n SiCl 4-n , where n = 1-3; R is H; C 2 H 5 ; ClCH 2 ; With 6 H 5 in the ratio (16-100): 1, respectively, with mechanical mixing of the components (RF Patent No. 2152903, publ. 07.20.2000, MKI: C01B 33/18).

Однако в данном способе использована сложная и многоступенчатая технология модификации мелкодисперсных кремнеземов. При этом не контролируется химическая прививка элементоорганических соединений на поверхности и производится неэффективное удаление образующихся газообразных продуктов реакции (хлористого водорода) из объема частиц продувкой инертным газом или воздухом. Получаемые кремнеземы содержат остаточные ионы хлора (рН=5-6) от исходных хлорсиланов, которые негативно влияют на свойства порошкообразных материалов и изделия из них.However, this method uses a complex and multi-stage technology for the modification of finely divided silicas. In this case, the chemical grafting of organoelement compounds on the surface is not controlled and the gaseous reaction products (hydrogen chloride) formed from the particle volume are ineffectively removed by blowing with an inert gas or air. The resulting silicas contain residual chlorine ions (pH = 5-6) from the initial chlorosilanes, which negatively affect the properties of powder materials and products from them.

Известен способ получения синтетической двуокиси кремния из кремнийорганических мономерных и полимерных соединений, включающий гидролиз, последующую сушку, термическое окисление при 400-1200°С, измельчение и диспергирование частиц до 0,5-100 мкм (Заявка Японии №58-151318, опубл. 08.09.1983 г. МКИ: C08L 101/00; C01B 33/18).A known method of producing synthetic silicon dioxide from organosilicon monomer and polymer compounds, including hydrolysis, subsequent drying, thermal oxidation at 400-1200 ° C, grinding and dispersing particles to 0.5-100 microns (Japanese Application No. 58-151318, publ. 08.09 .1983 MKI: C08L 101/00; C01B 33/18).

Однако в данном способе реализуется сложная и затратная технология, осуществление которой основано на термоокислительной деструкции синтезированных кремнийорганических соединений: органосиланов, полисилоксанов и полисилазанов. При их термодеструкции сгорает и теряется органическая часть сырья, что является экономически невыгодным. При этом происходит загрязнение образующихся кремнеземных частиц продуктами горения, что не повышает их качества, но приводит к повышению их полидисперсности и увеличению стоимости. Одновременно происходит экологическое загрязнение атмосферы летучими продуктами термоокисления.However, this method implements a complex and costly technology, the implementation of which is based on thermal oxidative degradation of the synthesized organosilicon compounds: organosilanes, polysiloxanes and polysilazanes. During their thermal degradation, the organic part of the raw material is burned and lost, which is economically disadvantageous. In this case, the resulting silica particles are contaminated with combustion products, which does not increase their quality, but leads to an increase in their polydispersity and an increase in cost. At the same time, environmental pollution of the atmosphere with volatile products of thermal oxidation occurs.

Известен способ проведения низкотемпературного гидролиза органотрихлорсиланов с целью получения мелкодисперсных порошкообразных продуктов, которые могут быть использованы как гидрофобные добавки в строительной технике, в качестве наполнителей при изготовлении резины и т.д. (Способ гидролиза органотрихлорисиланов. Авт. свид. СССР №267907, опубл. 10.07.1970, МКИ: C08G 77/06). Способ принят за прототип.A known method of carrying out low-temperature hydrolysis of organotrichlorosilanes in order to obtain finely divided powdery products that can be used as hydrophobic additives in construction equipment, as fillers in the manufacture of rubber, etc. (Method for the hydrolysis of organotrichlorisilanes. Auth. St. USSR No. 267907, published July 10, 1970; MKI: C08G 77/06). The method adopted for the prototype.

Однако осуществление данного способа гидролиза затруднено расходом значительного количества вспомогательных реагентов на получение единицы целевого продукта (1,08-2,13 г-моль толуола; 001-0,15 г-моль натриевой соли алкилэфира одно- или двухосновной жирной сульфокислоты и 0,78-5,53 г-моль воды на 1 г-атом Cl- исходных хлорсиланов), которые по окончании процесса синтеза с растворенным хлористым водородом в виде солянокислых отходов направляются на утилизацию. При этом образуются полидисперсные порошки с величиной удельной поверхности, изменяющейся от 2 до 300 м2/г.However, the implementation of this hydrolysis method is complicated by the consumption of a significant amount of auxiliary reagents to obtain a unit of the target product (1.08-2.13 g-mol of toluene; 001-0.15 g-mol of the sodium salt of an alkyl ester of a mono- or dibasic fatty sulfonic acid and 0.78 -5.53 g-mole of water per 1 g-atom of Cl - the initial chlorosilanes), which at the end of the synthesis process with dissolved hydrogen chloride in the form of hydrochloric waste are sent for disposal. In this case, polydisperse powders are formed with a specific surface area varying from 2 to 300 m 2 / g.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии получения мелкодисперсных кремнеземов из высокофункциональных хлорсиланов с выходом 97,3-98,5% мас. от загрузки, улучшение их качества и потребительских свойств при одновременном улавливании 89,4-93,7% мас. от загрузки образующегося газообразного хлористого водорода.The technical result of the invention is to simplify the technology for the preparation of finely divided silicas from highly functional chlorosilanes with a yield of 97.3-98.5% wt. from loading, improving their quality and consumer properties while capturing 89.4-93.7% wt. from loading the resulting gaseous hydrogen chloride.

Технический результат достигается тем, что в способе получения мелкодисперсных кремнеземов из хлорсиланов, включающем гидролиз, последующую конденсацию и осаждение частиц в растворителе, отличающемся тем, что в качестве исходного сырья используют хлорсиланы с функциональностью больше трех, которые перед гидролизом алкоксилируют низшими алифатическими спиртами С1-С3 из расчета 1,0-1,2 моль спирта на 1 г-атом хлора хлорсилана с последующим разбавлением реакционной смеси раствором спирта с водой из расчета 0,53-0,77 моль воды на 1 г-атом алкоксигрупп до концентрации осаждаемых частиц в растворителе 14,0-25,2% мас. и кипячением реакционной смеси в температурном интервале 67-84°С в течение 2,5-3,5 часов.The technical result is achieved in that in a method for producing finely dispersed silicas from chlorosilanes, including hydrolysis, subsequent condensation and precipitation of particles in a solvent, characterized in that the starting materials use chlorosilanes with a functionality of more than three, which are alkoxylated with lower aliphatic alcohols C1-C3 before hydrolysis based on 1.0-1.2 mol of alcohol per 1 g-atom of chlorosilane chlorine, followed by dilution of the reaction mixture with a solution of alcohol with water, based on 0.53-0.77 mol of water per 1 g-atom alkoxy RUP to the concentration of precipitated particles in the solvent of 14.0-25.2% wt. and boiling the reaction mixture in the temperature range of 67-84 ° C for 2.5-3.5 hours.

Сущность изобретения заключается в том, что проведение предварительного алкоксилирования хлорсиланов эквимолярным количеством спирта приводит к полному замещению у кремния хлора на алкоксигруппы и максимальному выведению из реакционной зоны образующегося газообразного хлористого водорода без образования алкилхлоридов. Последующее разбавление продуктов реакции спиртом при кипячении и постепенное введение с ним гидролизующей воды приводит к ступенчатому замещению алкоксигрупп в мягких гомогенных условиях на силанольные с последующей их поликонденсацией в кислой среде по внутримолекулярному механизму. При этом происходит эффективная циклизация образующихся силоксановых связей и формирование однородных пористых дискретных частиц сферической формы без содержания остаточных силанольных групп в структуре.The essence of the invention lies in the fact that the preliminary alkoxylation of chlorosilanes with an equimolar amount of alcohol leads to the complete substitution of silicon for alkoxy groups in silicon and the maximum removal of the resulting gaseous hydrogen chloride from the reaction zone without the formation of alkyl chlorides. Subsequent dilution of the reaction products with boiling alcohol and the gradual introduction of hydrolyzing water with it leads to a stepwise substitution of alkoxy groups under mild homogeneous conditions for silanol with their subsequent polycondensation in an acidic medium by the intramolecular mechanism. In this case, an effective cyclization of the formed siloxane bonds and the formation of homogeneous porous discrete particles of spherical shape without the content of residual silanol groups in the structure occur.

Упрощение технологии получения мелкодисперсных кремнеземов заключается в сокращении мольного расхода органических растворителей и воды на 1 г-атом хлора используемых хлорсиланов и в осуществлении ступенчатой гидролитической поликонденсации в гомогенизированной среде при кипячении реакционной смеси. По сравнению с охлаждением реакционной смеси, используемым традиционно в известных способах водного гидролиза хлорсиланов, кипячение обеспечивает равномерное распределение температуры в реакционном объеме и сглаживает переохлаждение (эндотермический эффект), возникающее при интенсивном испарении образующегося газообразного хлористого водорода, и локальный перегрев реакционной смеси при его взаимодействии с вводимой водой. Кроме этого, кипячение способствует формированию однородных дискретных частиц и интенсивному выделению газообразного хлористого водорода из реакционной смеси.A simplification of the technology for producing finely divided silicas consists in reducing the molar consumption of organic solvents and water per 1 g chlorine atom of the chlorosilanes used and in performing stepwise hydrolytic polycondensation in a homogenized medium while the reaction mixture is boiling. Compared with the cooling of the reaction mixture, which is traditionally used in the known methods for the aqueous hydrolysis of chlorosilanes, boiling provides a uniform temperature distribution in the reaction volume and smoothes out the supercooling (endothermic effect) arising from the intense evaporation of the resulting gaseous hydrogen chloride, and local overheating of the reaction mixture when it interacts with injected water. In addition, boiling promotes the formation of homogeneous discrete particles and the intensive evolution of gaseous hydrogen chloride from the reaction mixture.

Улучшение качества достигается путем формирования пористых однородных кремнеземных частиц сферической и овальной формы размером 5-50 мкм с узким разбросом удельной поверхности (98-243 м2/г) без включений сорбированных примесей хлористого водорода.Quality improvement is achieved by forming porous homogeneous silica particles of spherical and oval shape with a size of 5-50 microns with a narrow variation in specific surface area (98-243 m 2 / g) without inclusions of sorbed hydrogen chloride impurities.

Улучшение потребительских свойств кремнеземов достигается за счет получения частиц сферической и овальной формы без остаточных силанольных групп в структуре или с минимальным (<0,5% мас.) их содержанием. Кроме этого потребительские свойства улучшаются за счет наличия модифицирующих углеводородных заместителей (-Н; -СН3; -С2Н3; С6Н5) у атома кремния, содержание которых и условия введения задаются на стадии синтеза.Improving the consumer properties of silicas is achieved by obtaining particles of a spherical and oval shape without residual silanol groups in the structure or with a minimum (<0.5% wt.) Their content. In addition, consumer properties are improved due to the presence of modifying hydrocarbon substituents (-H; -CH 3 ; -C 2 H 3 ; C 6 H 5 ) at the silicon atom, the content of which and the conditions of introduction are set at the synthesis stage.

Образующийся в заявляемом способе хлористый водород практически полностью улавливают при замораживании в ловушке-сборнике, а водно-спиртовую смесь с остаточным примесным хлористым водородом, отделенную от выпавшей в осадок суспензии кремнезема, подвергают дистилляции и полученные кислые компоненты повторно используют в процессах для этерификации и гидролиза хлорсиланов.Hydrogen chloride formed in the inventive method is almost completely trapped during freezing in a collection trap, and the water-alcohol mixture with residual impurity hydrogen chloride, separated from the precipitated silica suspension, is distilled and the acidic components obtained are reused in the processes for the esterification and hydrolysis of chlorosilanes .

Обоснование параметров.Justification of the parameters.

Предварительное алкоксилирование хлорсиланов низшими алифатическими спиртами С1-С3 (метиловый, этиловый, изопропиловый) осуществляют из расчета 1,0-1,2 моль спирта на 1 г-атом хлора хлорсилана. Использование спирта менее 1,0 моль на 1 г-атом хлора не приводит к полному алкоксилированию хлорсиланов и последующее введение воды сопровождается их бурным гидролизом с интенсивным разогревом реакционной смеси и неуправляемой конденсацией силанольных групп с образованием геля, переработка которого не позволяет получить качественный продукт. Использование спирта больше 1,2 моль на 1 г-атом хлора приводит к образованию алкилхлорида и снижению выхода газообразного хлористого водорода. Кроме этого, из-за избыточного спирта снижается эффективная загрузка исходных реагентов на единицу реактора и снижается выход конечных продуктов, что не оправдано и технологически, и экономически.Preliminary alkoxylation of chlorosilanes with lower aliphatic alcohols C1-C3 (methyl, ethyl, isopropyl) is carried out at the rate of 1.0-1.2 mol of alcohol per 1 g-atom of chlorosilane chlorine. The use of alcohol of less than 1.0 mol per 1 g of chlorine atom does not lead to complete alkoxylation of chlorosilanes and the subsequent introduction of water is accompanied by violent hydrolysis with intensive heating of the reaction mixture and uncontrolled condensation of silanol groups to form a gel, the processing of which does not allow to obtain a high-quality product. The use of alcohol greater than 1.2 mol per 1 g-chlorine atom leads to the formation of alkyl chloride and a decrease in the yield of gaseous hydrogen chloride. In addition, due to excess alcohol, the effective loading of the starting reagents per unit of reactor is reduced and the yield of final products is reduced, which is not justified both technologically and economically.

Разбавление реакционной смеси спиртом до обеспечения концентрации осажденных кремнеземных частиц 14,0-25,2% (мас.) обусловлено проведением мягкого гидролиза и последующей управляемой поликонденсации образующихся силанольных групп и эффективной циклизации силоксановых связей в гомогенной среде.Dilution of the reaction mixture with alcohol to ensure a concentration of precipitated silica particles of 14.0-25.2% (wt.) Is due to mild hydrolysis and subsequent controlled polycondensation of the formed silanol groups and effective cyclization of siloxane bonds in a homogeneous medium.

При концентрации осаждаемых в спирте кремнеземных частиц менее 14% мас. снижается выход целевых продуктов с единицы реакторного объема, что не приводит к упрощению технологии синтеза и повышению качества кремнеземных частиц. Концентрация более 25,2% мас. приводит к жестким условиям последующего гидролиза хлорсиланов, сопровождающегося интенсивным разогревом реакционной смеси и неуправляемой поликонденсацией силанольных групп и гелеобразованием осаждающихся кремнеземов.When the concentration of silica particles precipitated in alcohol is less than 14% wt. the yield of the target products per unit reactor volume is reduced, which does not lead to a simplification of the synthesis technology and an increase in the quality of silica particles. Concentration of more than 25.2% wt. leads to harsh conditions for the subsequent hydrolysis of chlorosilanes, accompanied by intense heating of the reaction mixture and uncontrolled polycondensation of silanol groups and gelation of precipitated silicas.

Необходимое количество гидролизующей воды составляет 0,53-0,77 моль на 1 г-атом алкоксигрупп. Менее чем 0,53 моль воды на 1 г-атом алкоксигрупп приводит к длительному и неполному их гидролизу, что отрицательно сказывается на процессах поликонденсации и циклизации при формировании дискретных частиц. Выход качественных кремнеземных частиц снижается и увеличивается выход геля. Введение более чем 0,77 моль воды на 1 г-атом алкоксигрупп приводит к интенсивному разогреву реакционной смеси из-за возникающего экзотермического эффекта при контакте H2O-HCl, что способствует протеканию неуправляемого процесса гидролитической поликонденсации и к снижению выхода целевых продуктов.The required amount of hydrolyzing water is 0.53-0.77 mol per 1 g-atom of alkoxy groups. Less than 0.53 mol of water per 1 g-atom of alkoxy groups leads to prolonged and incomplete hydrolysis, which negatively affects the processes of polycondensation and cyclization during the formation of discrete particles. The yield of high-quality silica particles decreases and the gel yield increases. The introduction of more than 0.77 mol of water per 1 g-atom of alkoxy groups leads to intense heating of the reaction mixture due to the exothermic effect upon contact with H 2 O-HCl, which contributes to the uncontrolled process of hydrolytic polycondensation and to a decrease in the yield of the target products.

Интервал температур 67-84°С обусловлен режимами кипения реакционных (азеотропных) смесей. Нижний предел 67°С достигается использованием в реакции метилового (С1) спирта (Ткип.=64,6°С). Проведение процесса синтеза ниже 67°С происходит при значительном разбавлении реакционной смеси метиловым спиртом, что приводит к нарушению соотношения реакционных компонентов, снижению практического выхода целевых продуктов и ухудшению их качества. Проведение процесса выше 83°С возможно только за счет использования алкоксилирующего спирта С>3, например бутилового (С4) спирта (Ткип.=117,7°С), изо-амилового (С5) спирта (Tкип.=132°С) и др. При повышении температуры кипения спиртов увеличивается их молекулярная масса и одновременно увеличивается адсорбционная способность хлористого водорода, что не позволяет эффективно десорбировать его из продуктов реакции. Кроме этого, с увеличением молекулярной массы спиртов изменяется их взаимная растворимость с водой и нарушаются условия гомогенизации реакционной среды. Водно-спиртовая смесь становится гетерогенной и замещение реакционноспособных групп при поликонденсации приводит к гелеобразованию.The temperature range of 67-84 ° C is due to the boiling modes of the reaction (azeotropic) mixtures. The lower limit of 67 ° C is achieved by using methyl (C1) alcohol in the reaction (T bp = 64.6 ° C). The synthesis process below 67 ° C occurs with a significant dilution of the reaction mixture with methyl alcohol, which leads to a violation of the ratio of the reaction components, a decrease in the practical yield of the target products and a deterioration in their quality. The process above 83 ° C is possible only through the use of alkoxylating alcohol C> 3, for example, butyl (C4) alcohol (T bp. = 117.7 ° C), iso-amyl (C5) alcohol (T bp. = 132 ° C ) and others. With an increase in the boiling point of alcohols, their molecular weight increases and at the same time the adsorption capacity of hydrogen chloride increases, which does not allow it to be effectively desorbed from the reaction products. In addition, with an increase in the molecular weight of alcohols, their mutual solubility with water changes and the conditions of homogenization of the reaction medium are violated. The water-alcohol mixture becomes heterogeneous and the substitution of reactive groups during polycondensation leads to gelation.

Время, необходимое для синтеза дискретных частиц в режиме кипячения реакционной смеси, составляет 1,0-2,0 ч, что является достаточным для формирования сферических форм кремнеземных частиц и максимальной десорбции хлористого водорода.The time required for the synthesis of discrete particles in the boiling mode of the reaction mixture is 1.0-2.0 hours, which is sufficient for the formation of spherical forms of silica particles and maximum desorption of hydrogen chloride.

Кипячение менее 1,0 часов является недостаточным для завершения ступенчатого процесса гидролитической поликонденсации, что приводит к некачественному формированию кремнеземных частиц и низкому выходу хлористого водорода.Boiling less than 1.0 hours is insufficient to complete the stepwise process of hydrolytic polycondensation, which leads to poor-quality formation of silica particles and a low yield of hydrogen chloride.

Кипячение реакционной смеси более 2,0 часов не упрощает технологии и не улучшает качества целевых продуктов, но приводит к повышению энергозатрат и не оправдано экономически.Boiling the reaction mixture for more than 2.0 hours does not simplify the technology and does not improve the quality of the target products, but leads to increased energy costs and is not economically justified.

Способ иллюстрируется следующими примерами.The method is illustrated by the following examples.

Пример 1.Example 1

В круглодонную четырехгорловую колбу объемом 1000 мл с обогревателем, снабженную стеклянной мешалкой, обратным холодильником, ртутным термометром и загрузочной воронкой-дозатором заливают 182,6 мл (270,3 г) тетрахлорид кремния (f=4,00) и медленно из воронки-дозатора по каплям подают при включенном перемешивании (n=500-800 об/мин) 191,4 мл метилового спирта из расчета 1,1 моль спирта на 1 г-атом хлора хлорсиланов. По мере поступления спирта происходит образование газообразного хлористого водорода, который обладая высокой летучестью (Ткип.=-90°С) выходит через верхнюю часть охлаждаемого холодильника. После расходования всего спирта продолжают перемешивание в течение часа с последующим включением колбонагревателя и доведением реакционной смеси до температуры кипения. По мере закипания реакционной смеси через воронку-дозатор подают 253,9 мл метилового спирта в смеси с 53,7 мл воды (из расчета 0,55 моль на 1 г-атом хлора). После введения всего количества водно-спиртового раствора реакционную смесь продолжают кипятить при перемешивании в течение полутора часов. По мере перемешивания при кипении из реакционной смеси на дне колбы выпадают твердые кремнеземные частицы. По окончании процесса полученные продукты реакции в виде суспензии отделяют от водно-метанольной смеси, промывают от следов HCl слаборазбавленной (0,01 N) аммиачной водой на стеклянном фильтре Шота под вакуумом. Затем кремнеземную суспензию промывают водой до рН=7 (по универсальному индикатору) и высушивают в сушильном шкафу при 100°С до порошкообразного состояния в течение 1 часа. По окончании кремнеземный порошок упаковывают в стеклянную посуду с герметичной крышкой.182.6 ml (270.3 g) silicon tetrachloride (f = 4.00) and slowly from the metering funnel are poured into a 1000 ml round-bottomed four-necked flask with a heater equipped with a glass stirrer, a reflux condenser, a mercury thermometer and a loading hopper-dispenser dropwise while stirring (n = 500-800 rpm), 191.4 ml of methyl alcohol are calculated dropwise at a rate of 1.1 mol of alcohol per 1 g of chlorosilane chlorine atom. As the alcohol enters, gaseous hydrogen chloride is formed, which, having high volatility (T boil. = -90 ° C), exits through the upper part of the refrigerated refrigerator. After spending all the alcohol, stirring is continued for one hour, followed by turning on the mantle heater and bringing the reaction mixture to boiling point. As the reaction mixture boils through a metering funnel, 253.9 ml of methyl alcohol are mixed with 53.7 ml of water (at the rate of 0.55 mol per 1 g-chlorine atom). After the introduction of the entire amount of a water-alcohol solution, the reaction mixture was continued to boil with stirring for one and a half hours. During stirring during boiling, solid silica particles precipitate from the reaction mixture at the bottom of the flask. At the end of the process, the obtained reaction products in the form of a suspension are separated from the water-methanol mixture, washed from traces of HCl with dilute (0.01 N) ammonia water on a Shot glass filter under vacuum. Then, the silica suspension is washed with water to pH = 7 (according to the universal indicator) and dried in an oven at 100 ° C to a powder state for 1 hour. At the end of the silica powder is packaged in a glass dish with a sealed lid.

Выход порошка мелкодисперсного кремнезема составил 79,7 г или 97,9% (мас.) от загрузки.The yield of fine silica powder was 79.7 g or 97.9% (wt.) From the load.

Характеристика мелкодисперсного кремнезема:Characterization of finely divided silica:

- в агрегатированном виде представляет собой порошок белого цвета;- in aggregated form is a white powder;

- частицы имеют сферические и овальные формы, размером 5-50 мкм (определялась на сканирующем электронном микроскопе Vega II XMU-Tescan (фирма «Tescan», Чехия) при увеличении × 10000);- particles have spherical and oval shapes, 5–50 μm in size (determined using a Vega II XMU-Tescan scanning electron microscope (Tescan, Czech Republic) at a magnification of × 10,000);

- удельная поверхность частиц составляет 236 м2/г (определялась известным методом измерения изотермы адсорбции азота - метод БЭТ, ГОСТ 14922-77);- the specific surface of the particles is 236 m 2 / g (determined by the known method of measuring the nitrogen adsorption isotherm - BET method, GOST 14922-77);

- рН водной вытяжки равно 7 (по цветной шкале универсального индикатора);- the pH of the aqueous extract is equal to 7 (on the color scale of the universal indicator);

- массовая доля влаги (влагосодержание) составляет 1,5% мас. (определялась по ГОСТ 14922-77);- mass fraction of moisture (moisture content) is 1.5% wt. (determined according to GOST 14922-77);

- насыпная плотность (определялась по стандартной методике для сыпучих материалов, ГОСТ 14922-77):- bulk density (determined by the standard method for bulk materials, GOST 14922-77):

неуплотненного - 50 г/л;uncompressed - 50 g / l;

уплотненного - 130 г/л.condensed - 130 g / l.

HCl-газ после прохождения через осушительную колонну конденсируется в мерной ловушке, охлаждаемой при минус 100°С в сосуде Дьюара и затем ловушку вместе с конденсатом HCl взвешивают. Выход HCl-конденсата составил 181,0 г, что соответствует 91,3% мас. от загрузки. После взвешивания конденсат переливают в герметичный баллон и направляют на ответственное хранение. Проскок следов хлористого водорода (не более 0,05-0,1% мас.) улавливают в ловушке-поглотителе слабощелочным раствором.HCl gas after passing through the drying column is condensed in a measuring trap cooled at minus 100 ° C in a Dewar vessel and then the trap is weighed together with the HCl condensate. The yield of HCl condensate was 181.0 g, which corresponds to 91.3% wt. from loading. After weighing, the condensate is poured into a sealed container and sent for safekeeping. Breakthrough of traces of hydrogen chloride (not more than 0.05-0.1% wt.) Is captured in the trap-absorber with a slightly alkaline solution.

Водно-метанольный раствор со следовым количеством HCl подвергают дистилляционной перегонке, после чего разделенные кислые компоненты вновь используют в повторном процессе при этерификации и гидролизе.A methanol-water solution with a trace amount of HCl is subjected to distillation distillation, after which the separated acidic components are reused in the re-process during esterification and hydrolysis.

Примеры 2÷7:Examples 2 ÷ 7:

Порядок осуществления синтеза аналогичен Примеру 1, технологические параметры и свойства полученных кремнеземных порошков приведены в Таблице 1 и Таблице 2.The synthesis procedure is similar to Example 1, the technological parameters and properties of the obtained silica powders are shown in Table 1 and Table 2.

Примеры 8÷13: - варианты осуществления способа с технологическими режимами проведения гидролитической поликонденсации, выходящими за заявленные пределы.Examples 8 ÷ 13: - embodiments of the method with technological modes of hydrolytic polycondensation, beyond the stated limits.

Таким образом, заявленный способ позволяет:Thus, the claimed method allows you to:

- упростить технологию получения порошков модифицированных мелкодисперсных кремнеземов из попутных хлорсиланов за счет минимизации расхода реагентов и сопутствующих компонентов;- to simplify the technology for producing powders of modified finely dispersed silicas from associated chlorosilanes by minimizing the consumption of reagents and related components;

- улучшить качество кремнеземных частиц за счет устранения из пор сорбционного хлористого водорода химическим путем при действии аммиачной воды, а также за счет уменьшения разброса их дисперсности до 5-50 мкм и удельной поверхности до 98-243 м2/г;- to improve the quality of silica particles by eliminating sorption of hydrogen chloride from the pores by chemical means under the action of ammonia water, as well as by reducing the dispersion of their dispersion to 5-50 microns and specific surface to 98-243 m 2 / g;

- расширить ассортимент и повысить потребительские свойства кремнеземных частиц за счет введения на стадии синтеза модифицирующих трихлорсиланов с углеводородными заместителями у атомов кремния: -Н; -СН3; -С2Н3; -С6Н5 и др.- to expand the range and improve the consumer properties of silica particles by introducing at the stage of synthesis modifying trichlorosilanes with hydrocarbon substituents at silicon atoms: -H; -CH 3 ; -C 2 H 3 ; -C 6 H 5 and others.

- минимизировать потери хлористого водорода;- minimize the loss of hydrogen chloride;

- повторно использовать кислые водно-спиртовые компоненты после их разделения в процессах этерификации и гидролиза хлорсиланов.- reuse acidic water-alcohol components after their separation in the processes of esterification and hydrolysis of chlorosilanes.

Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000001
Figure 00000002

Claims (3)

1. Способ получения мелкодисперсных кремнеземов из хлорсиланов, включающий гидролиз, последующую конденсацию и осаждение частиц в растворителе, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют хлорсиланы с функциональностью больше трех, которые перед гидролизом подвергают алкоксилированию низшими алифатическими спиртами С1-С3, из расчета 1,0-1,2 моля спирта на 1 г атом хлора хлорсилана, с последующим разбавлением реакционной смеси раствором спирта с водой из расчета 0,53-0,77 молей воды на 1 г атом алкоксигрупп до концентрации осаждаемых частиц в растворителе 14,0-25,2 мас.% и кипячением реакционной смеси в температурном интервале 67-84°С в течение 2,5-3,5 ч.1. A method of producing finely dispersed silicas from chlorosilanes, including hydrolysis, subsequent condensation and precipitation of particles in a solvent, characterized in that chlorosilanes with a functionality of more than three are used as feedstock, which are subjected to alkoxylation with lower aliphatic alcohols C1-C3, based on 1 , 0-1.2 moles of alcohol per 1 g of chlorosilane chlorine atom, followed by dilution of the reaction mixture with a solution of alcohol with water at the rate of 0.53-0.77 moles of water per 1 g of alkoxy atom to a precipitate concentration particles in the solvent of 14.0-25.2 wt.% and boiling the reaction mixture in the temperature range of 67-84 ° C for 2.5-3.5 hours 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют попутные хлорсиланы химико-металлургических хлоридных производств металлов и химико-технологических производств органохлорсиланов.2. The method according to claim 1, characterized in that as a feedstock, associated chlorosilanes of chemical-metallurgical chloride production of metals and chemical-technological production of organochlorosilane are used. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве алифатических спиртов С1-С3 используют метанол, этанол и изо-пропанол. 3. The method according to claim 1, characterized in that methanol, ethanol and iso-propanol are used as aliphatic alcohols C1-C3.
RU2010140684/05A 2010-10-05 2010-10-05 Method of obtaining fine silica RU2447020C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010140684/05A RU2447020C1 (en) 2010-10-05 2010-10-05 Method of obtaining fine silica

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010140684/05A RU2447020C1 (en) 2010-10-05 2010-10-05 Method of obtaining fine silica

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2447020C1 true RU2447020C1 (en) 2012-04-10

Family

ID=46031619

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010140684/05A RU2447020C1 (en) 2010-10-05 2010-10-05 Method of obtaining fine silica

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2447020C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2637690C1 (en) * 2017-04-04 2017-12-06 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие Экологическое природопользование" Method of producing chlorosilanes from amorphous silica to produce high purity silicon

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU267907A1 (en) * И. П. Гончарова, К. П. Гриневич, М. В. Соболевский, Г. С. Гольдин, К. О. Авербах, И. М. Зиммер , О. И. Галицка METHOD OF HYDROLYSIS OF ORGANOTHRICHLOROSILANES
KR100692612B1 (en) * 2006-04-21 2007-03-14 한국화학연구원 Producing method of spherical silicone fine particles
CN101804985A (en) * 2010-04-11 2010-08-18 渤海大学 Method for preparing high-purity nanometer silicon dioxide by taking high-purity silicon tetrachloride as material

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU267907A1 (en) * И. П. Гончарова, К. П. Гриневич, М. В. Соболевский, Г. С. Гольдин, К. О. Авербах, И. М. Зиммер , О. И. Галицка METHOD OF HYDROLYSIS OF ORGANOTHRICHLOROSILANES
KR100692612B1 (en) * 2006-04-21 2007-03-14 한국화학연구원 Producing method of spherical silicone fine particles
CN101804985A (en) * 2010-04-11 2010-08-18 渤海大学 Method for preparing high-purity nanometer silicon dioxide by taking high-purity silicon tetrachloride as material

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2637690C1 (en) * 2017-04-04 2017-12-06 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие Экологическое природопользование" Method of producing chlorosilanes from amorphous silica to produce high purity silicon

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102269433B1 (en) Silica particles, manufacturing method for same, and silica sol
KR102054846B1 (en) Method of Making Organic Modified Airgel
JP4828032B2 (en) Hydrophobic silica powder and method for producing the same
Zawrah et al. Facile and economic synthesis of silica nanoparticles
US10843965B2 (en) Silica molded bodies having low thermal conductivity
JPH0465006B2 (en)
US6838068B2 (en) Silica gel
AU2009299921A1 (en) Production of solar-grade silicon from silicon dioxide
Lazareva et al. Synthesis of high-purity silica nanoparticles by sol-gel method
Hsin et al. Calcium containing silicate mixed oxide-based heterogeneous catalysts for biodiesel production
JP5717462B2 (en) Method for producing surface-treated inorganic oxide particles
JP5698087B2 (en) Inorganic oxide powder
JP6011804B2 (en) Method for producing silica sol
Gao et al. Nanoscale silicon dioxide prepared by sol-gel process
JP2015051924A (en) Surface-treated inorganic oxide particle
JP2002080217A (en) Method of producing silica gel
JP5603566B2 (en) Spherical mesoporous carbon and method for producing the same
RU2447020C1 (en) Method of obtaining fine silica
Zhang et al. Preparation of spherical silica particles in reverse micro emulsions using silicon tetrachloride as precursor
US20180044188A1 (en) Method for producing organically modified aerogels
JP4128363B2 (en) Method for producing porous gel
JP2021503532A (en) Airgel precursor and aerogel produced using it
JP2003165717A (en) Silica gel
US10759666B2 (en) Hydrophobic aerogels comprising low occupancy of monofunctional units
Xu et al. Recovery of high specific area silica and sodium fluoride from sodium hexafluorosilicate

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201006