包覆型滑爽硅微粉的制備與表征

安秋鳳， 郭曉曉， 李曉璐， 王婉輝

(陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021)

包覆型滑爽硅微粉的制備與表征

安秋鳳， 郭曉曉， 李曉璐， 王婉輝

(陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021)

在水性體系中，以甲基三乙氧基硅烷(MTES)為原料、NH3·H2O為催化劑進(jìn)行水解、縮合反應(yīng)，通過(guò)改變表面活性劑的用量，制得粒徑均一的硅微粉(PMQS)，并用聚醚硅烷(TMS)及石油醚對(duì)其進(jìn)行表面修飾，制得包覆型滑爽硅微粉(HPMQS).先用激光粒徑儀對(duì)PMQS的粒徑分布進(jìn)行表征；再分別用傅里葉紅外(FTIR)和掃描電鏡(SEM)對(duì)PMQS/HPMQS結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征.主要討論合成工藝條件對(duì)PMQS粒徑分布的影響及不同包覆工藝對(duì)HPMQS滑爽度的影響，從而探索出最佳的合成條件和包覆工藝.結(jié)果表明，當(dāng)m(MTES)∶m(H2O)=1∶5，表面活性劑用量為5%時(shí)，制得的PMQS蓬松且粒徑均一；當(dāng)m(PMQS)∶m(TMS)∶m(PHMS-1)∶m(石油醚)=1∶2∶3∶4時(shí)，得包覆型滑爽硅微粉(HPMQS).

硅微粉； 表面修飾； 包覆型； 滑爽性

Abstract:With methyltriethoxysilane (MTES) as raw materials,NH3·H2O as the catalyst forhydrolysis-condensation reaction in the aqueous system,by changing the amount of surfact-ant,prepared silicon powder with uniform particle size (PMQS),and using polyether silane (TMS) and petroleum ether were surface modified,prepared smooth coated silica powder(HPMQS).The particle size distribution of PMQS was characterized by laser particle size analyzer;The structure and morphology of PMQS/HPMQS were characterized by fourier transform infrared (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM).Mainly discusses the influence effect of synthesis conditions on PMQS particle distribution and different coating process of HPMQS smooth degree,so as to explore the best synthesis conditions and coating technology.The results show that whenm(MTES)∶m(H2O)=1∶5,the surfactant dosage is 5%,the PMQS is fluffy and the particle size is uniform;whenm(PMQS)∶m(TMS)∶m(PHMS-1)∶m(石油醚)=1∶2∶3∶4,have smooth coated silica fume (HPMQS).

Keywords:microsilica； surface finish； coated type； smoothness

0 引言

聚倍半硅氧烷是聚硅氧烷中較為特殊的一類(lèi)，其分子通式為(RSiO1.5)n，可呈梯形、樹(shù)枝型或籠型等結(jié)構(gòu).聚甲基倍半硅氧烷微粉簡(jiǎn)稱(chēng)硅微粉(PMQS)是R基被—CH3取代時(shí)水解縮聚的產(chǎn)物[1].硅微粉(PMSQ)也叫作甲基硅樹(shù)脂微粉，是一種微米級(jí)的固體粉末，其化學(xué)結(jié)構(gòu)為以T鏈節(jié)為主體的高度交聯(lián)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不溶于有機(jī)溶劑.硅微粉(PMSQ)具有密度小、憎水性、潤(rùn)滑性、耐熱性、耐候性好等優(yōu)點(diǎn)，可用做塑料、橡膠、化妝品等的填料和改性添加劑，以改善其手感、光澤、疏水、潤(rùn)滑、流動(dòng)、耐磨、耐熱等性能[2].

硅微粉(PMSQ)的制備方法主要有均聚法、共聚法、乳液聚合、溶膠-凝膠法及模板法等.如：Arkhireeva等[3]分別以甲基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和苯基三甲氧基硅烷為單體，在芐索氯銨或壬基酚聚氧乙烯醚和水組成的乳液中，通過(guò)氫氧化鈉催化，合成了平均直徑在3. 5～300 nm的聚硅氧烷實(shí)心微球.調(diào)節(jié)乳化劑的含量和種類(lèi)，可以得到不同環(huán)狀和鏈狀的聚硅氧烷實(shí)心微球.Matsumoto等[4]將甲基三甲氧基硅烷在span85、辛烷和水組成的油包水型的乳液中進(jìn)行反應(yīng)，該反應(yīng)在室溫下不需要酸或堿催化就能進(jìn)行.通過(guò)改變?nèi)榈慕M成和反應(yīng)時(shí)間，得到直徑在 1～80μm的微球.而堿催化直接水解縮聚法因成本低、投資小、不使用表面活性劑、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)便于擴(kuò)大化生產(chǎn)[5-7].Kikuchi等[8]將含乙烯基的聚硅氧烷、高含氫硅油和乙烯基-鉑配合物混合在一起，用吐溫-20和水乳化成粒徑為0. 5μm的乳液；然后在50 ℃反應(yīng)2 h；加氨水后，再于70 ℃反應(yīng)30 min；然后進(jìn)行沉淀、過(guò)濾、干燥，得粒徑為600 nm的聚硅氧烷微球.黃朝等[9]以甲基三氯硅烷(CH3SiCl3)為主要原料、乙二胺為梯形控制劑，合成了聚甲基倍半硅氧烷，討論了梯形控制劑、水解介質(zhì)、催化劑、單體濃度、溫度等因素對(duì)聚合物摩爾質(zhì)量及結(jié)構(gòu)規(guī)整性的影響，篩選出較佳的梯形控制劑和聚合條件.張曉菊[10]隨著粉體技術(shù)的日益發(fā)展，人們對(duì)超細(xì)粉體材料的要求也不斷提高.由于超細(xì)粒子，尤其是納米級(jí)粒子的粒徑很小、比表面積很大、表面能高、很容易發(fā)生團(tuán)聚，形成二次粒子，無(wú)法表現(xiàn)出其受人青睞的表面積效應(yīng)、體積效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)等[11]，因此，對(duì)其表面進(jìn)行處理成為了近年來(lái)人們關(guān)注的技術(shù)之一.表面包覆改性只是表面改性技術(shù)中重要的一種[12].包覆，又稱(chēng)為涂覆或涂層，是利用無(wú)機(jī)物或有機(jī)物在粒子表面引入一層化學(xué)組成不同的包覆層以達(dá)到改性的方法.

本文主要以甲基三乙氧基硅烷(MTES)為原料、堿為催化劑，在水相體系中進(jìn)行水解、縮合反應(yīng)，通過(guò)改變表面活性劑的用量，制得粒徑均一的硅微粉(PMQS)，并用聚醚硅烷(TMS)及石油醚進(jìn)行表面修飾，制得包覆型滑爽硅微粉(HPMQS).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器

甲基三乙氧基硅烷(MTES)，工業(yè)級(jí)，張家港市國(guó)泰華榮化工新材料有限公司；十六烷基三甲基溴化銨(1631)，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；石油醚，分析純，天津天力化學(xué)試劑有限公司；聚醚硅烷(TMS)，工業(yè)品，張家港市國(guó)泰華榮化工新材料有限公司；NH3·H2O(25%)，分析純，天津天力化學(xué)試劑有限公司；KOH，分析純，成都金山化學(xué)試劑有限公司；NaOH(粒)，分析純，天津天力化學(xué)試劑有限公司.

智能超聲波清洗器(DL-120E),上海之信儀器有限公司；紅外光譜(IR),德國(guó)布魯克公司的VECTOR-22型傅里葉紅外光譜儀；掃描電鏡(SEM),日本理學(xué)的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡S4800；粒徑,英國(guó)Malvern公司的Zetasizer NANO-ZS90型激光粒度儀.

1.2 合成

1.2.1 硅微粉(PMQS)的合成

在裝有磁力攪拌器、溫度計(jì)和回流冷凝管的三口燒瓶中，先加入125 g H2O、1.25 g 1631和10 g NH3·H2O攪拌混合均勻后調(diào)pH約為10～11，攪拌升溫至60 ℃，后緩慢加入25 g MTES，堿性條件下反應(yīng)10 h，得乳白色液體，然后進(jìn)行抽濾、水洗、醇洗三次、烘干得粒徑細(xì)小均一的白色蓬松粉末，產(chǎn)率約為50%.反應(yīng)式如圖1所示[13].

圖1 PMQS合成反應(yīng)式

1.2.2 包覆型滑爽硅微粉(HPMQS)的制備

稱(chēng)取上述烘干的白色細(xì)小粉末少許，分散于一定量的石油醚中，并用不同的包覆材料分別進(jìn)行表面處理，攪拌混合均勻，在高頻60 ℃下超聲振蕩分散60 min后，置于120 ℃烘箱中烘干，得包覆型滑爽硅微粉(HPMQS).

1.3 產(chǎn)物表征

(1)粒徑分布：取少量硅微粉用乙醇稀釋至濃度為0.5%，超聲分散均勻后用激光粒徑儀進(jìn)行測(cè)試.

(2)紅外光譜(IR)：常溫下，取少量硅微粉PMQS與KBr一起研磨，磨細(xì)后壓成薄片，放入光譜儀中測(cè)量.

(3)掃描電鏡(SEM)：將干燥好的硅微粉PMQS制樣，對(duì)其形貌進(jìn)行表征.

2 結(jié)果與討論

2.1 硅微粉PMQS的紅外表征

用紅外光譜(IR)對(duì)硅微粉PMQS進(jìn)行表征，其IR譜圖如圖2所示.由圖2可看出，776 cm-1、1 277 cm-1處是聚硅氧烷中Si-CH3較強(qiáng)的對(duì)稱(chēng)變形振動(dòng)特征吸收峰，1 030 cm-1、1 129 cm-1處為Si-O-Si的偶合振動(dòng)吸收峰，在2 975 cm-1處是-CH3較強(qiáng)的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰，3 300 cm-1附近幾乎無(wú)峰，說(shuō)明此處無(wú)-OH的特征吸收峰，說(shuō)明該水解縮聚反應(yīng)比較充分.初步測(cè)試表明，合成目標(biāo)產(chǎn)物PMQS.

圖2 PMQS紅外光譜圖

2.2 掃描電鏡對(duì)硅微粉PMQS形貌表征

將硅微粉PMQS溶于乙醇中，通過(guò)SEM對(duì)其形貌進(jìn)行表征，SEM照片如圖3所示.由掃描電鏡可以看出，硅微粉PMQS的微觀形貌呈球形，且大小均一，分布比較均勻.由于球形結(jié)構(gòu)的相互摩擦和滾動(dòng)，將使該硅微粉的滑爽度明顯增加.

圖3 PMQS的SEM照片

2.3 硅微粉PMQS的粒徑分布圖

取少量硅微粉PMQS用乙醇稀釋至濃度為0.5%，超聲分散均勻后用激光粒徑儀進(jìn)行測(cè)試，粒徑分布圖如圖4所示.由圖4可看出，PMQS的平均粒徑為3 323.5 nm，且粒徑分布為單峰分布，分布范圍比較窄，主要集中在2 000～4 000 nm，初步測(cè)試表明，目標(biāo)產(chǎn)物粒徑大小分布基本均一.

圖4 PMQS粒徑分布圖

2.4 合成工藝討論

2.4.1 反應(yīng)溫度對(duì)PMQS粒徑分布的影響

溫度對(duì)甲基三乙氧基硅烷的水解縮聚反應(yīng)有一定影響.反應(yīng)溫度越高，水解縮聚反應(yīng)更劇烈，從而使產(chǎn)品的粒徑分布變寬，一致性[5]下降，容易結(jié)塊；溫度越低，水解縮聚越緩慢.因此，反應(yīng)在適宜溫度下進(jìn)行，可以避免局部反應(yīng)過(guò)快結(jié)塊等問(wèn)題.控制其他反應(yīng)條件不變，考察不同反應(yīng)溫度下的粒徑大小、分布及一致性的影響，結(jié)果見(jiàn)表1所示.由表1知，當(dāng)反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)，粒徑分布越小，一致性越好.

表1 不同反應(yīng)溫度對(duì)PMQS粒徑分布的影響

注：徑距為顆粒的分布寬度，徑距越大，粒徑分布越寬；一致性為粒徑分布偏離平均粒徑的程度，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)差.

2.4.2 催化劑堿性強(qiáng)弱對(duì)PMQS粒徑分布的影響

催化劑堿性對(duì)甲基三乙氧基硅烷的水解縮聚反應(yīng)的影響較復(fù)雜.堿性越強(qiáng)，水解縮聚反應(yīng)越劇烈，水解反應(yīng)時(shí)間越短，但使產(chǎn)品的粒徑分布變寬，一致性下降，易于聚集成塊；堿性越弱，水解縮聚反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，但反應(yīng)更充分，產(chǎn)品粒徑分布窄，一致性好.因此，反應(yīng)在較弱堿性條件下進(jìn)行，可以避免不充分等問(wèn)題.控制其他反應(yīng)條件不變，考察不同堿催化下對(duì)粒徑大小、分布及一致性的影響，結(jié)果見(jiàn)表2所示.由表2可知，當(dāng)用NH3·H2O(25%)催化時(shí)，粒徑分布小，一致性較好.

表2 不同堿催化對(duì)PMQS粒徑分布的影響

2.4.3 水的用量對(duì)PMQS粒徑分布的影響

水作為甲基三乙氧基水解的反應(yīng)物之一，對(duì)反應(yīng)影響較大，為保證縮聚產(chǎn)物聚集成微球，水的用量通常較大.甲基三乙氧基硅烷的水解反應(yīng)是可逆的，為了使平衡右移，水解盡可能充分，提高產(chǎn)率，必須加大水的用量.而在水解產(chǎn)物脫水縮合過(guò)程中，產(chǎn)物有可能聚集成微球，又可能交聯(lián)成凝膠[15].所以也需要水作為分散劑來(lái)打破交聯(lián).在反應(yīng)溫度為60 ℃下，控制甲基三乙氧基硅烷的用量為25g，考察水的用量對(duì)粒徑大小、分布及一致性的影響，結(jié)果見(jiàn)表3所示.由表3可知，在反應(yīng)溫度為60 ℃下，當(dāng)MTES與H2O的質(zhì)量比為1∶5時(shí)，粒徑分布越小，一致性越好.

表3 加水量對(duì)PMQS粒徑分布的影響

2.4.4 MTES加入方式對(duì)PMQS粒徑分布的影響

不同的加料方式對(duì)硅微粉PMQS的粒徑也有一定的影響.當(dāng)一次性加入MTES時(shí)，會(huì)使反應(yīng)物易于聚集成塊，反應(yīng)不充分；當(dāng)緩慢滴加MTES時(shí)，反應(yīng)物不易結(jié)塊，水解反應(yīng)會(huì)更充分.在氨水催化，反應(yīng)溫度為60 ℃下，MTES與H2O的質(zhì)量比為1∶5時(shí)，考察加料方式對(duì)粒徑大小、分布及一致性的影響，結(jié)果見(jiàn)表4所示.由表4可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)，MTES與H2O的質(zhì)量比為1∶5時(shí)，粒徑分布越小，一致性越好.

表4 加料方式對(duì)PMQS粒徑分布的影響

2.4.5 1631用量對(duì)PMQS粒徑分布的影響

1631的用量不同對(duì)硅微粉PMQS的粒徑也有一定的影響.當(dāng)1631用量較大時(shí)，會(huì)使硅微粉的粒徑較??；當(dāng)1631用量較小時(shí)，會(huì)使硅微粉的粒徑較大，均一性較差.在氨水催化，反應(yīng)溫度為60 ℃下，MTES與H2O的質(zhì)量比為1∶5時(shí)，考察1631用量對(duì)粒徑大小及產(chǎn)物形態(tài)的影響，結(jié)果見(jiàn)表5所示.由表5可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)，MTES與H2O的質(zhì)量比為1∶5時(shí)，1631用量為5%時(shí)，粒徑分布越小，一致性越好.

表5 1631用量對(duì)PMQS粒徑

注：1631用量為MTES質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)

2.5 包覆工藝

HPMQS滑爽度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：在人群中隨機(jī)抽取20位測(cè)試者，對(duì)不同滑爽度的HPMQS進(jìn)行盲測(cè)評(píng)價(jià)，滑爽度最佳五星，余類(lèi)推[16]，不同修飾劑種類(lèi)及用量討論如下：

2.5.1 TMS包覆

PMQS與TMS以一定比例混合超聲分散形成包覆結(jié)構(gòu).將其溶于沸點(diǎn)為60 ℃～90 ℃的石油醚中，按一定比例包覆PMQS，通過(guò)超聲分散、自然干燥、高溫再烘干后評(píng)價(jià)手感，結(jié)果見(jiàn)表6所示.

表6 TMS與PMQS質(zhì)量比對(duì)粉體滑爽度影響

由表6可知，聚醚硅烷(TMS)的加入會(huì)使粉體更加松散，但包覆后表面修飾的粉體滑爽度無(wú)明顯改善變化.當(dāng)PMQS與TMS比例為1∶2時(shí)，超聲分散60 min后再將其于120 ℃下烘干30 min，制得的硅微粉相對(duì)較滑爽.

2.5.2 硅油包覆

將PMQS與低含氫硅油(PHMS-1)以一定比例混合超聲分散形成包覆結(jié)構(gòu).將其溶于沸點(diǎn)為60 ℃～90 ℃的石油醚中，按一定比例包覆PMQS，通過(guò)超聲分散、自然干燥、高溫再烘干后評(píng)價(jià)手感，結(jié)果見(jiàn)表7所示.

表7 PHMS-1與PMQS質(zhì)量比對(duì)粉體

由表7可知，含氫硅油的加入會(huì)使硅微粉表面有油膩感，在120 ℃下油很難徹底烘干，對(duì)滑爽度有明顯的影響，當(dāng)PMQS與PHMS-1比例為5∶3時(shí)，超聲分散30 min，制得硅微粉相對(duì)較滑爽.

2.5.3 TMS與PHMS-1協(xié)同包覆

將PMQS與TMS、PHMS-1以一定比例混合超聲分散形成包覆結(jié)構(gòu).將其溶于沸點(diǎn)為60 ℃～90 ℃的石油醚中，按一定比例包覆PMQS，通過(guò)超聲分散、自然干燥、高溫烘干后評(píng)價(jià)手感，結(jié)果見(jiàn)表8所示.

表8 PHMS-1與TMS質(zhì)量比對(duì)粉體

由表8可知，當(dāng)TMS與PHMS-1協(xié)同包覆時(shí)，不僅能夠提高粉體的蓬松感，且含氫硅油的油性有一定的保水作用，會(huì)使粉體懸浮在其中，進(jìn)而提高了微粉之間相互摩擦的可能性和作用力，從而使滑爽度有明顯改善.結(jié)果表明當(dāng)TMS與PHMS-1比例為2∶3時(shí),超聲分散再將其于120 ℃下烘干30 min,進(jìn)行表面修飾的PMQS微粉更滑爽.

2.6 包覆前后結(jié)構(gòu)與形貌對(duì)比

通過(guò)對(duì)比三種不同包覆工藝,結(jié)果表明：當(dāng)用TMS與PHMS-1協(xié)同包覆時(shí)，硅微粉較滑爽，且m(PMQS)∶m(TMS)∶m(PHMS-1)∶m(石油醚)=1∶2∶3∶4時(shí)，進(jìn)行表面修飾的硅微粉更滑爽.

2.6.1 包覆前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

用紅外光譜(IR)分別對(duì)硅微粉(PMQS)和包覆型滑爽硅微粉(HPMQS)進(jìn)行表征，其IR譜圖如圖5所示.

由圖5可看出，PMQS與HPMQS出峰位置基本不變，僅僅是在1 030 cm-1、1 129 cm-1兩處Si-O-Si的偶合振動(dòng)吸收峰強(qiáng)度大小發(fā)生改變.PMQS兩處Si-O-Si的偶合振動(dòng)吸收峰強(qiáng)度大小基本一致；而HPMQS兩處Si-O-Si的偶合振動(dòng)吸收峰強(qiáng)度大小有少許差異.結(jié)果表明，進(jìn)行表面修飾后的硅微粉兩處Si-O-Si偶合振動(dòng)吸收峰強(qiáng)度差距變大，導(dǎo)致使相互間的摩擦力增強(qiáng)，從而使滑爽度得到提高.

圖5 PMQS與HPMQS紅外光譜圖

2.6.2 包覆前后形貌對(duì)比

將硅微粉PMQS和包覆型滑爽硅微粉HPMQS分別溶于乙醇中，通過(guò)SEM對(duì)其形貌進(jìn)行表征，其SEM照片如圖6、7所示.

圖6 包覆前 PMQS的SEM照片

圖7 包覆后HPMQS的SEM照片

由包覆前后SEM照片對(duì)比可知，包覆后的微球表面有明顯凸起，微球自身之間和凸起間的有效摩擦力增大，從而滑爽度顯著提高.

3 結(jié)論

在水性體系中，以甲基三乙氧基硅烷(MTES)為原料、NH3·H2O為催化劑進(jìn)行水解、縮聚反應(yīng)，當(dāng)1631用量為5%時(shí)，所制得的硅微粉(PMQS)蓬松且粒徑均一.當(dāng)對(duì)合成的硅微粉PMQS進(jìn)行表面修飾之后，使相互間摩擦力增強(qiáng)，滑爽度提高.確定m(PMQS)∶m(TMS)∶m(PHMS-1)∶m(石油醚)=1∶2∶3∶4時(shí)，進(jìn)行表面修飾的硅微粉更加滑爽.

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【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

Preparationandcharacterizationofsmoothcoatedsiliconpowderpreparation

AN Qiu-feng， GUO Xiao-xiao， LI Xiao-lu， WANG Wan-hui

(Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry, Ministry of Education, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

2017-08-26

陜西省科技廳科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2015KTCL01-14)

安秋鳳(1965-)，女，陜西臨潼人，教授，博士，研究方向：功能性聚硅氧烷的制備、應(yīng)用及其基礎(chǔ)理論

2096-398X(2017)05-0086-06

TS195.2; TQ324.21

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