Способ получения органокремнеземов

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для эффективного получения кремнеземов, модифицированных органическими и кремнийорганическими соединениями (органокремнеземов). Описывается способ получения органокремнеземов, включающий синтез диоксида кремния из тетрахлорида кремния, охлаждение продуктов синтеза, осаждение диоксида кремния из продуктов синтеза, доочистку диоксида кремния инертным газом от газообразных продуктов синтеза, модифицирование диоксида кремния органическими или кремнийорганическими соединениями путем обработки его смесью паров указанных соединений с инертным газом, полученный органокремнезем осаждают из продуктов модифицирования, проводят его доочистку инертным газом от газообразных продуктов модифицирования, отличающийся тем, что синтез диоксида кремния производят путем окисления тетрахлорида кремния в газовой плазме кислородом при температуре 1000÷2100°С и при соотношении молярных расходов тетрахлорида кремния и кислорода от 1,0 до 3,0. Техническим результатом является повышение эффективности и упрощение процесса получения органокремнезема. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для эффективного получения кремнеземов, модифицированных органическими и кремнийорганическими соединениями (органокремнеземов).

Из уровня техники известен способ получения органокремнеземов, включающий синтез диоксида кремния из его тетрахлорида, охлаждение продуктов синтеза, осаждение диоксида кремния из продуктов синтеза, доочистку диоксида кремния инертным газом от газообразных продуктов синтеза, модифицирование диоксида кремния органическими или кремнийорганическими соединениями путем обработки его смесью паров этих соединений с инертным газом, при этом полученный органокремнезем осаждают из продуктов модифицирования, производят его доочистку инертным газом от газообразных продуктов модифицирования (US 4503092, С07F 7/02, 1985). В данном способе синтез диоксида кремния осуществляют путем высокотемпературного гидролиза тетрахлорида кремния, при этом продукты гидролиза содержат диоксид кремния (SiO₂), хлорид водорода (HCl) и пары воды (Н₂О), а поверхность частиц диоксида кремния содержит функциональные ОН-группы и покрыта молекулами физически сорбированной воды, что не способствует получению высококачественных органонокремнеземов. Кроме того, к недостатку известного способа можно отнести сложность и длительность процесса модифицирования поверхности диоксида кремния, который осуществляют в реакторе кипящего слоя, и громоздкость соответствующего оборудования.

Изобретение направлено на повышение эффективности и упрощение процесса получения органокремнеземов.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе получения органокремнеземов, включающем синтез диоксида кремния из тетрахлорида кремния, охлаждение продуктов синтеза, осаждение диоксида кремния из продуктов синтеза, доочистку диоксида кремния инертным газом от газообразных продуктов синтеза, модифицирование диоксида кремния органическими или кремнийорганическими соединениями путем обработки его смесью паров указанных соединений с инертным газом, при этом полученный органокремнезем осаждают из продуктов модифицирования, проводят его доочистку инертным газом от газообразных продуктов модифицирования, согласно изобретению синтез диоксида кремния производят путем окисления тетрахлорида кремния в газовой плазме кислорода при температуре 1000÷2100°С и при соотношении молярных расходов тетрахлорида кремния и кислорода от 1,0 до 3,0.

При этом тетрахлорид кремния вводят в потоке газовой плазмы, полученной путем нагрева в плазмотроне кислорода или кислородсодержащего газа до температуры 1200÷3800°С, в виде жидкости или в виде смеси паров тетрахлорида кремния с кислородсодержащим газом при температуре 60÷100°С.

Кроме того, тетрахлорид кремния вводят в потоке газовой плазмы, полученной путем нагрева в плазмотроне инертного, не реагирующего с модификатором газа до температуры 1200÷3800°С, в виде смеси паров тетрахлорида кремния с кислородсодержащим газом при температуре 60÷100°С.

Причем доочистку диоксида кремния от газообразных продуктов синтеза и модифицирования проводят в сверхзвуковых струях инертного газа, а обработку диоксида кремния смесью паров модификатора с инертным газом производят в сверхзвуковой струе смеси этих газов.

Заявленный технический результат обусловлен тем, что при синтезе диоксида кремния путем окисления в плазме тетрахлорида кремния кислородом без применения водорода продукты синтеза содержат диоксид кремния и хлор и не содержат паров воды, а поверхность диоксида кремния содержит функциональные Cl-группы, которые являются более реакционноспособными по сравнению с ОН-группами, что существенно повышает качество и расширяет номенклатуру получаемых органокремнеземов. При этом для обеспечения реакции окисления тетрахлорида кремния, которая протекает при температуре 1000÷2100°С, необходим перегрев плазмы относительно указанного температурного диапазона, величина которого зависит от соотношения расходов тетрахлорида кремния и кислорода и может достигать 1700°С. Кроме того, при обработке диоксида кремния в свехзвуковых газовых струях разрушаются агрегаты из частиц диоксида кремния, при этом поверхности частиц оголяются и контактируют непосредственно с газовой средой, что приводит к ускорению массообменных процессов и упрощает используемое оборудование.

На чертеже представлена технологическая схема устройства для реализации заявленного способа.

Устройство содержит плазмотрон 1 с патрубком 2 для ввода плазмообразующего газа, плазмохимический реактор 3 с патрубком 4 для ввода тетрахлорида кремния, закалочную камеру 5, теплообменник 6, циклоны 7, тканевые фильтры 8, питатели порошка - частиц диоксида кремния 9, камеры 10 со сверхзвуковыми соплами 11, нагреватели 12 с патрубками 13 для ввода газа, испаритель 14 с патрубком 15 для ввода модификатора.

Способ получения пигментного диоксида титана реализуется следующим образом.

В плазмотроне 1 плазмообразующий газ - воздух, кислород или инертный газ (газ, не реагирующий с модификатором, например азот) - нагревают до плазменного состояния. Поток газовой плазмы с температурой 2200÷3800°С из плазмотрона 1 поступает в плазмохимический реактор 3, в который по патрубку 4 подают тетрахлорид кремния в виде жидкости или в виде смеси паров тетрахлорида кремния с кислородсодержащим газом при температуре смеси 60÷100°С. В плазмохимическом реакторе 3 при температуре 1000÷2100°С и при соотношении молярных расходов тетрахлорида кремния и кислорода от 1,0 до 3,0 происходит окисление тетрахлорида кремния с образованием диоксида кремния и хлора. Полученные продукты реакции последовательно охлаждают в закалочной камере 5 и теплообменнике 6 и в виде пылегазового потока направляют в аппараты осаждения, включающие циклон 7 и тканевый фильтр 8. В циклоне 7 осаждается 95÷97% диоксида кремния, оставшийся диоксид кремния осаждается в тканевом фильтре 8. Из тканевого фильтра диоксид кремния возвращается в циклон 7, а газовая фаза по патрубку 17 направляется на регенерацию для технологических нужд или на газоочистку. Аппараты осаждения диоксида кремния являются однотипными, они применяются для осаждения диоксида кремния из пылегазовых потоков продуктов синтеза, модифицирования и доочистки диоксида кремния. Отделенный продукт - частицы диоксида кремния - из циклона 7 через питатель 9 поступают в камеру 10, где подвергаются обработке - разрушению агрегатов частиц диоксида кремния под воздействием свехзвуковой струи газа, истекающей из свехзвукового сопла 11. Газ, поступающий в сверхзвуковое сопло 11 через патрубок 13 ввода, подогревают в нагревателе 12. На первой стадии обработки - доочистки диоксида кремния от газообразных продуктов синтеза в сверхзвуковое сопло 11 подают инертный газ, его струя разрушает агрегаты из частиц диоксида кремния, поступающих из питателя 9, при этом газообразные продукты синтеза разбавляются инертным газом и после осаждения диоксида кремния через патрубок 17 отводятся из тканевого фильтра 8 на газоочистку. На второй стадии обработки в сопло 11 камеры 10 подают смесь паров модификатора с инертным газом, приготовленную в испарителе 14, в который через патрубок 13 вводят подогретый в нагревателе 12 инертный газ и по патрубку 15 подают модификатор. В камере 10 на второй стадии обработки происходит взаимодействие поверхностных Cl-групп диоксида кремния с модификатором, в результате которого модификатор прививается к поверхности диоксида кремния, поступающего из питателя 9, а хлор в виде HCl удаляется в газовую фазу.

При модифицировании поверхности диоксида кремния могут быть реализованы следующие поверхностные реакции:

где R - органический или кремнийорганический радикал.

После осаждения диоксида кремния газообразные продукты модифицирования из тканевого фильтра 8 через патрубок 17 отводятся на газоочистку. В камере 10 на третьей стадии обработки происходит доочистка диоксида кремния, поступающего из питателя 9, от остатков модификатора и HCl так же, как и на первой стадии обработки. Готовый продукт - органокремнезем (диоксид кремния, модифицированный органическими и/или кремнийорганическими соединениями), отводят по патрубку 16 из циклона 7 третьей стадии обработки.

В таблице приведены режимные параметры примеров реализации заявленного способа получения органокремнеземов и значения концентраций модификаторов, привитых к поверхности частиц диоксида кремния.

1. Способ получения органокремнеземов, включающий синтез диоксида кремния из тетрахлорида кремния, охлаждение продуктов синтеза, осаждение диоксида кремния из продуктов синтеза, доочистку диоксида кремния инертным газом от газообразных продуктов синтеза, модифицирование диоксида кремния органическими или кремнийорганическими соединениями путем обработки его смесью паров указанных соединений с инертным газом, полученный органокремнезем осаждают из продуктов модифицирования, проводят его доочистку инертным газом от газообразных продуктов модифицирования, отличающийся тем, что синтез диоксида кремния производят путем окисления тетрахлорида кремния в газовой плазме кислородом при температуре 1000-2100°С и при соотношении молярных расходов тетрахлорида кремния и кислорода от 1,0 до 3,0.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что тетрахлорид кремния вводят в потоке газовой плазмы, полученной путем нагрева в плазмотроне кислорода или кислородсодержащего газа до температуры 1200-3800°С, в виде жидкости или в виде смеси паров тетрахлорида кремния с кислородсодержащим газом при температуре 60-100°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что тетрахлорид кремния вводят в потоке газовой плазмы, полученной путем нагрева в плазмотроне плазмообразующего инертного, не реагирующего с модификатором газа до температуры 1200-3800°С, в виде смеси паров тетрахлорида кремния с кислородсодержащим газом при температуре 60-100°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что доочистку диоксида кремния от газообразных продуктов синтеза и модифицирования проводят в сверхзвуковых струях инертного газа, а обработку диоксида кремния смесью паров модификатора с инертным газом производят в сверхзвуковой струе смеси этих газов.