沉淀二氧化硅表面改性工藝條件優(yōu)化

1、24無(wú)機(jī)鹽工業(yè)第41卷第1期INORGANICCHEMICALSINDUSTRY2009年1月沉淀二氧化硅表面改性工藝條件優(yōu)化崔益順(四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程系,四川自貢643000)*摘 要:以硅酸鈉和鹽酸為原料制備二氧化硅粉體,用表面活性劑對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表面改性處理。首先對(duì)改性劑進(jìn)行篩選,然后借助數(shù)學(xué)軟件SPSS13.0,用極差分析、方差分析和多元回歸分析3種方法,分別對(duì)正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,討論了改性溫度、改性時(shí)間、改性劑用量(改性劑占二氧化硅粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù))、異丙醇用量4個(gè)因素對(duì)產(chǎn)品活化指數(shù)的影響,并得出了完全一致的結(jié)果,即優(yōu)化工藝方案為:改性溫度85 ,改性時(shí)間120min,改性劑A-

2、151用量20%,異丙醇用量15mL;在此條件下改性后產(chǎn)品的活化指數(shù)為35%,表現(xiàn)出良好的疏水性。 關(guān)鍵詞:二氧化硅;硅酸鈉;鹽酸中圖分類(lèi)號(hào):TQ127.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-4990(2009)01-0024-02OptimizationforprocessconditionsofsurfacemodificationofpecipitatedsilicaCuiYishun(DepartmentofMaterialandChemicalEngineering,SichuanUniversityofSciences&Engineering,Zigong,643000,

3、China) Abstract:Silicapowderwaspreparedfromsodiumsilicateandhydrochloricacid,andthesurfaceofproductwasmodi fiedbysurfactant.Firstlythemodifierswereselectedbysifting.Then,threestatisticalmethods(rangeanalysis,variancea nalysis,andmultipleregressionanalysis)wereappliedindataanalysisoforthogonalexperim

4、entsbyusingmathematicalsoftwareSPSS13.0.Influencesoffourfactors,suchasmodifyingtime,temperaure,dosageofmodifier,anddosageofisopro panolonproductactivationindex,werediscussedandtheaccordantresultswereobtained,namely,theoptimalprocesscon ditionswerefollowedbymodificationtemperatureof85 ,modificationti

5、meof120min,dosageofmodifierA-151of20%anddosageofisopropanolof15mL.Moreover,undertheseconditions,theactivationindexofmodifiedproductwas35%,whichshowedfinehydrophobicproperty.Keywords:silica;sodiumsilicate;hydrochloricacid要使無(wú)機(jī)粉體在有機(jī)體系中充分發(fā)揮作用,必須讓無(wú)機(jī)粉體在有機(jī)介質(zhì)中充分分散。為了達(dá)到這個(gè)目的,往往需要對(duì)無(wú)機(jī)粉體進(jìn)行表面改性。粉體表面經(jīng)過(guò)改性后,其表面的親水性可

6、以轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?此時(shí),它的吸附、潤(rùn)濕、分散等一系列性質(zhì)都會(huì)發(fā)生顯著改變。在復(fù)合材料中,無(wú)機(jī)物和有機(jī)物的結(jié)合界面的微觀結(jié)構(gòu)獲得改善,從而使其結(jié)合力、結(jié)合強(qiáng)度及復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)和物理性能都得到顯著的增強(qiáng)1-21 實(shí)驗(yàn)部分1.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器硅酸鈉、乙烯基三乙氧基硅烷(A-151)、二甲基二氯硅烷(DMCS)、異丙醇、無(wú)水乙醇、正戊烷,均為分析純。DK-322電子恒溫水浴鍋、MP5002電子天平、4號(hào)玻璃砂芯漏斗及抽濾裝置、101型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、SHZ-D( )循環(huán)水式真空泵、JHS電子恒速攪拌機(jī)。1.2 實(shí)驗(yàn)方法1.2.1 沉淀二氧化硅粉體的制備稱(chēng)量一定量的硅酸鈉置于燒杯中,用去離子水配

7、成一定濃度的溶液,將其加入到10mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的乙醇溶液中;不斷攪拌,采用逐滴添加的。二氧化硅的表面改性方法主要有:硅烷偶聯(lián)劑改性法;鈦酸酯偶聯(lián)劑改性法;聚合物包覆3法等。筆者以硅酸鈉為原料,鹽酸作酸化劑,制備粒徑微細(xì)且分布均勻的二氧化硅粉體,然后采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)二氧化硅粉體進(jìn)行表面改性處理。*:(。2009年1月 崔益順:沉淀二氧化硅表面改性工藝條件優(yōu)化溶液中,反應(yīng)一段時(shí)間后得沉淀物;過(guò)濾、洗滌、干燥得到二氧化硅粉體,然后存于干燥器中備用。1.2.2 二氧化硅粉體的表面改性 稱(chēng)取一定量的自制二氧化硅粉體,加入三口燒瓶中,將三口燒瓶置于恒溫槽中,控制一定溫度,將一定量異丙醇和預(yù)先水解好

8、的改性劑,加入三口燒瓶中,開(kāi)動(dòng)攪拌,反應(yīng)一定時(shí)間后,過(guò)濾、洗滌、干燥,改性產(chǎn)品待檢測(cè)性能。123456789K1/3K2/3K3/3RA11122233320.5030.0024.1725影響越顯著。根據(jù)回歸分析,標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)越大,對(duì)應(yīng)的因素越重要。因此,得出各因素對(duì)指標(biāo)的影響主次順序?yàn)?C>A!B>B>A>D,這與上述極差分析結(jié)果一致。另外,可以看出因素A與因素B的交互作用對(duì)指標(biāo)的影響也較顯著。表2 正交實(shí)驗(yàn)和極差分析結(jié)果表因 素B12312312327.6718.1728.8310.66B3C12323131218.5023.6732.5020.33C3C,B,A

9、,DD12331223128.0022.3324.335.67D1指標(biāo)活化指數(shù)/%20.010.031.531.034.025.032.010.530.02 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2.1 改性劑篩選選用二甲基二氯硅烷(DMCS)和乙烯基三乙氧基硅烷(A-151)兩種改性劑,對(duì)制備的二氧化硅粉體進(jìn)行表面改性,通過(guò)改性后活化指數(shù)大小來(lái)確定較優(yōu)的改性劑。結(jié)果表明,用DMCS改性后的二氧化硅活化指數(shù)為28%,A-151改性后的二氧化硅活化指數(shù)為30%。因此,選用A-151作為改性劑。2.2 正交實(shí)驗(yàn)用A-151對(duì)制備的二氧化硅粉體進(jìn)行表面改性處理,考慮改性溫度、表面改性時(shí)間、改性劑用量、異丙醇用量4因素對(duì)產(chǎn)品

10、活化指數(shù)(AI)的影響。采用L9(3)正交表,各因素的水平見(jiàn)表1,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和極差分析結(jié)果見(jiàn)表2。借助數(shù)學(xué)軟件SPSS13.0,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表3;同時(shí)采用SPSS13.0強(qiáng)制進(jìn)入的方法,考慮所有因素及其可能的交互作用,得出活化指數(shù)(AI)與各因素(A,B,C,D)的多元非線性回歸方程為:AI=0.051A-0.113B+1.454C-0.105D+0.002A!B49.50較優(yōu)水平A2 因素主次表3 方差分析評(píng)價(jià)指標(biāo)*因 素A0.5150.744B0.3491.263C0.1822.298D0.8010.231AI 注:*P<0.2F值P<0.2指檢驗(yàn)結(jié)果的置信度大

11、于98%。表4 因素的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)因素標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)A0.167B0.399C0.856D0.129A!B0.474此回歸模型的擬合優(yōu)度R=0.943,F檢驗(yàn)的置信概率為0.987,各因素的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)見(jiàn)表4。表1 因素水平表因 素水平A改性溫度/758595BCD改性時(shí)間/改性劑用量/異丙醇用量/min%mL6090120101520153045根據(jù)極差分析得出,各因素較優(yōu)水平為A2B3C3D1,即改性溫度85 ,改性時(shí)間120min,改性劑用量20%,有機(jī)溶劑異丙醇用量15mL。因?yàn)槎趸璧谋砻娓男允菍⒂H水的SiOH基團(tuán)轉(zhuǎn)化為SiOR疏水基團(tuán),改性溫度過(guò)低,不能夠提供足夠的能量使反應(yīng)

12、進(jìn)行完全;改性溫度過(guò)高,可能引起改性劑的分解,影響改性效果,浪費(fèi)能源。改性時(shí)間的長(zhǎng)短與改性劑和二氧化硅粉體表面羥基形成氫鍵、共價(jià)鍵的化學(xué)過(guò)程有關(guān)。改性劑用量的多少與二氧化硅粉體的表面羥基密度相關(guān)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明,在此優(yōu)化條件下改性后的二氧化硅產(chǎn)品活化指數(shù)達(dá)35%。表現(xiàn)出良好的疏水性,(下轉(zhuǎn)第頁(yè))123注:改性劑用量為改性劑占待改性二氧化硅粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù);異丙醇用量為每6g二氧化硅粉體的異丙醇用量(下同)。根據(jù)方差分析的P值,可以知道各因素對(duì)指標(biāo),P28 無(wú)機(jī)鹽工業(yè) 第41卷第1期劑吸附效果更好的大孔吸附樹(shù)脂,增加樹(shù)脂對(duì)萃取劑的吸附量,從而提高溶劑浸漬樹(shù)脂對(duì)鹵水中硼的飽和吸附量。表2 3種溶劑浸漬

13、樹(shù)脂對(duì)硼的動(dòng)態(tài)飽和吸附量樹(shù)脂SIR-1SIR-2飽和吸附量/(mg#g-1)1.561.39樹(shù)脂SIR-3飽和吸附量/(mg#g-1)1.703 結(jié)論實(shí)驗(yàn)表明,使用AB-8,D4020和S-8這3種大孔吸附樹(shù)脂為載體,異辛醇為萃取劑所制備的溶劑浸漬樹(shù)脂可以用于從鹵水中提取硼酸,其中以S-8大孔吸附樹(shù)脂為載體制備的溶劑浸漬樹(shù)脂對(duì)硼的吸附量最大,而且穩(wěn)定性較好,制備簡(jiǎn)單,具有一定的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn):1 孔亞杰,李海民,韓麗娟.D403樹(shù)脂從鹽湖鹵水中提取硼酸的探索試驗(yàn)J.無(wú)機(jī)鹽工業(yè),2006,38(7):42-43.2 彭章義,鄭邦乾,張潔輝.溶劑浸漬樹(shù)脂的制備及孔結(jié)構(gòu)的研究J.高分子材料科學(xué)與

14、工程,1992,8(3):107-113.3 關(guān)岳,鄔行彥.溶劑浸漬樹(shù)脂的理論及應(yīng)用J.離子交換與吸附,1990,6(1):60-67.4 韓麗娟,孔亞杰,李海民.三種一元醇從鹵水中萃取硼酸的效果比較J.天然產(chǎn)物研究與開(kāi)發(fā),2006,18(B06):144-146.表3是SIR-3溶劑浸漬樹(shù)脂循環(huán)使用的飽和吸附量。從表3可以看出,SIR-3溶劑浸漬樹(shù)脂在循環(huán)使用過(guò)程中的飽和吸附量略有下降,但是下降幅度很小,推測(cè)這種溶劑浸漬樹(shù)脂還是比較穩(wěn)定的,可以較長(zhǎng)時(shí)間使用。如果直接使用異辛醇代替水作為洗脫劑,則在洗脫的過(guò)程中還能對(duì)浸漬樹(shù)脂的異辛醇進(jìn)行補(bǔ)充,保持溶劑浸漬樹(shù)脂的穩(wěn)定性。表3 SIR-3溶劑浸漬樹(shù)

15、脂循環(huán)使用的飽和吸附量次數(shù)123飽和吸附量/(mg#g-1)1.701.731.68次數(shù)45飽和吸附量/(mg#g-1)1.661.65收稿日期:2008-07-14作者簡(jiǎn)介:韓麗娟(1978 ),女,在讀博士,無(wú)機(jī)化學(xué)專(zhuān)業(yè),已在公開(kāi)刊物發(fā)表論文7篇。聯(lián)系方式:hanlij78(上接第25頁(yè))提高了其應(yīng)用性能。參考文獻(xiàn):1 FriedlanderSK.Polymerlikebehaviorofinorganicnano-particlechainaggregatesJ.JournalofNano-particleResearch,1999,1(1):9-15.2 MichelleM,Tania

16、M,GuidoB.Afouriertransforminfrared(FT-IR)studyofthereactionoftriethoxysilane(TES)andbis3trie thoxysilylpro-pyl-tetrasulfane(TESPT)withthesurfaceofamorphoussailicaJ.3563-3572.3 毋偉,陳建峰,屈一新.硅烷偶聯(lián)劑的種類(lèi)與結(jié)構(gòu)對(duì)二氧化硅表面聚合物接枝改性的影響J.硅酸鹽學(xué)報(bào),2004,32(5):570-575.J.Phys.Chem.B,2004,108(11):3 結(jié)論1)以硅酸鈉為原料,鹽酸作酸化劑,沉淀過(guò)程在有機(jī)溶劑乙醇的環(huán)境中進(jìn)行,以降低二次粒子聚集,得到了粒徑微細(xì)且分布均勻的二氧化硅粉體。2)對(duì)乙烯基三乙氧基硅烷和二甲基二氯硅烷兩種改性劑進(jìn)行篩選,用乙烯基三乙氧基硅烷