二甲基硅油新型合成工藝研究

楊雷波，姚鳳嬌，康玉霞

（山西興新安全生產技術服務有限公司，山西 太原 030024）

引言

二甲基硅油作為一種性能優越的化工產品，目前被廣泛應用于機械、醫學、電氣等行業，而且對二甲基硅油的需求量越來越大。傳統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，為避免其對環境污染需對反應后的廢液進行中和、水洗以及過濾等處理才能夠排放[1]。總體而言，以硫酸為催化劑制備二甲基硅油存在成本高、污染嚴重等問題。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。涉及到的設備包括有馬弗爐、真空泵和攪拌器[2]。基于上述原料和設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 的蒸餾水中充分攪拌，對充分攪拌后的溶液靜置處理，并將上層的清液去除。

2）采用分液漏斗將預配好的稀氨水加入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。判斷標準：當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）中得到的產物浸泡于硫酸溶液中，充分攪拌30 min 后進行過濾處理。將過濾所得的產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四硅氧烷，在固體超強酸催化的作用下進行開環聚合反應。在反應期間可通過控制六甲基二硅氧烷的用量，對上述開環聚合反應的聚合度進行控制，此過程為平衡化反應[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，要求原料的質量分數≥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，按照設定的攪拌速度對混合物在一定溫度下充分攪拌并開始反應[4]。將上述充分攪拌反應的產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品。鑒于六甲基二硅氧烷的價格比八甲基環四硅氧烷高得多，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，獲取最佳的產品性能，即驗證原料比對產品性能的影響。

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溫度、反應時間和催化劑的用量三個參數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四硅氧烷用量比對產品性能的影響。

重點對催化劑用量、反應溫度和反應時間三項參數對二甲基硅油合成反應的影響展開研究。其中，催化劑的用量（質量分數，下同）為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%，反應溫度為70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃、130 ℃、140 ℃和150 ℃，反應時間為1 h、2 h、3 h、4 h 和5 h。對不同工藝參數下對應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

設定反應溫度為90 ℃，反應時間為4 h，原料比為40∶1，不同催化劑用量對應二甲基硅油的黏度如表2 所示。

表2 不同催化劑用量對應二甲基硅油的黏度

如表2 所示，當催化劑用量小于2%時，隨著用量的增加對應二甲基硅油產品的黏度增加。但是，當催化劑用量大于2%時，二甲基硅油的粘度幾乎處于恒定狀態。考慮到催化劑用量對應成本也增加，確定催化劑的用量為2%[5]。

同理得出，最佳反應溫度為120 ℃，最佳反應時間為3 h。在上述三個參數的最佳值下，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

在上述工藝參數確定的基礎上，探討不同原料比對所合成產品二甲基硅油粘度的影響。將不同原料比所得的實驗數據進行處理，得到原料與二甲基硅油粘度之間的關系式：

式中：X 為八甲基環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 結語

二甲基硅油為化工生產中常見的產品，傳統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參數進行研究，并總結如下：

1）最佳工藝參數：催化劑的用量為2%，最佳反應溫度為120 ℃，最佳反應時間為3 h。在上述三個參數的最佳值下，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系為Y=57.48-0.378 2X+0.059 35X2。