[发明专利]一种基于均相反应系统的二氧化硅表面改性方法

说明书

本发明提供了一种基于均相反应系统的二氧化硅表面改性方法。所述方法采用均相反应系统使得二氧化硅与表面改性处理剂充分反应生成表面改性均匀的二氧化硅。与现有方法相比，本发明操作安全、反应时间短、表面改性处理剂用量少，且所得二氧化硅改性均匀。同时，本发明方法工艺简单、易放大，具有较高的实际生产价值。

技术领域

本发明属于多晶硅生产技术领域，具体涉及到一种二氧化硅的表面改性方法。

背景技术

二氧化硅（SiO₂）是一种常用的环境友好型无机纳米材料，具有比表面积大，优良的化学稳定性和热稳定性等优点，广泛应用于稳定剂、涂料、硅橡胶、复合材料等领域。但是由于二氧化硅表面存在大量硅羟基，使其极亲水（极疏油），因此在有机相中易团聚，难以均匀分散，导致二氧化硅的应用性能受到了影响。解决这一问题，可通过对二氧化硅进行表面改性实现，即：使二氧化硅表面的硅羟基嫁接上有机基团，降低表面硅羟基含量，增加其疏水性，达到能在有机相中均匀分散的目的。

目前常采用的二氧化硅表面改性方法是，将二氧化硅、表面改性处理剂和反应溶剂在三口烧瓶中混合，通过油浴或水浴加热，并采用磁子搅拌回流，在氮气氛围下完成二氧化硅的表面改性。该方法存在以下几个问题：（1）二氧化硅和表面改性处理剂在反应溶剂中分散不均匀导致二氧化硅容易团聚、表面改性处理剂之间相互缩合，不仅使二氧化硅表面改性不均匀、表面改性处理剂用量增大，还使实验可控性低、重复性差，放大困难；（2）二氧化硅易吸附在反应器内壁导致改性二氧化硅的产率降低、表面改性不均匀；（3）反应速率慢，反应时间长（6小时以上）。以上现有技术的种种不足，导致二氧化硅表面改性效果差、产量低等，难以满足实际应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足给出了解决方案，提供了一种基于均相反应系统的二氧化硅表面改性方法。其具体操作步骤为：

（1）称取粒径20~1500 nm的二氧化硅于均相反应釜并加入溶剂超声波震荡，使二氧化硅均匀分散于所述溶剂中，配制成质量浓度为0.01~0.5 g/ml的二氧化硅悬浮液，其中，所述溶剂为甲苯、甲醇、丙酮、无水乙醇中的一种或几种混合；

（2）在步骤（1）中所述二氧化硅悬浮液中加入表面改性处理剂，获得分散有二氧化硅和表面改性处理剂的反应悬浮液，其中，所述二氧化硅与表面改性处理剂的摩尔比为0.1~400：1，所述表面改性处理剂为硅烷偶联剂或有机氯硅烷；

（3）将步骤（2）中装有所述反应悬浮液的均相反应釜放于均相反应器中，设置均相反应器的反应温度为50~300 ℃、反应压力0.1~2 MPa、旋转速率10~70 r/min条件下反应30~1440 min使得二氧化硅表面的硅羟基与表面改性处理剂的有机基团充分反应；

（4）反应结束后关闭均相反应器取出均相反应釜，待冷却至室温后打开均相反应釜将釜中混合物，经离心、洗涤、干燥后即得改性二氧化硅。

优选的是，步骤（1）中所述均相反应釜材质为聚四氟乙烯、对位聚苯酚中的一种或几种。

优选的是，步骤（1）中所述二氧化硅含量为99.8 wt%。

优选的是，步骤（2）中所述硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、正辛基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷中的一种或几种混合；所述有机氯硅烷为一甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、三甲基一氯硅烷中的一种或几种混合。

优选的是，步骤（2）中所述反应溶剂在均相反应釜中的填充度为10~80 %。

二氧化硅经改性后，其部分表面硅羟基被有机基团取代，疏水性增强，通过观测改性二氧化硅在水相中的分散程度判断改性效果，改性二氧化硅越难分散在水相中说明疏水化程度越好；对改性二氧化硅进行热重分析，得到改性二氧化硅热重分析图，并计算接枝率（即接枝上的有机基团质量占改性二氧化硅质量的百分数）对改性二氧化硅的疏水化程度进行定量表征。