專利名稱：一種通過連續(xù)表面處理制備疏水型納米二氧化硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備疏水型納米二氧化硅的方法。
背景技術(shù)：
納米二氧化硅由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料、油漆油墨、膠粘劑、化妝品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，起到補(bǔ)強(qiáng)、增稠、觸變、消光、防沉降、抗流掛和防老化等作用。納米二氧化硅采用有機(jī)硅鹵化物(如四氯化硅、甲基三氯硅烷等)通過火焰高溫水解制得二氧化硅氣凝膠，然后經(jīng)過聚集、分離和脫酸等后處理工藝而得到二氧化硅，也稱作氣相法白炭黑或氣相二氧化硅。此法所得的二氧化硅產(chǎn)品純度高(二氧化硅含量大于99.8％)，產(chǎn)品的原生粒徑在7～40nm之間，比表面積為100～400m2/g，具有優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)性、增稠和觸變性能。但由于產(chǎn)品表面含有大量的硅羥基(Si-OH)，容易形成氫鍵而使得產(chǎn)品極具親水性，影響了氣相二氧化硅在有機(jī)聚合物中的均勻分散，無法滿足某些行業(yè)的特殊需要，極大抑制了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。為改善納米氣相二氧化硅顆粒與有機(jī)物分子之間的浸潤性、分散性、界面結(jié)合強(qiáng)度，提高復(fù)合材料的綜合性能，拓寬產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，需對產(chǎn)品進(jìn)行表面處理，以除去產(chǎn)品表面的硅羥基。
氣相二氧化硅生產(chǎn)技術(shù)最早是由德國Degussa公司于1941年開發(fā)成功，目前世界上只有德國、美國、日本、烏克蘭和中國等少數(shù)幾個(gè)國家掌握了氣相二氧化硅的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。尤其是氣相二氧化硅的連續(xù)表面處理技術(shù)，更是集中在德國、美國和日本幾家大公司的手中，具體可參見美國專利US 4503092和US5458916。目前烏克蘭和中國均采用間歇的表面處理方式。因這種處理工藝的設(shè)備和操作簡單，容易控制。連續(xù)化生產(chǎn)則過程和設(shè)備較復(fù)雜，操作控制困難，但質(zhì)量相對穩(wěn)定，最主要的是既可以根據(jù)不同的工藝過程制備不同疏水率的產(chǎn)品，提高裝置的生產(chǎn)潛能和利用率，還可直接與氣相二氧化硅生產(chǎn)裝置連接，實(shí)現(xiàn)在線表面處理。目前氣相二氧化硅表面處理技術(shù)的發(fā)展趨勢是連續(xù)化處理工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備疏水型納米二氧化硅的方法，該方法能有效控制產(chǎn)品的疏水率及提高其分散效果和質(zhì)量的穩(wěn)定性，還可提高裝置的生產(chǎn)潛能和利用率。
本發(fā)明提供的一種通過連續(xù)表面處理制備疏水型納米二氧化硅的方法，其特征是將親水型納米二氧化硅連續(xù)地輸進(jìn)表面處理爐與連續(xù)供應(yīng)的硅烷類表面處理劑在表面處理爐內(nèi)反應(yīng)，控制反應(yīng)物料的摩爾配比為親水型納米二氧化硅∶硅烷類表面處理劑＝(2.5～20)∶(1～2)、流速為2～20mm/s、溫度為200～500℃和時(shí)間為5～50min，制得疏水率為10～99.99％的疏水型納米二氧化硅，并通過解析塔除去夾雜的廢氣。
采用氣相法生產(chǎn)的納米二氧化硅，表面具有高活性的硅羥基，它們主要以三種方式存在。一是孤立的自由羥基，以一定的間距“聯(lián)”在顆粒的表面；二是連生的、形成氫鍵的締合羥基；三是雙生的羥基，兩個(gè)羥基連在一個(gè)硅原子上。對氣相法二氧化硅的表面處理就是通過一定工藝和設(shè)備，選擇合適的表面處理劑與二氧化硅表面的羥基反應(yīng)，在二氧化硅表面以化學(xué)鍵結(jié)合一些有機(jī)基團(tuán)，使氣相二氧化硅表面具有不同程度的疏水性。一般能夠與表面羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)均可作為表面處理劑。本發(fā)明主要采用有機(jī)鹵硅烷如(CH3)2SiCl2和(CH3)3SiCl、硅氮烷如(CH3Si)2NH和(CH3Si)2NC2H3、硅氧烷如D4和D3作為表面處理劑。
本發(fā)明采用連續(xù)的方式對親水型納米二氧化硅進(jìn)行表面處理，二氧化硅從表面處理爐的頂部通過旋轉(zhuǎn)速度可控的加料閥連續(xù)地輸進(jìn)處理爐內(nèi)，在處理爐的上方設(shè)有一個(gè)霧化裝置，在處理爐的下方設(shè)有一個(gè)載氣入口，載氣以切線方向進(jìn)入爐體，使得經(jīng)過霧化裝置作用后的納米二氧化以氣相霧狀螺旋進(jìn)入爐體。處理爐的底部設(shè)有表面處理劑和助劑的入口，表面處理劑和助劑從處理爐底部向上流動(dòng)，與螺旋向下流動(dòng)的納米二氧化硅接觸，在爐內(nèi)的高溫作用下進(jìn)行反應(yīng)并實(shí)現(xiàn)氣體和固體的分離，表面處理爐可采用紅外或微波加熱的方法。
在處理爐的底部還設(shè)有一個(gè)物料出口，經(jīng)過表面處理后的納米二氧化硅經(jīng)物料出口出來后進(jìn)入一個(gè)解析塔，解析塔的底部設(shè)有一氣體和蒸汽入口，氣體和蒸汽從底部向上流動(dòng)，可有效脫除未反應(yīng)的表面處理劑和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物氣體，進(jìn)一步進(jìn)行氣體和固體的分離。解析塔的溫度控制在200～300℃，調(diào)節(jié)解析塔尾氣出口閥門使表面處理爐和解析塔的壓力低于10mmH2O，以除去夾雜的廢氣。經(jīng)過解析的納米二氧化硅從解析塔的底部通過高壓空氣輸送進(jìn)入一個(gè)“風(fēng)柜”分離器，對產(chǎn)品進(jìn)行分離，把不符合粒度分布的產(chǎn)品進(jìn)行分離，最終獲得粒度分布均勻的疏水納米二氧化硅產(chǎn)品。
利用本發(fā)明可制備疏水率為10～99.99％的疏水型納米二氧化硅，以適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，提高納米二氧化硅的品質(zhì)。
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，從原料倉通過氣體輸送過來的親水型納米二氧化硅氣固混合物，通過旋轉(zhuǎn)加料閥1進(jìn)入表面處理爐2，在壓差和重量的作用下，固體二氧化硅粉末進(jìn)入爐體2，而帶有部分二氧化硅粉末的氣體再次經(jīng)回流管10回流到料倉頂部，實(shí)現(xiàn)物料循環(huán)輸送。在管道輸送的二氧化硅過量的前提下，通過控制輸料管與表面處理爐之間的壓差和旋轉(zhuǎn)加料閥的轉(zhuǎn)速，可保證粉末計(jì)量平穩(wěn)、準(zhǔn)確地輸送進(jìn)入爐體。
進(jìn)入表面處理爐2的二氧化硅粉末，首先進(jìn)入置于處理爐頂部的霧化裝置3。粉膜在重力作用下，緩慢向下飄浮沉降形成霧狀。在霧化裝置3下方設(shè)有一載氣入口4，所使用的載氣可以是惰性氣體如N2氣，載氣以切線方向進(jìn)入爐體2，氣霧狀二氧化硅在載氣的吹送下，以螺旋方式進(jìn)入處理爐2的爐身，而分離后的氣體隨尾氣一起輸送出去。
進(jìn)入爐身的霧狀二氧化硅，繼續(xù)以螺旋方式向下飄浮沉降，在電熱的高溫作用下，與從底部緩慢向上噴射的表面處理劑混合蒸汽5和表面處理助劑6接觸進(jìn)行表面化學(xué)反應(yīng)，并最終實(shí)現(xiàn)氣固分離。反應(yīng)后的尾氣向上進(jìn)入處理爐2的擴(kuò)大段并分離出去，經(jīng)尾氣管9進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)，而經(jīng)過表面處理的二氧化硅粉末繼續(xù)向下沉降。經(jīng)過底部進(jìn)入的載氣吹掃分離，粗顆粒沉積于爐底，調(diào)節(jié)解析塔8閥門控制其壓力使產(chǎn)品經(jīng)旁路7輸送到解析塔8。在高溫的解吸塔8的底部通入氮?dú)?，必要時(shí)也可以輔以蒸汽對二氧化硅進(jìn)行吹掃，進(jìn)一步進(jìn)行氣固分離，脫除未反應(yīng)的表面處理劑和反應(yīng)過程中的副產(chǎn)物小分子。脫除的氣體經(jīng)過尾氣管9進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)，而處理后的二氧化硅利用高壓空氣通過底部的輸送器11被輸送到“風(fēng)柜”分離器12，可以通過調(diào)節(jié)輸送器11的空氣用量來控制解析塔8的料位，以使生產(chǎn)過程平穩(wěn)進(jìn)行。進(jìn)入分離器12的氣固混合物，由于密度差異，在重力和氣流的作用下，粗顆粒首先被分離，氣體被直接輸送出去，這樣產(chǎn)品即被順利分離并通過底部的輸送器13輸送出去。夾雜產(chǎn)品的粗顆粒被底部進(jìn)入的空氣再次分離，真正的粗顆粒沉于分離器底部，通過排渣口14排出。
上述工藝中，控制反應(yīng)物料的摩爾配比為親水型納米二氧化硅∶硅烷類表面處理劑＝(2.5～20)∶(1～2)、反應(yīng)流速為2～20mm/s、反應(yīng)溫度為200～500℃和反應(yīng)時(shí)間為5～50min；硅烷類表面處理劑可采用鹵硅烷、硅氮烷或硅氧烷類表面處理劑；表面處理爐可采用紅外或微波加熱方式來獲取表面處理反應(yīng)所需的高溫；解析塔的溫度控制在200～300℃，調(diào)節(jié)解析塔尾氣出口閥門使表面處理爐和解析塔的壓力低于10mmH2O，以除去夾雜的廢氣。
現(xiàn)按上述工藝列舉3個(gè)實(shí)施例，各種物料的配比及有關(guān)參數(shù)如表1所示，采用六甲基二硅氮烷(HMDS)和八甲基環(huán)四硅氧烷(D4)為處理劑分別對三種納米二氧化硅進(jìn)行表面處理，獲得了三種不同疏水率的疏水型二氧化硅。
表1

權(quán)利要求
1.一種通過連續(xù)表面處理制備疏水型納米二氧化硅的方法，其特征在于將親水型納米二氧化硅連續(xù)地輸進(jìn)表面處理爐與連續(xù)供應(yīng)的硅烷類表面處理劑在表面處理爐內(nèi)反應(yīng)，控制反應(yīng)物料的摩爾配比為親水型納米二氧化硅∶硅烷類表面處理劑＝(2.5～20)∶(1～2)、流速為2～20mm/s、溫度為200～500℃和時(shí)間為5～50min，制得疏水率為10～99.99％的疏水型納米二氧化硅，并通過解析塔除去夾雜的廢氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過連續(xù)表面處理制備疏水型納米二氧化硅的方法，其特征在于所述表面處理爐的上方設(shè)有一個(gè)霧化裝置，表面處理爐的下方設(shè)有一個(gè)載氣入口，載氣以切線方向進(jìn)入爐體，親水型納米二氧化硅從表面處理爐上端通過旋轉(zhuǎn)加料閥進(jìn)行計(jì)量加料，在爐體頂部的霧化裝置和下方切線方向進(jìn)入的載氣的作用下，親水型納米二氧化硅以氣相霧狀螺旋方式進(jìn)入高溫的爐體，并與從底部連續(xù)逆流向上噴射的硅烷類表面處理劑混合蒸汽進(jìn)行連續(xù)的表面化學(xué)反應(yīng)并實(shí)現(xiàn)氣固分離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的通過連續(xù)表面處理制備疏水型納米二氧化硅的方法，其特征在于所述載氣為惰性氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的通過連續(xù)表面處理制備疏水型納米二氧化硅的方法，其特征在于所述表面處理爐采用紅外或微波加熱方式來獲取表面處理反應(yīng)所需的高溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的通過連續(xù)表面處理制備疏水型納米二氧化硅的方法，其特征在于所述硅烷類表面處理劑為鹵硅烷、硅氮烷或硅氧烷類表面處理劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過連續(xù)表面處理制備疏水型納米二氧化硅的方法，其特征在于所述解析塔的溫度控制在200～300℃，調(diào)節(jié)解析塔尾氣出口閥門使表面處理爐和解析塔的壓力低于10mmH2O，以除去夾雜的廢氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過連續(xù)表面處理制備疏水型納米二氧化硅的方法，其特征在于所制得的疏水型納米二氧化硅利用“風(fēng)柜”分離器實(shí)現(xiàn)粗細(xì)粒子的分離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過連續(xù)表面處理制備疏水型納米二氧化硅的方法，該方法將親水型納米二氧化硅連續(xù)地輸進(jìn)表面處理爐與連續(xù)供應(yīng)的硅烷類表面處理劑在表面處理爐內(nèi)反應(yīng)，通過控制表面處理劑的種類、反應(yīng)物料配比、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間制得疏水率為10～99.99％的疏水型納米二氧化硅，以適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，提高納米二氧化硅的品質(zhì)。
文檔編號(hào)C09C1/28GK1687246SQ20051003377
公開日2005年10月26日 申請日期2005年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月28日
發(fā)明者王躍林, 劉莉, 龍成坤, 徐寧 申請人:廣州吉必時(shí)科技實(shí)業(yè)有限公司