一種多級介孔二氧化矽消光劑的製備方法與流程
2023-06-23 05:10:51
本發明涉及一種多級介孔二氧化矽消光劑的製備方法，屬於消光劑製備技術領域。
背景技術：
二氧化矽消光劑是一類能夠改變塗膜表面光學性能的助劑，這類助劑能夠在塗膜表面產生微粗糙度，使塗膜的光澤顯著降低。二氧化矽消光劑有三種類型，均為X射線無定形多孔物質。其一為微米級二氧化矽氣凝膠，是將一定濃度的酸和鹼性矽酸鹽（常用的是矽酸鈉）在鹼或酸性條件下反應，得到均勻的水溶膠凝膠，經老化、破碎、洗滌、水熱處理、乾燥、粉碎即可得到二氧化矽產品。另一種是氣相二氧化矽消光劑，以天然石英砂為主要原料，將其和氫氧化鈉或碳酸納在高溫下反應生成矽酸鈉，（通過升華、蒸發、分解等過程轉化為氣相，然後通過適當條件下使它成為飽和蒸氣，經冷凝結晶而生長成晶體）再經過破碎、洗滌、乾燥、粉碎等製得氣相二氧化矽。第三種是微米級沉澱水合二氧化矽，即在一定條件下，將酸和鹼性矽酸鹽溶液進行沉澱反應，過程中不出現矽酸凝膠而得到疏鬆、絮狀沉澱的二氧化矽粒子，經過濾、洗滌、乾燥、粉碎而得到二氧化矽產品；它是國內外使用最多的一種，具有吸油值高，工藝條件相對簡單，成本較低等優點，但其結構性差，比表面積小，孔容比較小，孔徑分布寬，在高剪切下結構易被破壞，透明性差，用量較大，只適用於低檔及小部分中檔塗料。因此在此基礎上，研究出一種結構性好，比表面積大，孔容大且孔道大小均一的二氧化矽消光劑，具有重要的意義。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題：針對傳統二氧化矽消光劑結構性差，比表面積小，孔容小且孔道大小不均一，導致在使用過程中結構易被破壞，透明性差的弊端，提供了一種利用稻殼提取的含矽蛋白粉末為催化劑，配合自行製備的乳液自髮乳化的動態過程製備得到多級介孔二氧化矽消光劑的方法。本發明首先利用超聲清洗稻殼，經乾燥後粉碎成稻殼粉，再利用混合酸液氧化稻殼粉，經靜置分層除雜後將下層沉澱物水洗乾燥，製得含矽蛋白的白色粉末，隨後利用濃鹽酸酸化表面活性劑十二烷基肌氨酸鈉形成油相，通過改變反應條件使其自髮乳化而釋放，再加入白色粉末與正矽酸乙酯，反應生成多級結構的二氧化矽，再經陳化洗滌後，煅燒去除表面活性劑和催化劑中的有機質等雜質，製得多級介孔二氧化矽消光劑。本發明充分利用稻殼中含矽的有機質催化，配合十二烷基肌氨酸鈉與鹽酸反應形成的油相釋放並運輸擴散到水相，與矽源重新組裝產生多級介孔二氧化矽，所得二氧化矽比表面積大，介孔孔道均一，孔道短，使用過程中有利於塗料的擴散，有效解決了傳統二氧化矽消光劑結構性差的問題。
為解決上述技術問題，本發明採用如下所述的技術方案是：
（1）稱取100～200g稻殼，倒入盛有600～800mL去離子水的燒杯中，隨後將燒杯置於超聲振蕩儀，於頻率為35～40kHz條件下，超聲處理20～30min，過濾，收集稻殼，並將稻殼置於烘箱中，於溫度為60～70℃條件下，乾燥3～5h，再將乾燥後的稻殼倒入粉碎機中，粉碎後過60～80目篩，得稻殼粉；
（2）依次將100～150mL混合酸液，30～50g上述所得稻殼粉倒入帶攪拌器的三口燒瓶中，於轉速為300～400r/min條件下，攪拌反應30～45min，隨後將三口燒瓶置於水浴鍋中，於溫度為58～60℃，轉速為400～600r/min條件下，恆溫攪拌反應36～48h，所述混合酸液是由質量分數為65%硝酸，質量分數為98%硫酸及質量分數為70%高氯酸按體積比10:2:1混合而成；
（3）待反應結束，將三口燒瓶中物料倒入燒杯中，靜置分層，收集下層白色沉澱物，並用去離子水洗滌至中性，再將白色沉澱物轉入真空乾燥箱，於溫度為55～60℃條件下乾燥6～8h，再經研缽研磨後，得白色粉末；
（4）在帶攪拌器的四口燒瓶中，依次加入30～50g十二烷基肌氨酸鈉，2～3L去離子水，調節攪拌轉速至800～1000r/min，攪拌混合10～15min後，再在攪拌狀態下，通過滴液漏鬥將10～15mL質量分數為37%鹽酸滴加至四口燒瓶中，控制滴加時間為5～10min，待滴加完畢，攪拌反應45～60min，隨後在攪拌狀態下，向四口燒瓶中依次加入6～8g矽烷偶聯劑KH-560，80～100g正矽酸乙酯，0.8～1.2g上述所得白色粉末，繼續攪拌反應30～45min；
（5）待反應結束，將四口燒瓶中物料倒入燒杯中，隨後將燒杯置於水浴鍋中，於溫度為70～80℃條件下靜置3～5天，再採用真空抽濾機趁熱抽濾，收集濾餅，並用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將濾餅轉入烘箱中，於溫度為105～110℃條件下乾燥至恆重，收集乾燥後的濾餅，並轉入馬弗爐中，於溫度為500～550℃條件下煅燒3～5h，待隨爐冷卻至室溫，出料，研磨，即得多級介孔二氧化矽消光劑。
本發明的應用方法：將本發明製得的多級介孔二氧化矽消光劑添加至水性丙烯酸塗料中，控制添加量為水性丙烯酸塗料總質量的1.8～2.3%，添加完畢後置於多功能分散機中，以1000～1100r/min轉速攪拌分散5～10min，製得分散物，用線棒塗布器將其均勻塗覆於木板基材上，控制塗覆厚度為25～35μm，塗覆完畢固化1～2h即可。本發明二氧化矽消光劑孔容為2.14～2.21mL/g，具有較好的消光效果，且與水性塗料相容性好，分散均勻；經光澤儀檢測，添加本發明消光劑的水性丙烯酸塗料塗膜層在60°光澤下消光效率為31～38%，消光效率比常見消光劑提高了10～15%，值得推廣與使用。
本發明與其他方法相比，有益技術效果是：
（1）本發明製備步驟簡單，所得二氧化矽消光劑具有較好的結構性，比表面積大，達435～462m2/g，且孔道大小均一，孔隙率達1.28～1.34m3/g；
（2）本發明二氧化矽消光劑使用過程中無結構破壞現象發生，具有較好的透明性。
具體實施方式
首先稱取100～200g稻殼，倒入盛有600～800mL去離子水的燒杯中，隨後將燒杯置於超聲振蕩儀，於頻率為35～40kHz條件下，超聲處理20～30min，過濾，收集稻殼，並將稻殼置於烘箱中，於溫度為60～70℃條件下，乾燥3～5h，再將乾燥後的稻殼倒入粉碎機中，粉碎後過60～80目篩，得稻殼粉；再依次將100～150mL混合酸液，30～50g上述所得稻殼粉倒入帶攪拌器的三口燒瓶中，於轉速為300～400r/min條件下，攪拌反應30～45min，隨後將三口燒瓶置於水浴鍋中，於溫度為58～60℃，轉速為400～600r/min條件下，恆溫攪拌反應36～48h，所述混合酸液是由質量分數為65%硝酸，質量分數為98%硫酸及質量分數為70%高氯酸按體積比10:2:1混合而成；然後待反應結束，將三口燒瓶中物料倒入燒杯中，靜置分層，收集下層白色沉澱物，並用去離子水洗滌至中性，再將白色沉澱物轉入真空乾燥箱，於溫度為55～60℃條件下乾燥6～8h，再經研缽研磨後，得白色粉末；再在帶攪拌器的四口燒瓶中，依次加入30～50g十二烷基肌氨酸鈉，2～3L去離子水，調節攪拌轉速至800～1000r/min，攪拌混合10～15min後，再在攪拌狀態下，通過滴液漏鬥將10～15mL質量分數為37%鹽酸滴加至四口燒瓶中，控制滴加時間為5～10min，待滴加完畢，攪拌反應45～60min，隨後在攪拌狀態下，向四口燒瓶中依次加入6～8g矽烷偶聯劑KH-560，80～100g正矽酸乙酯，0.8～1.2g上述所得白色粉末，繼續攪拌反應30～45min；最後待反應結束，將四口燒瓶中物料倒入燒杯中，隨後將燒杯置於水浴鍋中，於溫度為70～80℃條件下靜置3～5天，再採用真空抽濾機趁熱抽濾，收集濾餅，並用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將濾餅轉入烘箱中，於溫度為105～110℃條件下乾燥至恆重，收集乾燥後的濾餅，並轉入馬弗爐中，於溫度為500～550℃條件下煅燒3～5h，待隨爐冷卻至室溫，出料，研磨，即得多級介孔二氧化矽消光劑。
實例1
首先稱取100g稻殼，倒入盛有600mL去離子水的燒杯中，隨後將燒杯置於超聲振蕩儀，於頻率為35kHz條件下，超聲處理20min，過濾，收集稻殼，並將稻殼置於烘箱中，於溫度為60℃條件下，乾燥3h，再將乾燥後的稻殼倒入粉碎機中，粉碎後過60目篩，得稻殼粉；再依次將100mL混合酸液，30g上述所得稻殼粉倒入帶攪拌器的三口燒瓶中，於轉速為300r/min條件下，攪拌反應30min，隨後將三口燒瓶置於水浴鍋中，於溫度為58℃，轉速為400r/min條件下，恆溫攪拌反應36h，所述混合酸液是由質量分數為65%硝酸，質量分數為98%硫酸及質量分數為70%高氯酸按體積比10:2:1混合而成；然後待反應結束，將三口燒瓶中物料倒入燒杯中，靜置分層，收集下層白色沉澱物，並用去離子水洗滌至中性，再將白色沉澱物轉入真空乾燥箱，於溫度為55℃條件下乾燥6h，再經研缽研磨後，得白色粉末；再在帶攪拌器的四口燒瓶中，依次加入30g十二烷基肌氨酸鈉，2L去離子水，調節攪拌轉速至800r/min，攪拌混合10min後，再在攪拌狀態下，通過滴液漏鬥將10mL質量分數為37%鹽酸滴加至四口燒瓶中，控制滴加時間為5min，待滴加完畢，攪拌反應45min，隨後在攪拌狀態下，向四口燒瓶中依次加入6g矽烷偶聯劑KH-560，80g正矽酸乙酯，0.8g上述所得白色粉末，繼續攪拌反應30min；最後待反應結束，將四口燒瓶中物料倒入燒杯中，隨後將燒杯置於水浴鍋中，於溫度為70℃條件下靜置3天，再採用真空抽濾機趁熱抽濾，收集濾餅，並用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將濾餅轉入烘箱中，於溫度為105℃條件下乾燥至恆重，收集乾燥後的濾餅，並轉入馬弗爐中，於溫度為500℃條件下煅燒3h，待隨爐冷卻至室溫，出料，研磨，即得多級介孔二氧化矽消光劑。
將本發明製得的多級介孔二氧化矽消光劑添加至水性丙烯酸塗料中，控制添加量為水性丙烯酸塗料總質量的1.8%，添加完畢後置於多功能分散機中，以1000r/min轉速攪拌分散5min，製得分散物，用線棒塗布器將其均勻塗覆於木板基材上，控制塗覆厚度為25μm，塗覆完畢固化1h即可。本發明二氧化矽消光劑孔容為2.14mL/g，具有較好的消光效果，且與水性塗料相容性好，分散均勻；經光澤儀檢測，添加本發明消光劑的水性丙烯酸塗料塗膜層在層在60°光澤下消光效率為31%，消光效率比其他消光劑提高了10%，值得推廣與使用。
實例2
首先稱取150g稻殼，倒入盛有700mL去離子水的燒杯中，隨後將燒杯置於超聲振蕩儀，於頻率為38kHz條件下，超聲處理25min，過濾，收集稻殼，並將稻殼置於烘箱中，於溫度為65℃條件下，乾燥4h，再將乾燥後的稻殼倒入粉碎機中，粉碎後過70目篩，得稻殼粉；再依次將130mL混合酸液，40g上述所得稻殼粉倒入帶攪拌器的三口燒瓶中，於轉速為350r/min條件下，攪拌反應38min，隨後將三口燒瓶置於水浴鍋中，於溫度為59℃，轉速為500r/min條件下，恆溫攪拌反應42h，所述混合酸液是由質量分數為65%硝酸，質量分數為98%硫酸及質量分數為70%高氯酸按體積比10:2:1混合而成；然後待反應結束，將三口燒瓶中物料倒入燒杯中，靜置分層，收集下層白色沉澱物，並用去離子水洗滌至中性，再將白色沉澱物轉入真空乾燥箱，於溫度為58℃條件下乾燥7h，再經研缽研磨後，得白色粉末；再在帶攪拌器的四口燒瓶中，依次加入40g十二烷基肌氨酸鈉，3L去離子水，調節攪拌轉速至900r/min，攪拌混合13min後，再在攪拌狀態下，通過滴液漏鬥將13mL質量分數為37%鹽酸滴加至四口燒瓶中，控制滴加時間為8min，待滴加完畢，攪拌反應52min，隨後在攪拌狀態下，向四口燒瓶中依次加入7g矽烷偶聯劑KH-560，90g正矽酸乙酯，1.0g上述所得白色粉末，繼續攪拌反應38min；最後待反應結束，將四口燒瓶中物料倒入燒杯中，隨後將燒杯置於水浴鍋中，於溫度為75℃條件下靜置4天，再採用真空抽濾機趁熱抽濾，收集濾餅，並用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將濾餅轉入烘箱中，於溫度為108℃條件下乾燥至恆重，收集乾燥後的濾餅，並轉入馬弗爐中，於溫度為530℃條件下煅燒4h，待隨爐冷卻至室溫，出料，研磨，即得多級介孔二氧化矽消光劑。
將本發明製得的多級介孔二氧化矽消光劑添加至水性丙烯酸塗料中，控制添加量為水性丙烯酸塗料總質量的2.1%，添加完畢後置於多功能分散機中，以1050r/min轉速攪拌分散8min，製得分散物，用線棒塗布器將其均勻塗覆於木板基材上，控制塗覆厚度為30μm，塗覆完畢固化2h即可。本發明二氧化矽消光劑孔容為2.18mL/g，具有較好的消光效果，且與水性塗料相容性好，分散均勻；經光澤儀檢測，添加本發明消光劑的水性丙烯酸塗料塗膜層在60°光澤下消光效率為35%，消光效率比其他消光劑提高了12%，值得推廣與使用。
實例3
首先稱取200g稻殼，倒入盛有800mL去離子水的燒杯中，隨後將燒杯置於超聲振蕩儀，於頻率為40kHz條件下，超聲處理30min，過濾，收集稻殼，並將稻殼置於烘箱中，於溫度為70℃條件下，乾燥5h，再將乾燥後的稻殼倒入粉碎機中，粉碎後過80目篩，得稻殼粉；再依次將150mL混合酸液，50g上述所得稻殼粉倒入帶攪拌器的三口燒瓶中，於轉速為400r/min條件下，攪拌反應45min，隨後將三口燒瓶置於水浴鍋中，於溫度為60℃，轉速為600r/min條件下，恆溫攪拌反應48h，所述混合酸液是由質量分數為65%硝酸，質量分數為98%硫酸及質量分數為70%高氯酸按體積比10:2:1混合而成；然後待反應結束，將三口燒瓶中物料倒入燒杯中，靜置分層，收集下層白色沉澱物，並用去離子水洗滌至中性，再將白色沉澱物轉入真空乾燥箱，於溫度為60℃條件下乾燥8h，再經研缽研磨後，得白色粉末；再在帶攪拌器的四口燒瓶中，依次加入50g十二烷基肌氨酸鈉，3L去離子水，調節攪拌轉速至1000r/min，攪拌混合15min後，再在攪拌狀態下，通過滴液漏鬥將15mL質量分數為37%鹽酸滴加至四口燒瓶中，控制滴加時間為10min，待滴加完畢，攪拌反應60min，隨後在攪拌狀態下，向四口燒瓶中依次加入8g矽烷偶聯劑KH-560，100g正矽酸乙酯，1.2g上述所得白色粉末，繼續攪拌反應45min；最後待反應結束，將四口燒瓶中物料倒入燒杯中，隨後將燒杯置於水浴鍋中，於溫度為80℃條件下靜置5天，再採用真空抽濾機趁熱抽濾，收集濾餅，並用去離子水洗滌濾餅直至洗滌液呈中性，再將濾餅轉入烘箱中，於溫度為110℃條件下乾燥至恆重，收集乾燥後的濾餅，並轉入馬弗爐中，於溫度為550℃條件下煅燒5h，待隨爐冷卻至室溫，出料，研磨，即得多級介孔二氧化矽消光劑。
將本發明製得的多級介孔二氧化矽消光劑添加至水性丙烯酸塗料中，控制添加量為水性丙烯酸塗料總質量的2.3%，添加完畢後置於多功能分散機中，以1100r/min轉速攪拌分散10min，製得分散物，用線棒塗布器將其均勻塗覆於木板基材上，控制塗覆厚度為35μm，塗覆完畢固化2h即可。本發明二氧化矽消光劑孔容為2.21mL/g，具有較好的消光效果，且與水性塗料相容性好，分散均勻；經光澤儀檢測，添加本發明消光劑的水性丙烯酸塗料塗膜層在60°光澤下消光效率為38%，消光效率比其他消光劑提高了15%，值得推廣與使用。