[发明专利]功能化硅胶材料及其生产工艺与使用

说明书

本发明涉及含有环状多官能团的改性硅胶材料，这些环状官能团增强了材料与目标物的结合作用。同时，拥有不同结构的官能团组，进一步增强了该材料与来自工艺流、产品流和废液流中目标物结合的能力。这种具有多类作用机制的材料可实现非常高要求的纯化和目标物的去除。该化合物可用于产品纯化，以及从产品流、工艺流和废液流中去除不需要的有机和无机物杂质。

本发明涉及含有新型环状多官能团的改性硅胶及其制备工艺与使用，如用于从产品流、工艺流和废液中去除有机和无机化合物，或用作离子交换剂、金属色谱材料、固相纯化或萃取材料、生物分子的固定材料、抗微生物剂、催化剂和催化剂载体、亲水性改性剂、阻燃剂、抗静电剂、生物医学设备的涂层、控释材料、防水膜和涂层、固相合成材料及色谱材料。本发明还涉及其生产工艺。

许多不同行业和市场应用的技术发展驱动着对更高纯度的化学成分的需求，而这也正是此类技术的基石。例如：制药和生物技术行业中有机和无机杂质必须去除到更低的水平；电子工业中常见的残留金属如钠、钙、镁和铁等在产品中的含量必须低于1ppm。此外固体，涂料和薄膜正在使用和开发，其中包含的官能团可为大量应用提供额外的或改进的性能，从实现更低析漏损失的控释药物和控释农用化学品，到捕获空气中有毒气体的特种材料。

由于环境保护的社会压力和立法压力越来越大，对清洁工艺、避免或减少废弃物的产生，尤其是环境中有毒金属和化合物要达到监管要求的更低残留量等需求不断提高。例如，监管要求镍的排放标准为0.1ppm，但目前缺乏有效的技术来达到这一限定值。

钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥等稀土金属在各行业众多应用中的使用不断增加，也强调了能够从产品流、工艺流和废液中有效回收再利用该类金属的新技术及更好技术的需求日益增长。

高价值的有机化合物或聚合物通常通过多步流程生产，且常含有副产物、异构体和杂质。在大多数情况下，所需产品必须纯化才能符合性能及法规要求。这些要求值可能非常低，如钠含量应小于1ppm。因此，越来越需要更有效的纯化技术，以去除特定范围内与目标产物一起存在的副产物、异构体和杂质。现有技术，如结晶，可能导致产品的显著损失，并且在许多情况下无法获得期望的纯度。

功能化材料正在被开发，且是达到这些日益苛刻要求的方法之一。功能化材料可以净化产品，从混合物中选择性地去除所需成分，或从产品流、工艺流和废液中去除有毒和/或高价值的金属或化合物。使用功能化材料的方法包括使流体通过功能化材料，所需成分即被选择性地去除，碳就是这样的材料。由于其工艺条件，碳的表面含有许多含氧有机基团。尽管碳价格便宜，但有一些缺点，包括产品损失率高，以及在最终产品中去除不需要的化合物或金属从而实现低残留水平的性能差。这是非特异性结合性质和表面官能团效力差的结果。总之，使用碳无法获得所需性能和达到监管目标。

功能化有机聚合物是可用于产品纯化的功能化材料实例。有机聚合物骨架如聚苯乙烯和聚烯烃，这些骨架上只能结合极少数、简单的单一官能团，如磺酸或胺基，主要通过离子交换机理起作用，这些官能团对相关金属的亲和力很低。因此，使用现有的有机骨架材料无法实现所需的高水准性能。这些有机树脂有几个关键的限制，其一是不能将该应用所需的官能团结合到有机聚合物骨架上，这是由于可以在这些聚合物上进行的化学反应有限。因此，未来能够将众多不同的、多官能团结合在这些有机聚合物骨架上以获得预期性能水平的希望非常小。进一步的限制包括化学和热稳定性差，而且会在有机溶剂中膨胀和收缩。总体而言，基于这些有机骨架开发所需技术存在严重的局限性。

无机聚合物体系，如二氧化硅、氧化铝和氧化钛也已被披露为功能化材料。无机聚合物骨架相比有机聚合物骨架具备几个优点，即更好的物理、化学和热稳定性，且因其具有规整的孔隙结构表面更易接近官能团，因其具有良好的孔隙结构、且不膨胀而更易操作。然而，只有少数几个简单的官能团可以通过非常有限的化学过程附着到这些骨架上。与有机聚合物相比，这些无机聚合物材料的另一个限制是官能团负载量较低。