脱醇型室温硫化硅橡胶用钛络合物的制备

余海旋+张爱学+程再乐

【摘 要】通过查阅文献和大量试验，研究了钛系脱醇型硅酮胶用催化剂钛络合物的制备原理，投料配比以及工艺参数对密封胶成品性能的影响。结果证明钛络合物的生产工艺对脱醇型硅酮胶的储存稳定性以及性能起到关键作用；自制钛络合物催化剂解决了粘度高峰，储存发红，胶体发黄、深层固化慢以及保质期偏短等问题。

【关键词】室温硫化；脱醇型；钛络合物；粘度高峰；保质期

前言：

单组份硅酮密封胶是一种通过周边环境湿气由外到内逐渐固化的胶黏剂，因为其优秀的耐气候老化性、高绝缘性、耐高温、耐溶剂性能在各个行业都有着普遍的运用。脱醇型硅酮胶是使用最广泛一种，因为其无腐化，低气味、固化速度的特色，相较于其他类型的硅酮胶有着更加优越的成长远景。

最早期的脱醇型硅酮胶是以聚二甲基硅氧烷为基胶、甲基三甲酰氧基硅烷为交联剂、钛酸酯化合物为催化剂，添加填料配置而成。但这种配方在生产及应用中存在以下主要的缺点：添加钛酸酯化合物后，胶料有一段变稠过程，需要放置一段时间后，才能使稠度下降，给生产带来麻烦；产品的储存性能不好，存放后性能下降；实际应用中表干时间长，硫化速度慢。

一、钛络合物种类

钛酸酯化合物是单组份脱醇型密封胶的重要组分，但市场上暂无成分稳定产品，因此为保证脱醇型胶的质量必须自行合成钛络合物。合成反应是酯交换反应，又分一次酯交换反应和二次酯交换反应，钛酸酯与乙酰乙酸乙酯发生一次酯交换产物简称一次钛；钛酸酯与乙酰乙酸乙酯和1，3丙二醇发生二次酯交换反应产物称二次钛。由于在中国市场1，2-丙二醇较易购得且价格便宜，所以二次酯交换多用1，2-丙二醇，其投料量和操作工艺同上，所得产物为1，2-丙基二氧撑双乙酰乙酸乙酯钛。

二、反应机理

钛酸酯属lewis酸型催化剂，其活性中心为钛原子，钛的电子构型为：[Ar]3d24s2，四烷基钛酸酯类催化剂的稳定性和催化活性与烷基有关，烷基基团越大，空间位阻就越大，催化剂越稳定。据文献报道，二乙醇胺与四烷基钛酸酯的酯交换能力大于一元醇。其原因是，醇胺与钛可生成较稳定的螯合环状酯。二元醇类似于二乙醇胺，与钛酸四丁酯发生酯交换反应也生成较稳定的螯合环状钛酸酯。其次三乙分子中羰基中氧带孤电子对，同时这类钛酸酯分子中尚余两个钛的配位轨道，反应中可以进一步与两个羰基配位，从而增加其稳定性。该类催化剂是以钛原子为核心，周围包裹螯合配位体而组成，因此钛原子周围的螯环数与钛原子本身所剩的配位轨道数，对催化剂性质有着直接的影响。一方面，活性中心钛原子所形成的螯合环数影响着催化剂的稳定性，环数越多催化剂越稳定。

三、合成工艺

（一）常见原料

常见钛酸酯有钛酸乙酯、钛酸丙酯（TPT）、钛酸异丙酯、钛酸丁酯等；一次钛原料有乙酰乙酸乙酯（三乙）、2，4-戊二酮、乙酰乙酸异丁酯、柠檬酸酯等；二次钛原料：1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、2，3-丁二醇、1，4-辛二醇。

（二）合成工艺

1.三乙与TPT一次酯交换

在1000L反应釜抽真空投入TPT 190 kg，然后小真空缓慢抽入乙酰乙酸乙酯200kg，反应时放热过程中控制温度在70℃以下，加入完毕后于65-70℃在搅拌的条件下保温反应3h。然后边升温边脱低，升温至105-110℃，不得超过110℃，真空在-0.09MPa以下脱低3小时，脱低完毕后保温三小时，降温至 80℃以下出料。

2.乙酰乙酸乙酯、TPT与1，2-丙二醇二次酯交换

1000L反应釜内先投TPT 220 kg，加入185kg 三乙，于65-70℃保温3h。升温85-90℃之间脱低1.5h（真空-0.09MPa以下）；然后降温至80℃以下，快速加入1，2-丙二醇55kg，于75-80℃之间保温3小时。静置12小时后升温脱低，温度控制在 100-110℃之间。脱低完后降温 80℃以内，加入200kg 醇型交联剂出料。

3.柠檬酸三乙酯与1，2-丙二醇二次酯交换

将220kg钛酸异丙酯投入1000L反应釜，不加热，开动搅拌，将50kg柠檬酸三乙酯和150kg乙酰乙酸乙酯缓慢抽入，开动搅拌，加入完毕后于65-70℃下保温反应3h。开动小负压，缓慢升温至100℃，抽低沸物至断流为止。降温至80℃以下向反应釜中快速加入55kg1，2-丙二醇。于75-80℃反应3小时，静置12小时后升温脱低，至低沸物断流后，降温80℃以下向反应釜中加200kg甲基三甲氧基硅烷搅拌放料。

（三）工艺控制

由于反应过程存在多种平衡，因此合成过程中必须控制反应温度，物料浓度以及真空度来控制平衡反应的方向。TPT与三乙的烯醇式反应升高温度有利于提高反应速度，但同时也会促进副反应的进行。由文献 US3856839 查得TPT与三乙的最佳温度应该维持在70℃以下，而1，2-丙二醇与TPT酯交换最佳温度为75-80℃。

过量的反应物能够促进反应平衡的移动，提高转化率。三乙与TPT的一次酯交换反应中，理论上三乙与TPT的反应摩尔比为2：1，但由于三乙的酮式与烯醇式平衡故一次钛络合物反应中先采用滴加或缓慢加入过量的三乙进行反应，获得稳定结构的一次钛钛络合物。而二次钛络合物合成反应中，柠檬酸酯自身不存在平衡反应，且物料颜色较浅，当柠檬酸酯取代部分三乙后，使得三乙与TPT的摩尔比小于2：1，能防止过量的三乙、1，2-丙二醇以及TPT的副反应。可减轻钛络合物的颜色和减少三乙迁移引起胶料发黄的现象。

（四）“陈化”放置

沉淀析出后，让初生成的沉淀与母液一起放置一段时间，这个过程称为“陈化”。钛络合物的陈化，可以增加其稳定性。不同温度，不同时间的陈化下稳定性也不同，恒温陈化有助稳定。在钛络合物的陈化过程中，溶液中沉淀里钛离子与游离的络合剂形成络合物，也会促进沉淀—溶解平衡向溶解方向移动，从而增加沉淀的溶解度，甚至使沉淀完全溶解，这种影响称为络合效应。络合效应对沉淀溶解度的影响，与络合剂的浓度及生成络合物的稳定性有关。由于络合物中存在着这种溶解与沉淀平衡，因此对这平衡体系施加一定温度，促使络合剂的转化以及络合物中杂质成分的沉淀，使溶液达到稳定状态。通过陈化可以减少络合物中无效成分沉淀物数量，提高络合物的稳定性和活性，减少胶体储存过程中因络合物不稳定引起的发红现象。

四、结论

（一）本文通过文中3.2.1生产工艺调整投料比例和投料方式，控制反应温度，制备了一种活性适中、粘度高峰小、深层固化快的一次钛络合物。

（二）本文通过文中3.2.2生产工艺调整了投料比例和投料方式，控制反应温度和脱低温度减少副产物形成，通过加入甲基三甲氧基硅烷和“陈化”等方式制备了一种储存稳定，温度变化不发红，胶浆储存期长的二次钛络合物。

（三）本文通过文中3.2.3生产工艺更换了生产原料，调整了投料种类和比例以及投料方式，控制反应温度等，通过加入甲基三甲氧基硅烷和“陈化”等方式制备了一种胶体不黄变，生产胶浆粘度高峰小，络合物储存稳定，胶浆储存期长不易发黄的二次钛络合物。

（四）通过调整一次钛和二次钛的配比，可以得到一种固化适中，粘度高峰小，储存稳定以及保质期长的复配型钛络合物，满足生产需求。

【参考文献】

[1]李贵宾.单组份脱醇型室温硫化硅橡胶用钛酸酯螯合物及其制备方法.CN ，2014

[2] US5428103A Friebe etal，1995

[3] US3856839，Smith etal，1974

[4]王雪飛，钛酸酯偶联剂的制备及无机填料作用机理的研究.硕士学士论文，2004endprint