способ получения гидрофобного дисперсного материала

Формула изобретения

1. Способ получения гидрофобного дисперсного материала на основе диоксида кремния, включающий химическую модификацию поверхности исходного материала элементоорганическим соединением общей формулы Cl_4-nSiR_n, где n = 1-3, R = метил-, этил-, Сl-метил-, фенил, отличающийся тем, что процесс модификации поверхности осуществляют путем воздействия высоковольтного импульсного электрического разряда в газовой среде.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что модификацию дисперсного материала элементоорганическим соединением проводят при массовом соотношении (1-5):1 и комнатной температуре.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что модификацию дисперсного материала элементоорганическим соединением проводят при напряжении 5-25 кВ и при импульсном воздействии в течение 5-100 мкс.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области физической химии, а конкретно к способам химической модификации поверхностей высокодисперсных материалов, с целью получения гидрофобных дисперсных материалов и может быть применено в химической отрасли промышленности для модифицирования поверхности веществ, используемых в качестве компонентов гидрофобизаторов, а также в нефтяной и газовой отраслях промышленности. В последнем случае применение гидрофобных материалов в скважинах изменяет фильтрационные характеристики нефтяных пластов.

Известны различные способы получения гидрофобного дисперсного материла путем химической модификации, включающие обработку поверхности исходного материала (аэросил, перлит, графит, тальк, асбест, цемент, слюда или оксиды металлов) гидроксидом или карбонатом калия (натрия, аммония) с последующей обработкой кремнийорганическими соединениями (патент США 4209432, кл. С 08 L 83/04, опубл. 1980; патент Великобритании 1496553, кл. С 01 В 33/12, опубл. 1977) или паром кремнийорганического соединения на медных и латунных решетках (патент РФ 2066297, кл. С 01 В 33/18, опубл.1993).

Принципиальным недостатком этих способов является: во-первых, отсутствие на поверхности модифицированных диспергированных порошков химически привитых полисилоксановых цепей (что значительно снижает прочность сцепления привитого слоя кремнийорганического соединения с поверхностью кремнезема) и, во-вторых, экологические проблемы, связанные с удалением образующегося хлористого водорода из реакционной массы.

Наиболее близким к заявленному способу (прототип) является способ получения гидрофобного дисперсного материала, включающий активацию поверхности исходного материала (диоксид кремния или оксид металла) карбонатами щелочных металлов и химическую модификацию поверхности элементоорганическим соединением общей формулы Cl_4-nSiR_n, где n=1-3, R=Н, метил-, этил-, Cl-метил-, фенил-, с последующей химической обработкой соединением, выбранным из тетраметоксисилана или тетраэтоксисилана, или олигомера полиметил(этил)силоксана, или полиметилсилазана (патент РФ 2089499, кл. МПК⁶ С 01 В 33/18, С 09 С 1/28, 3/12. Опубл. 10.09.97).

Недостатками указанного способа являются:

а) необходимость предварительной активации поверхности исходного материала;

б) длительность процесса химической модификации, требующего постоянного поддержания температуры реакции (50-170^oС), непрерывного перемешивания;

в) необходимость дополнительной химической обработки;

г) потребность в дополнительных химических соединениях для проведения реакции.

Задачей настоящего изобретения является упрощение и интенсификация процесса со снижением энергозатрат при гидрофобности получаемого продукта на уровне 98-99%.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения гидрофобного дисперсного материла на основе диоксида кремния, включающем химическую модификацию поверхности исходного материла элементоорганическим соединением общей формулы Cl_4-nSiR_n, где n=1-3, R=метил-, этил-, Cl-метил-, фенил-, согласно предложенному техническому решению процесс модификации осуществляют путем воздействия высоковольтного импульсного электрического разряда в газовой среде.

Кроме того, модификацию дисперсного материала элементоорганическим соединением проводят при массовом соотношении (1-5):1 и комнатной температуре.

Модификацию дисперсного материала элементоорганическим соединением проводят при напряжении 5-25 кВ и при импульсном воздействии в течение 5-100 мск.

Способ получения гидрофобного дисперсного материала осуществляется следующим образом. Химическую модификацию поверхности исходного материала кремнийорганическим соединением осуществляют под воздействием импульсного электрического разряда в газовой среде. В качестве кремнийорганического соединения используют соединение общей формулы Cl_4-nSiR_n, где n=1-3, R=метил-, этил-, Cl-метил-, фенил-. Массовое соотношение минерального наполнителя (природные и/или синтезируемые разновидности диоксида кремния) и алкилхлорсилана составляет (1-5):1. Содержание используемого кремнийорганического соединения зависит от структурных характеристик модифицируемых кремнеземов (размер частиц, величены поверхностей, диаметра и объема пор). Исходный материал подвергают сушке до содержания влаги не более 1 мас.%. Модификацию поверхности проводят при комнатной температуре в рабочей камере установки электрогидравлического удара при рабочем напряжении возбуждения импульсного электрического разряда 5-25 кВ и при импульсном воздействии в течение 5-100 мкс, а образующиеся в процессе газообразные продукты реакции удаляют продувкой сухим воздухом. По предлагаемому способу модификация используемых соединений протекает во всем объеме рабочей камеры с выходом конечного продукта на уровне 99 мас.%.

Параметры импульсного электрического разряда определяются типом исходного материала и его структурными характеристиками, а также составом элементоорганического соединения.

Пример 1. Пример конкретного выполнения данного способа. 60 мас.% предварительно нагретой при Т= 120^oС кремнистой пыли (диоксид кремния) с влажностью на уровне 0,5 мас.% пропитывают 40 мас.% диметилдихлорсилана и загружают в рабочую камеру, заполненную сухим воздухом. После герметизации камеры смесь подвергают воздействию высоковольтного импульсного электрического разряда - 3 импульсами при напряжении 15 кВ. Реакция проистекает в течение 5-15 мкс и в реакции участвует до 98% исходного материала. Выделяющийся НС1 отдувают сухим воздухом и пропускают через нейтрализатор. После проведения процесса камера разгерметизируется и ее внутренняя поверхность заполняется водой. Всплывший гидрофобный продукт отделяют от воды и сушат на воздухе при комнатной температуре.

Пример 2. Опоку (диоксид кремния) в количестве 55 мас.%, предварительно измельченную и нагретую при Т=120^oС с влажностью на уровне 0,5 мас.%, пропитывают 45 мас.% метилтрихлорсилана и загружают в рабочую камеру, заполненную сухим воздухом. После герметизации камеры смесь подвергают воздействию высоковольтного импульсного электрического разряда - 4 импульсами при напряжении 20 кВ. Реакция проистекает в течение 5-20 мкс и в реакции участвует до 98% исходного материала. Выделяющийся НС1 отдувают сухим воздухом и пропускают через нейтрализатор. После проведения процесса камера разгерметизируется и ее внутренняя поверхность заполняется водой. Всплывший гидрофобный продукт отделяют от воды и сушат на воздухе при комнатной температуре.

Пример 3. Белую сажу (диоксид кремния) в количестве 70 мас.%, предварительно измельченную и нагретую при Т=120^oС с влажностью на уровне 0,5 мас. %, пропитывают 30 мас.% диэтилдихлорсилана и загружают в рабочую камеру, заполненную сухим воздухом. После герметизации камеры смесь подвергают воздействию высоковольтного импульсного электрического разряда - 4 импульсами при напряжении 15 кВ. Реакция проистекает в течение 5-20 мкс и в реакции участвует до 98% исходного материала. Выделяющийся НС1 отдувают сухим воздухом и пропускают через нейтрализатор. После проведения процесса камера разгерметизируется и ее внутренняя поверхность заполняется водой. Всплывший гидрофобный продукт отделяют от воды и сушат на воздухе при комнатной температуре.

В зависимости от соотношения и состава исходных компонентов, а также условий проведения реакции было проведено 35 опытов. Данные по влиянию напряжения импульсного электрического разряда на протекание реакции приведены в табл.1. При увеличении напряжения импульсного электрического разряда выше 25 кВ происходит выделение углерода и соответственно снижение свойств исходного продукта. При снижении напряжения ниже 5 кВ реакция протекает не во всем объеме модифицируемого материала.

В табл. 2 приведены данные по влиянию продолжительности воздействия на протекание реакции. При продолжительности воздействия свыше 100 мкс происходит выделение углерода и соответственно снижение свойств исходного продукта. При снижении времени реакции ниже 5 мкс. реакция протекает не во всем объеме модифицируемого материала.

Табл. 3 показывает влияние состава и соотношения исходных компонентов на гидрофобность конечного продукта. Из таблицы следует, что в результате модификации диоксида кремния по разработанному способу при соблюдении условий проведения реакции типа применяемых модификаторов и соотношения исходных компонентов получается продукт со степенью гидрофобности не менее 98-99%.

Исследования состава, строения и термической устойчивости образующихся модифицированных продуктов проводили по методике, описанной в прототипе (методами термического, элементного анализов и ИК-спектроскопии). Так, например, на поверхности аэросила средняя концентрация модифицируемых групп составляет 4,0 мкмоль/м² или 2.4 групп/нм², что соответствует значению площади поверхности A_m= 0,5 нм². В качестве модификаторов использованы кремнийорганические соединения - триметилхлорсилан, диметилдихлорсилан, метилтрихлорсилан, диметилхлорсилан, диэтилдихлорсилан, фенилтрихлорсилан, метилвинилдихлорсилан (см. табл.3).

Данные термического анализа свидетельствуют о том, что получаемые соединения вне зависимости от их состава устойчивы до температуры 320^oС. В ИК-спектрах конечных продуктов реакции отмечалось снижение интенсивности полос поглощения ОН-групп ( = 3750-3770 cм^-1), появление полос поглощения группы СН₃( = 2910 и 2970 cм^-1).ы