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(jī)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(qiáng)酸性、強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)酸催化劑的制備

制備固體超強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(rèn)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(jìn)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(jìn)行過濾處理。將過濾所得的產(chǎn)物置于馬弗爐中進(jìn)行焙燒，最終得到固體超強(qiáng)酸催化劑。

2 基于固體超強(qiáng)酸催化劑制備二甲基硅油的實(shí)驗(yàn)原理與方法

2.1 基于固體超強(qiáng)酸催化劑制備二甲基硅油的實(shí)驗(yàn)原理

基于固體超強(qiáng)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(qiáng)酸催化的作用下進(jìn)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(jìn)行控制，此過程為平衡化反應(yīng)[3]。

2.2 基于固體超強(qiáng)酸催化劑制備二甲基硅油的實(shí)驗(yàn)方法

基于上述原理分析，基于固體超強(qiáng)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(qiáng)酸催化劑。

涉及到實(shí)驗(yàn)裝置如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jià)格比八甲基環(huán)四硅氧烷高得多，本文研究的重點(diǎn)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(yàn)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(diǎn)對反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)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(jìn)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(diǎn)對催化劑用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間三項(xiàng)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(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(dá)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)酸為催化劑，合成二甲基硅油的工藝最優(yōu)參數(shù)進(jìn)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(shí)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(dá)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。