二甲基硅油新型合成工藝研究

楊雷波，姚鳳嬌，康玉霞

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

引言

二甲基硅油作為一種性能優(yōu)越的化工產(chǎn)品，目前被廣泛應(yīng)用于機械、醫(yī)學(xué)、電氣等行業(yè)，而且對二甲基硅油的需求量越來越大。傳統(tǒng)制備二甲基硅油的工藝中以硫酸作為催化劑，而且硫酸的用量非常大。鑒于硫酸屬于強酸性、強腐蝕性液體，為避免其對環(huán)境污染需對反應(yīng)后的廢液進行中和、水洗以及過濾等處理才能夠排放[1]?？傮w而言，以硫酸為催化劑制備二甲基硅油存在成本高、污染嚴(yán)重等問題。本文將研究以固體超強酸代替硫酸為催化劑制備二甲基硅油的新型合成工藝。

1 固體超強酸催化劑的制備

制備固體超強酸催化劑涉及到的原料包括有四氯化鈦、硫酸、濃氨水、硝酸銀和自制的蒸餾水作為實驗水。涉及到的設(shè)備包括有馬弗爐、真空泵和攪拌器[2]?；谏鲜鲈虾驮O(shè)備制備固體超強酸催化劑的工藝流程如下：

1）將100 g 的四氯化鈦原料置于900 mL 的蒸餾水中充分?jǐn)嚢?，對充分?jǐn)嚢韬蟮娜芤红o置處理，并將上層的清液去除。

2）采用分液漏斗將預(yù)配好的稀氨水加入1）中的四氯化鈦溶液，得到氫氧化鈦的渾濁物。

3）將2）所得的氫氧化鈦的渾濁物靜置24 h 后，并用水沖洗渾濁物，去除渾濁物中的氯離子。判斷標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)溶液不渾濁后即認為渾濁物中無氯離子。

4）將上述去除氯離子的溶液所得的濾餅置于電阻爐中，要求電阻爐內(nèi)的溫度不得低于100 ℃，并干燥處理24 h，得到二氧化鈦。

5）將4）中干燥處理后的二氧化鈦進行粉碎處理，要求粉碎后的顆粒大于100 目以上。

6）將5）中得到的產(chǎn)物浸泡于硫酸溶液中，充分?jǐn)嚢?0 min 后進行過濾處理。將過濾所得的產(chǎn)物置于馬弗爐中進行焙燒，最終得到固體超強酸催化劑。

2 基于固體超強酸催化劑制備二甲基硅油的實驗原理與方法

2.1 基于固體超強酸催化劑制備二甲基硅油的實驗原理

基于固體超強酸催化劑制備二甲基硅油所采用的原料為八甲基環(huán)四硅氧烷，在固體超強酸催化的作用下進行開環(huán)聚合反應(yīng)。在反應(yīng)期間可通過控制六甲基二硅氧烷的用量，對上述開環(huán)聚合反應(yīng)的聚合度進行控制，此過程為平衡化反應(yīng)[3]。

2.2 基于固體超強酸催化劑制備二甲基硅油的實驗方法

基于上述原理分析，基于固體超強酸催化劑制備二甲基硅油涉及到的原料包括有八甲基環(huán)四硅氧烷和六甲基二硅氧烷，為保證二甲基硅油的制備效果，要求原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%。催化劑采用制備所得的固體超強酸催化劑。

涉及到實驗裝置如表1 所示。

表1 實驗裝置

制備流程如下：將一定量的八甲基環(huán)四硅氧烷、六甲基二硅氧烷和固體超強酸催化劑加入三口燒瓶中，按照設(shè)定的攪拌速度對混合物在一定溫度下充分?jǐn)嚢璨㈤_始反應(yīng)[4]。將上述充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)的產(chǎn)物進行過濾處理并得到固體催化劑和濾液，對上述所得的濾液進行真空蒸餾處理后得到二甲基硅油產(chǎn)品。鑒于六甲基二硅氧烷的價格比八甲基環(huán)四硅氧烷高得多，本文研究的重點除了掌握最佳制備二甲基硅油的工藝參數(shù)外，還需遵循以消耗最小量的六甲基二硅氧烷，獲取最佳的產(chǎn)品性能，即驗證原料比對產(chǎn)品性能的影響。

3 二甲基硅油合成工藝研究

本文將采用單因素分析法的方式重點對反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和催化劑的用量三個參數(shù)對二甲基硅油的合成效果進行研究。此外，對不同六甲基二硅氧烷和八甲基環(huán)四硅氧烷用量比對產(chǎn)品性能的影響。

重點對催化劑用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間三項參數(shù)對二甲基硅油合成反應(yīng)的影響展開研究。其中，催化劑的用量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%，反應(yīng)溫度為70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃、130 ℃、140 ℃和150 ℃，反應(yīng)時間為1 h、2 h、3 h、4 h 和5 h。對不同工藝參數(shù)下對應(yīng)二甲基硅油的粘度進行對比。

3.1 催化劑用量對二甲基硅油的粘度影響

設(shè)定反應(yīng)溫度為90 ℃，反應(yīng)時間為4 h，原料比為40∶1，不同催化劑用量對應(yīng)二甲基硅油的黏度如表2 所示。

表2 不同催化劑用量對應(yīng)二甲基硅油的黏度

如表2 所示，當(dāng)催化劑用量小于2%時，隨著用量的增加對應(yīng)二甲基硅油產(chǎn)品的黏度增加。但是，當(dāng)催化劑用量大于2%時，二甲基硅油的粘度幾乎處于恒定狀態(tài)?？紤]到催化劑用量對應(yīng)成本也增加，確定催化劑的用量為2%[5]。

同理得出，最佳反應(yīng)溫度為120 ℃，最佳反應(yīng)時間為3 h。在上述三個參數(shù)的最佳值下，所合成二甲基硅油的平均黏度為242 mPa/s，閃電溫度大于290 ℃，合成效率高達90%。

3.2 原料比對二甲基硅油黏度的影響

在上述工藝參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，探討不同原料比對所合成產(chǎn)品二甲基硅油粘度的影響。將不同原料比所得的實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到原料與二甲基硅油粘度之間的關(guān)系式：

式中：X 為八甲基環(huán)四硅氧烷和六甲基二硅氧烷的比值，即為原料比；Y 為合成所得的二甲基硅油的黏度。

4 結(jié)語

二甲基硅油為化工生產(chǎn)中常見的產(chǎn)品，傳統(tǒng)采用以硫酸為催化劑進行合成，此種工藝存在成本高、效率低以及對環(huán)境污染的問題。為此，本文以四氯化鈦、硫酸、濃氨水、硝酸銀和自制的蒸餾水為原料，制備固體超強酸催化劑用于二甲基硅油的制備。對采用八甲基環(huán)四硅氧烷和六甲基二硅氧烷為原料、固體超強酸為催化劑，合成二甲基硅油的工藝最優(yōu)參數(shù)進行研究，并總結(jié)如下：

1）最佳工藝參數(shù)：催化劑的用量為2%，最佳反應(yīng)溫度為120 ℃，最佳反應(yīng)時間為3 h。在上述三個參數(shù)的最佳值下，所合成二甲基硅油的平均粘度為242 mPa/s，閃電溫度大于290 ℃，合成效率高達90%。

2）原料與二甲基硅油粘度之間的關(guān)系為Y=57.48-0.378 2X+0.059 35X2。