二甲基硅油新型合成工艺研究

杨雷波，姚凤娇，康玉霞

（山西兴新安全生产技术服务有限公司，山西 太原 030024）

引言

二甲基硅油作为一种性能优越的化工产品，目前被广泛应用于机械、医学、电气等行业，而且对二甲基硅油的需求量越来越大。传统制备二甲基硅油的工艺中以硫酸作为催化剂，而且硫酸的用量非常大。鉴于硫酸属于强酸性、强腐蚀性液体，为避免其对环境污染需对反应后的废液进行中和、水洗以及过滤等处理才能够排放[1]。总体而言，以硫酸为催化剂制备二甲基硅油存在成本高、污染严重等问题。本文将研究以固体超强酸代替硫酸为催化剂制备二甲基硅油的新型合成工艺。

1 固体超强酸催化剂的制备

制备固体超强酸催化剂涉及到的原料包括有四氯化钛、硫酸、浓氨水、硝酸银和自制的蒸馏水作为实验水。涉及到的设备包括有马弗炉、真空泵和搅拌器[2]。基于上述原料和设备制备固体超强酸催化剂的工艺流程如下：

1）将100 g 的四氯化钛原料置于900 mL 的蒸馏水中充分搅拌，对充分搅拌后的溶液静置处理，并将上层的清液去除。

2）采用分液漏斗将预配好的稀氨水加入1）中的四氯化钛溶液，得到氢氧化钛的浑浊物。

3）将2）所得的氢氧化钛的浑浊物静置24 h 后，并用水冲洗浑浊物，去除浑浊物中的氯离子。判断标准：当溶液不浑浊后即认为浑浊物中无氯离子。

4）将上述去除氯离子的溶液所得的滤饼置于电阻炉中，要求电阻炉内的温度不得低于100 ℃，并干燥处理24 h，得到二氧化钛。

5）将4）中干燥处理后的二氧化钛进行粉碎处理，要求粉碎后的颗粒大于100 目以上。

6）将5）中得到的产物浸泡于硫酸溶液中，充分搅拌30 min 后进行过滤处理。将过滤所得的产物置于马弗炉中进行焙烧，最终得到固体超强酸催化剂。

2 基于固体超强酸催化剂制备二甲基硅油的实验原理与方法

2.1 基于固体超强酸催化剂制备二甲基硅油的实验原理

基于固体超强酸催化剂制备二甲基硅油所采用的原料为八甲基环四硅氧烷，在固体超强酸催化的作用下进行开环聚合反应。在反应期间可通过控制六甲基二硅氧烷的用量，对上述开环聚合反应的聚合度进行控制，此过程为平衡化反应[3]。

2.2 基于固体超强酸催化剂制备二甲基硅油的实验方法

基于上述原理分析，基于固体超强酸催化剂制备二甲基硅油涉及到的原料包括有八甲基环四硅氧烷和六甲基二硅氧烷，为保证二甲基硅油的制备效果，要求原料的质量分数≥99%。催化剂采用制备所得的固体超强酸催化剂。

涉及到实验装置如表1 所示。

表1 实验装置

制备流程如下：将一定量的八甲基环四硅氧烷、六甲基二硅氧烷和固体超强酸催化剂加入三口烧瓶中，按照设定的搅拌速度对混合物在一定温度下充分搅拌并开始反应[4]。将上述充分搅拌反应的产物进行过滤处理并得到固体催化剂和滤液，对上述所得的滤液进行真空蒸馏处理后得到二甲基硅油产品。鉴于六甲基二硅氧烷的价格比八甲基环四硅氧烷高得多，本文研究的重点除了掌握最佳制备二甲基硅油的工艺参数外，还需遵循以消耗最小量的六甲基二硅氧烷，获取最佳的产品性能，即验证原料比对产品性能的影响。

3 二甲基硅油合成工艺研究

本文将采用单因素分析法的方式重点对反应温度、反应时间和催化剂的用量三个参数对二甲基硅油的合成效果进行研究。此外，对不同六甲基二硅氧烷和八甲基环四硅氧烷用量比对产品性能的影响。

重点对催化剂用量、反应温度和反应时间三项参数对二甲基硅油合成反应的影响展开研究。其中，催化剂的用量（质量分数，下同）为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%，反应温度为70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃、130 ℃、140 ℃和150 ℃，反应时间为1 h、2 h、3 h、4 h 和5 h。对不同工艺参数下对应二甲基硅油的粘度进行对比。

3.1 催化剂用量对二甲基硅油的粘度影响

设定反应温度为90 ℃，反应时间为4 h，原料比为40∶1，不同催化剂用量对应二甲基硅油的黏度如表2 所示。

表2 不同催化剂用量对应二甲基硅油的黏度

如表2 所示，当催化剂用量小于2%时，随着用量的增加对应二甲基硅油产品的黏度增加。但是，当催化剂用量大于2%时，二甲基硅油的粘度几乎处于恒定状态。考虑到催化剂用量对应成本也增加，确定催化剂的用量为2%[5]。

同理得出，最佳反应温度为120 ℃，最佳反应时间为3 h。在上述三个参数的最佳值下，所合成二甲基硅油的平均黏度为242 mPa/s，闪电温度大于290 ℃，合成效率高达90%。

3.2 原料比对二甲基硅油黏度的影响

在上述工艺参数确定的基础上，探讨不同原料比对所合成产品二甲基硅油粘度的影响。将不同原料比所得的实验数据进行处理，得到原料与二甲基硅油粘度之间的关系式：

式中：X 为八甲基环四硅氧烷和六甲基二硅氧烷的比值，即为原料比；Y 为合成所得的二甲基硅油的黏度。

4 结语

二甲基硅油为化工生产中常见的产品，传统采用以硫酸为催化剂进行合成，此种工艺存在成本高、效率低以及对环境污染的问题。为此，本文以四氯化钛、硫酸、浓氨水、硝酸银和自制的蒸馏水为原料，制备固体超强酸催化剂用于二甲基硅油的制备。对采用八甲基环四硅氧烷和六甲基二硅氧烷为原料、固体超强酸为催化剂，合成二甲基硅油的工艺最优参数进行研究，并总结如下：

1）最佳工艺参数：催化剂的用量为2%，最佳反应温度为120 ℃，最佳反应时间为3 h。在上述三个参数的最佳值下，所合成二甲基硅油的平均粘度为242 mPa/s，闪电温度大于290 ℃，合成效率高达90%。

2）原料与二甲基硅油粘度之间的关系为Y=57.48-0.378 2X+0.059 35X2。