本發(fā)明涉及納米材料制備，具體涉及疏水劑及采用其低溫制備疏水白炭黑的方法。

背景技術(shù)：

1、氣相白炭黑，作為一種高性能的無機(jī)材料，主要通過四氯化硅或甲基三氯硅烷在高溫氫氧焰環(huán)境下發(fā)生水解縮聚反應(yīng)制得。這一制備過程中，硅粒子表面及其內(nèi)部聚集體往往因縮聚反應(yīng)的不完全性，而保留有大量的硅羥基官能團(tuán)。相比之下，沉淀法白炭黑則是通過硅酸鈉與硫酸的化學(xué)反應(yīng)，再經(jīng)過一系列的物理處理步驟，如洗滌、沉淀和干燥等，最終制得。盡管兩者的制備路徑不同，但它們的表面均富含硅羥基，這一共性賦予了白炭黑親水而疏油的特性。

2、然而，正是這種親水疏油的性質(zhì)，在很大程度上限制了白炭黑在有機(jī)介質(zhì)中的浸潤與分散能力，從而制約了氣相白炭黑在諸多領(lǐng)域，如橡膠、塑料、涂料及油墨等行業(yè)的廣泛應(yīng)用。為了克服這一局限，當(dāng)前工業(yè)界主要采取硅油、硅氮烷或氯硅烷等方法對(duì)氣相白炭黑進(jìn)行表面處理。硅油處理雖能通過吸附作用覆蓋于白炭黑表面，但處理效果有限，仍有部分游離的聚硅氧烷未能有效結(jié)合；而采用小分子的硅氮烷、氯硅烷或環(huán)硅氧烷進(jìn)行處理時(shí)，雖能在一定程度上改善白炭黑的疏水性，但由于疏水劑分子量較小，所能接枝的有機(jī)分子數(shù)量有限，且通常需要較高的處理溫度，能耗較大。

3、鑒于白炭黑在各領(lǐng)域應(yīng)用需求的持續(xù)增長，開發(fā)一種氣相白炭黑表面處理技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)大分子量分子在白炭黑表面的有效接枝，從而顯著提升其疏水性，并優(yōu)化其在有機(jī)物聚合物中的分散與浸潤性能，已成為當(dāng)前亟待解決的技術(shù)難題。這一技術(shù)的突破，不僅有望拓寬白炭黑的應(yīng)用范圍，還將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品升級(jí)提供有力支撐。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種疏水劑，可以有效提升白炭黑的疏水性能。

2、本發(fā)明還提供采用其低溫制備疏水白炭黑的方法，采用同時(shí)具有良好反應(yīng)活性的硅氮鍵和富含親油的三甲基硅氧基的疏水劑與疏水白炭黑反應(yīng)，使親水白炭黑表面的羥基的處理較為徹底，能夠?qū)崿F(xiàn)接枝得到穩(wěn)定性好、分子量大的疏水性白炭黑。

3、本發(fā)明所述的疏水劑，由1,3-二乙烯基-1,1,3,3-四甲基二硅氮烷和1,1,1,3,5,5,5-七甲基三硅氧烷反應(yīng)制得，如式i所示：

4、

5、式i。

6、本發(fā)明所述的采用疏水劑低溫制備疏水白炭黑的方法，包括以下步驟：

7、（1）1,3-二乙烯基-1,1,3,3-四甲基二硅氮烷和1,1,1,3,5,5,5-七甲基三硅氧烷混合均勻，加入pt催化劑，得到反應(yīng)液，將反應(yīng)液通入微通道反應(yīng)器，加熱反應(yīng)，進(jìn)入反應(yīng)釜繼續(xù)保溫?cái)嚢璺磻?yīng)，反應(yīng)完后，脫除未反應(yīng)組分；

8、（2）蒸餾得到疏水劑，釜底物作為催化劑循環(huán)使用；

9、（3）在氮?dú)饣蚨栊詺怏w保護(hù)下，把白炭黑和疏水劑混合均勻，加熱至100~150℃攪拌處理，得到疏水白炭黑。

10、本發(fā)明的疏水劑的反應(yīng)機(jī)理如圖1所示，疏水劑處理白炭黑的反應(yīng)機(jī)理如圖2所示。

11、步驟（1）所述的1,3-二乙烯基-1,1,3,3-四甲基二硅氮烷和1,1,1,3,5,5,5-七甲基三硅氧烷的混合比例按照摩爾比（2.02~2.2）:1。

12、步驟（1）所述的pt催化劑包括karstedt催化劑、speier催化劑、氯鉑酸或步驟（2）中的釜底物，用量按照pt計(jì)為2~20ppm。

13、步驟（3）所述的白炭黑和疏水劑混合均勻的過程在氮?dú)饣蚨栊詺怏w保護(hù)下進(jìn)行。

14、所述的惰性氣體為氬氣或氦氣。

15、步驟（3）所述的疏水劑的用量為白炭黑質(zhì)量的3~15%。

16、步驟（3）所述的白炭黑為親水氣相白炭黑或親水沉淀法白炭黑，表面積為150~380m2/g。

17、步驟（1）所述的加熱反應(yīng)的反應(yīng)溫度，由微通道反應(yīng)器控制，控制溫度為100~150℃，反應(yīng)液在微通道中的反應(yīng)時(shí)間為2~10min，然后進(jìn)入反應(yīng)釜繼續(xù)保溫?cái)嚢璺磻?yīng)的時(shí)間為1~2h，微通道反應(yīng)器中的反應(yīng)熱用于給反應(yīng)釜加溫。

18、步驟（1）所述的微通道反應(yīng)設(shè)備的導(dǎo)熱油裝置和反應(yīng)釜的加熱導(dǎo)熱油管道連通，反應(yīng)熱用于保持反應(yīng)釜溫度，繼續(xù)反應(yīng)。

19、步驟（3）所述的攪拌處理的處理時(shí)間為2~6h。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果如下：

21、1）本發(fā)明的疏水劑制備過程中，所選用的原料均為市面上常見的原材料，且這些原料已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，因此獲取便利，成本較低。所運(yùn)用的催化劑不僅具備循環(huán)再利用的特點(diǎn)，且在整個(gè)反應(yīng)過程中表現(xiàn)出較高的安全性。經(jīng)過蒸餾處理，疏水劑中不含催化劑成分，從而不會(huì)對(duì)后續(xù)的應(yīng)用環(huán)節(jié)造成任何不利影響。

22、2）硅氫加成反應(yīng)具有較快的反應(yīng)速度，且反應(yīng)過程中會(huì)劇烈放熱。在單一反應(yīng)釜中進(jìn)行此類反應(yīng)存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，且得到的產(chǎn)品副產(chǎn)物多。通過微通道反應(yīng)器進(jìn)行該反應(yīng)，由于微通道反應(yīng)器中的存液量有限，其既能在較高溫度下有效引發(fā)反應(yīng)，又能對(duì)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。這樣，在微通道反應(yīng)器中，大部分的反應(yīng)都能得以完成，有效防止了反應(yīng)過程中熱量的集中釋放，從而避免了潛在的危險(xiǎn)。此外，微通道反應(yīng)器中硅氫加成反應(yīng)所釋放的熱量，可用于后續(xù)反應(yīng)釜的加熱，繼續(xù)推動(dòng)反應(yīng)的進(jìn)行，直至反應(yīng)完全。微通道反應(yīng)器和反應(yīng)釜的連用才能在提高反應(yīng)效率的同時(shí)，確保反應(yīng)的完全進(jìn)行，與傳統(tǒng)的滴加反應(yīng)相比，這種方法不僅顯著縮短了反應(yīng)時(shí)間，還具備綠色節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

23、3）本發(fā)明的疏水劑結(jié)構(gòu)具有良好反應(yīng)活性的硅氮鍵以及富含親油性的三甲基硅氧基。這些硅氮鍵能夠有效地與白炭黑表面進(jìn)行反應(yīng)接枝，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵合。同時(shí)，三甲基硅氧基的存在賦予了疏水劑優(yōu)異的疏水性。

24、4）本發(fā)明所制備的疏水白炭黑具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。由于疏水劑為小分子物質(zhì)，其滲透性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)白炭黑表面羥基的徹底處理。這種處理使得疏水白炭黑的表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表現(xiàn)為接枝了一定自由度的含有大量硅甲基的分子結(jié)構(gòu)，從而使其與各種有機(jī)聚合物具有優(yōu)異的相容性。

技術(shù)特征：

1.一種疏水劑，其特征在于，由1,3-二乙烯基-1,1,3,3-四甲基二硅氮烷和1,1,1,3,5,5,5-七甲基三硅氧烷反應(yīng)制得，如式i所示：

2.一種采用權(quán)利要求1所述的疏水劑低溫制備疏水白炭黑的方法，其特征在于，包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫制備疏水白炭黑的方法，其特征在于，步驟（1）所述的1,3-二乙烯基-1,1,3,3-四甲基二硅氮烷和1,1,1,3,5,5,5-七甲基三硅氧烷的混合比例按照摩爾比（2.02~2.2）:1。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫制備疏水白炭黑的方法，其特征在于，步驟（1）所述的pt催化劑包括karstedt催化劑、speier催化劑、氯鉑酸或步驟（2）中的釜底物，用量按照pt計(jì)為2~20ppm。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫制備疏水白炭黑的方法，其特征在于，步驟（3）所述的白炭黑和疏水劑混合均勻的過程在氮?dú)饣蚨栊詺怏w保護(hù)下進(jìn)行。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫制備疏水白炭黑的方法，其特征在于，步驟（3）所述的疏水劑的用量為白炭黑質(zhì)量的3~15%。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫制備疏水白炭黑的方法，其特征在于，步驟（3）所述的白炭黑為親水氣相白炭黑或親水沉淀法白炭黑，表面積為150~380m2/g。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫制備疏水白炭黑的方法，其特征在于，步驟（1）所述的加熱反應(yīng)的反應(yīng)溫度，由微通道反應(yīng)器控制，控制溫度為100~150℃，反應(yīng)液在微通道中的反應(yīng)時(shí)間為2~10min，然后進(jìn)入反應(yīng)釜繼續(xù)保溫?cái)嚢璺磻?yīng)的時(shí)間為1~2h，微通道反應(yīng)器中的反應(yīng)熱用于給反應(yīng)釜加溫。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低溫制備疏水白炭黑的方法，其特征在于，步驟（3）所述的攪拌處理的處理時(shí)間為2~6h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及疏水劑及采用其低溫制備疏水白炭黑的方法。包括以下步驟：1,3?二乙烯基?1,1,3,3?四甲基二硅氮烷和1,1,1,3,5,5,5?七甲基三硅氧烷混合，加入Pt催化劑，進(jìn)入微通道反應(yīng)器，加熱反應(yīng)，進(jìn)入反應(yīng)釜繼續(xù)攪拌反應(yīng)，微通道反應(yīng)器中的反應(yīng)熱用于給反應(yīng)釜加溫，脫除未反應(yīng)組分；蒸餾得到疏水劑，釜底物作為催化劑循環(huán)使用；在氮?dú)饣蚨栊詺怏w保護(hù)下，把白炭黑和疏水劑混合，加熱攪拌處理，得到疏水白炭黑。本發(fā)明的疏水劑含具有良好反應(yīng)活性的硅氮鍵以及富含親油性的三甲基硅氧基。這些硅氮鍵能夠有效地與白炭黑表面進(jìn)行反應(yīng)接枝，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵合。

技術(shù)研發(fā)人員：劉海龍,伊港,周磊,郝斌,劉雷,宋標(biāo),孫曉雷,王丹,毛正楠,高哲,樊肅,趙亞倫,肖楚紅,張蒼恒,國建強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東東岳有機(jī)硅材料股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6