專利名稱:低voc硅烷醇添加劑及其生產(chǎn)方法
發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明通常涉及硅烷處理操作，具體地涉及一種在各種工業(yè)應(yīng)用中使用的低VOC硅烷醇添加劑。
相關(guān)技術(shù)描述
硅烷通常作為一種處理劑應(yīng)用于各種材料以賦予材料某些期望的性能。硅烷化合物作為一種偶聯(lián)劑已被廣泛使用，以增強有機聚合物和無機基材如玻璃或金屬之間的附著力。硅烷也被用于處理在增強的聚合物體系中使用的無機添加劑如二氧化硅的表面。硅烷的其他商業(yè)應(yīng)用包括作為纖維的抗微生物處理劑應(yīng)用于紡織工業(yè)、用于表面化學(xué)、用于油墨配料和硅橡膠的制造。硅烷也已被用于涂覆玻璃纖維和表面或用于交聯(lián)的聚乙烯管中，以有助于提高聚合物的高溫耐性和化學(xué)耐性。某些形式的硅烷也可以被作為纖維素纖維的上漿劑(sizing agent)，以提高纖維的水耐久性，如在美國專利6,676,745中所描述，該文獻在此被引入作為參考。
在很多的這些應(yīng)用中，通常認為，發(fā)生于硅烷和各種材料之間的相互作用需要硅烷水解。在一個典型的硅烷處理工藝中，硅烷被加入一混合物中并水解，形成硅烷醇，硅烷醇為含有一個或多個Si-OH基團的化合物。硅烷醇能直接與被處理表面結(jié)合，或經(jīng)過自縮合反應(yīng)而生成含硅氧烷(Si-O-Si)鍵的化合物。然而，硅烷水解過程可能緩慢，原因是硅烷的低反應(yīng)性和硅烷水解量可能受各種工藝條件的影響。此外，硅烷水解反應(yīng)典型地釋放一種或多種揮發(fā)性有機化合物(VOC)如醇，而醇又需要恰當?shù)默F(xiàn)場排放控制。因此，大規(guī)模工業(yè)硅烷處理工藝的效率和有效性時常低于最佳情況，這大部分歸因于硅烷水解反應(yīng)過程中形成硅烷醇的變化的量和速度，以及對VOC副產(chǎn)物過量排放的關(guān)注。
在某些生產(chǎn)應(yīng)用中，硅烷作為纖維素纖維的上漿劑被加入到纖維漿中，大量的硅烷可能不水解和足夠快地與纖維素纖維反應(yīng)，導(dǎo)致未反應(yīng)的硅烷隨設(shè)備排放物流失，這又降低了處理過程的效率。此外，硅烷與工業(yè)級水溶液混合時，大量的VOC副產(chǎn)物在硅烷水解過程中釋放，并且這些副產(chǎn)物的排放需要在現(xiàn)場適當?shù)乜刂疲@增加了硅烷處理工藝的復(fù)雜性和成本。
因此，根據(jù)前述，應(yīng)意識到，需要更有效率的、有效果的和環(huán)境友好的大規(guī)模硅烷處理工藝，用于各種工業(yè)應(yīng)用中。因此，尤為需要更有效率的和成本上有效的控制和處理硅烷轉(zhuǎn)變?yōu)楣柰榇妓a(chǎn)生的VOC副產(chǎn)物的方法。
發(fā)明概述
一方面，本發(fā)明的優(yōu)選實施方式提供了一種生產(chǎn)低VOC含量的硅烷醇添加劑的方法。此方法包括提供含硅烷的化合物和催化劑；傳送預(yù)定量的含硅烷化合物和催化劑的每一種到混合容器中；在混合容器中將含硅烷化合物和催化劑與水混合；含硅烷化合物按預(yù)定的工藝條件在催化劑的幫助下水解，從而形成一種混合物，其含有硅烷醇和一種或多種揮發(fā)性有機化合物(VOC)，以及從溶液中脫除至少基本部分VOC，以便形成低VOC硅烷醇添加劑。在一實施方式中，此方法還包括傳送硅烷醇添加劑到一容器中。
在一實施方式中，低VOC硅烷醇添加劑含有按重量計大約90％或以上的硅烷醇。在另一實施方式中，從混合物中脫除至少基本部分VOC包括按重量計脫除混合物中大約50％或更高的VOC。優(yōu)選地，脫除的VOC選自醇類、胺類和其混合物。在一實施方式中，脫除的VOC選自乙醇、甲醇、丙醇、丁醇、它們已知的異構(gòu)體和它們的混合物。在某些實施方式中，一種掃壁轉(zhuǎn)膜分離器(wipe film separator)被用于從混合物中脫除VOC。優(yōu)選地，混合物以大約1磅/分鐘或更高的速率，在大約為40-60℃的溫度下，在真空條件下被引入掃壁轉(zhuǎn)膜分離器中，并且分離器的表面積有大約0.5m2-10m2。優(yōu)選地，脫除的VOC被放于廢料容器中，以進行非現(xiàn)場處理。
在某些實施方式中，含硅烷化合物選自正辛基乙氧基硅烷、正辛基甲氧基硅烷、硅烷、烷氧基硅烷、烷基烷氧基硅烷、鹵代有機硅烷、羧化有機硅烷、環(huán)氧烷氧基硅烷、有機硅乳液和其混合物。在一實施方式中，催化劑選自硫酸、鹽酸、硝酸、乙酸、甲酸、檸檬酸、磷酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氫氧化鋰、氫氧化鎂、氫氧化鈹和其混合物。在一實施方式中，催化劑以這樣的方式促進硅烷水解，使得水解反應(yīng)時間大約為無催化劑幫助時同等水解反應(yīng)的反應(yīng)時間的五分之一。在另外的實施方式中，催化劑以這樣的方式促進硅烷水解，使得含硅烷化合物中有不超過大約5％的硅烷在混合物中未被水解。在另一實施方式中，提供含硅烷化合物和催化劑包括將化合物和催化劑分批放在獨立的大儲存容器內(nèi)。在另一實施方式中，含硅烷化合物和催化劑的儲存容器通過管線與混合容器相聯(lián)，以致含硅烷化合物和催化劑可以直接從各自的儲存容器傳送到混合容器。優(yōu)選地，傳送到混合容器的含硅烷化合物的預(yù)定量按重量計占混合容器中含硅烷化合物、催化劑和水總重量的大約0.1％-75％。優(yōu)選地，被傳送的催化劑的預(yù)定量占混合容器中含硅烷化合物、催化劑和水總重量的大約0.01％-20％。
在某些實施方式中，本方法還包括將低VOC硅烷醇添加劑加到處理工藝中，如處理基材的工藝。在一實施方式中，將低VOC硅烷醇溶液作為添加劑用于生產(chǎn)過程，該生產(chǎn)過程選自纖維水泥生產(chǎn)、紡織品生產(chǎn)、照相紙生產(chǎn)、建筑制品生產(chǎn)、油墨生產(chǎn)、礦物材料加工和改性以及壓敏膠帶生產(chǎn)。低VOC硅烷醇添加劑可以被加到處理纖維素纖維的工藝中，以增加纖維的疏水性。因此，低VOC硅烷醇添加劑具有作為含有纖維素的材料的上漿劑或疏水劑的用途，此類材料包括但不限于織物、紡織品、紙、紙板、木材、木制復(fù)合材料和含纖維素的水泥復(fù)合材料。低VOC硅烷醇添加劑可以被加入到處理無機基材的工藝中，以改進基材的一個或多個性能，如基材的外表面和/或內(nèi)表面(例如空隙或孔隙)，使基材更具疏水性。低VOC硅烷醇添加劑也可被加入到處理紡織品纖維的工藝中，以將抗微生物劑應(yīng)用于纖維。低VOC硅烷醇添加劑也可被加入到生產(chǎn)壓敏膠粘劑的工藝中。低VOC硅烷醇添加劑也可加入到纖維水泥漿中，用于處理纖維和其他組分，如漿中的水泥和硅石粉，以使形成的纖維水泥制品更具防水性。
另一方面，本發(fā)明的優(yōu)選實施方式提供了一種生產(chǎn)低VOC含量的硅烷醇溶液的方法。此方法包括提供含硅烷化合物和催化劑；將預(yù)定量的含硅烷化合物和催化劑的每一種傳送到混合罐中；在混合罐中用機械攪拌器將含硅烷化合物和催化劑與水混合在一起；在混合罐中用機械攪拌器將含硅烷化合物和催化劑與水混合在一起；在所述催化劑幫助下，水解含硅烷化合物，從而形成含有硅烷醇和一種或多種揮發(fā)性有機化合物(VOC)的混合物。優(yōu)選地，混合物有大約1加侖或更大的體積。此方法還包括從混合物中脫除至少基本部分VOC，以形成低VOC硅烷醇溶液，和將低VOC硅烷醇溶液加到處理工藝中。在一實施方式中，混合罐為一個55加侖的罐。在另一實施方式中，分離器用于從混合物中脫除乙醇。在又一實施方式中，含硅烷的化合物和催化劑被分批放在獨立的儲存罐中。優(yōu)選地，混合罐以這樣的方式與分離器相互連接，使得含有硅烷醇和VOC的混合物以預(yù)先選定的速率被傳送到分離器中。優(yōu)選地，VOC通過分離器被脫除，并儲存于廢料儲存容器內(nèi)。在一實施方式中，分離器與廢料儲存容器流動相連，使得脫除的VOC可以被直接從分離器輸送到廢料儲存容器中。
又一方面，本發(fā)明的優(yōu)選實施方式提供了一種生產(chǎn)纖維增強水泥復(fù)合材料的方法。此方法包括提供一種基本沒有VOC的硅烷醇添加劑；將硅烷醇添加劑加到含纖維素纖維的纖維水泥漿中，所述硅烷醇添加劑以增加纖維疏水性的方式處理纖維；將纖維水泥漿形成具有預(yù)先選定的形狀和尺寸的纖維水泥制品；和固化纖維水泥制品，形成纖維水泥復(fù)合材料。在一實施方式中，硅烷醇添加劑按重量計占纖維素纖維干重的大約5％。在又一實施方式中，硅烷醇添加劑中的硅烷醇具有親水性的官能團和疏水性的官能團，使得親水性的官能團結(jié)合纖維素纖維表面上的羥基，而疏水性的官能團排斥那里的水。在某些實施方式中，預(yù)先選定形狀和尺寸的纖維水泥制品通過Hatschek工藝制得。在某些另外的實施方式中，纖維水泥制品通過擠壓、模塑或澆鑄工藝制得。
再一方面，本發(fā)明的優(yōu)選實施方式提供了一種處理親水性表面，進而增加表面防水性的方法。此方法包括提供含有硅烷醇的溶液，并在一定條件下將溶液應(yīng)用于表面，使得硅烷醇與親水性官能團在表面上進行反應(yīng)，以束縛住親水性官能團，使親水性表面具有增加的疏水性。在一實施方式中，親水表面包括纖維素纖維的表面。在另一實施方式中，硅烷醇溶液是通過硅烷與水反應(yīng)形成含有硅烷醇和乙醇的水溶液，并且從該水溶液中脫除至少基本部分乙醇而被提供的。
再一方面，本發(fā)明的優(yōu)選實施方式提供了一種溶液，其按重量計含有大約50％或以上的硅烷醇。在一實施方式中，此溶液含有硅烷醇化合物，其含有疏水性官能團和親水性官能團，該親水性官能團適合與親水表面結(jié)合，導(dǎo)致表面變得更具疏水性。在一實施方式中，溶液為水溶液。在又一實施方式中，該溶液基本上不含醇。在再一實施方式中，溶液按重量計含有不超過大約5％的硅烷。
附圖簡述
圖1為流程圖，示意地圖解說明了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式生產(chǎn)低VOC硅烷醇添加劑的優(yōu)選工藝；
圖2是用于生產(chǎn)圖1的低VOC硅烷醇添加劑的體系的示意圖3圖示了示例性的硅烷水解反應(yīng)；和
圖4為流程圖，示意地圖解說明了將低VOC硅烷醇添加劑引入纖維水泥制品的生產(chǎn)中的方法。
優(yōu)選實施方式詳述
本發(fā)明的優(yōu)選實施方式提供了一種低VOC含量的硅烷醇添加劑，其可以被用于各類工業(yè)應(yīng)用中。圖1為流程圖，其示意地圖解說明了一個優(yōu)選實施方式的生產(chǎn)低VOC硅烷醇添加劑的優(yōu)選工藝100。如圖1所示，工藝100開始于步驟110，其包括提供形成硅烷醇添加劑所需的原材料。在一實施方式中，步驟110包括在獨立的儲存容器中分批放置含硅烷化合物、催化劑和水。在某些實施方式中，含硅烷化合物和催化劑被輸送到獨立的大儲存罐內(nèi)。在其它實施方式中，它們被保存在來自生產(chǎn)商的原有容器內(nèi)。
含硅烷化合物可以包括但不限于正辛基乙氧基硅烷、正辛基甲氧基硅烷、硅烷、烷氧基硅烷、烷基烷氧基硅烷、鹵代有機硅烷、羧化有機硅烷、環(huán)氧烷氧基硅烷、有機硅乳液和其混合物。催化劑可以是能夠催化硅烷和水之間水解反應(yīng)的酸或堿。催化劑可以包括但不限于硫酸、鹽酸、硝酸、乙酸、甲酸、檸檬酸、磷酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰、氫氧化鎂、氫氧化鈹和氫氧化鈣。水優(yōu)選為新鮮的自來水或去離子水。
又如圖1所示，工藝100繼續(xù)步驟120，其包括在預(yù)定的設(shè)計用于完成硅烷和水之間水解反應(yīng)的工藝條件下，將預(yù)定數(shù)量的含硅烷化合物、催化劑和水混合。優(yōu)選地，硅烷被水解，形成含有硅烷醇和一種或多種揮發(fā)性有機化合物(VOC)如乙醇、甲醇或其他醇類的含水混合物。在一實施方式中，初始反應(yīng)混合物按重量計含有大約0.1％-75％的含硅烷化合物，優(yōu)選地大約為20％-70％，更優(yōu)選地大約為50％；和大約0.01％-70％的催化劑，優(yōu)選地大約為0.1％-5％，更優(yōu)選地大約為0.5％；和大約25％-90％的水，優(yōu)選地大約為50％。在又一實施方式中，含硅烷化合物、催化劑和水在葉片式混合器(blaze mixer)中被混合在一起，在大約20℃-150℃之間的溫度下進行，優(yōu)選地在大約70℃-90℃，更優(yōu)選地大約為80℃；壓力大約為10atm或真空，優(yōu)選地大約為0atm-3atm，更優(yōu)選地大約為1atm；時間大約為10-1000分鐘，優(yōu)選地大約為300-600分鐘，更優(yōu)選地大約為480分鐘。
在圖1圖示的工藝100的步驟130中，步驟120中硅烷水解生成的VOC副產(chǎn)物被從混合物中脫除。VOC副產(chǎn)物可以包括但不限于醇類如甲醇或乙醇。在一實施方式中，VOC副產(chǎn)物通過使用潷析器、蒸發(fā)器、蒸餾器、閃蒸器、離心器或類似物被從混合物中脫除和分離。在一實施方式中，使用具有大約0.5m2-10m2或更高壁面積的掃壁轉(zhuǎn)膜分離器。優(yōu)選地，含有硅烷醇和VOC副產(chǎn)物的混合物被以大約1磅/分的流速和大約50℃-60℃的溫度引入掃壁轉(zhuǎn)膜蒸發(fā)器或掃壁轉(zhuǎn)膜分離器，此時分離器的夾套溫度為大約80℃-180℃。在一實施方式中，分離器的壁具有大約0.5m2的面積，并且葉片不斷地以大約20轉(zhuǎn)/分的速率繞壁旋轉(zhuǎn)，從壁掃掉混合物。優(yōu)選地，反應(yīng)混合物在分離器中的駐留時間為大約5到60秒。
在一實施方式中，VOC副產(chǎn)物主要為醇類如乙醇。乙醇從分離器的膜上蒸出，并在大約50-300mbar的真空下被脫除。優(yōu)選地，從反應(yīng)混合物中脫除的總醇量按重量計為混合物中初始存在的醇的50％以上，更優(yōu)選地大約為90％-99.9％。剩余的基本上無醇的硅烷醇溶液然后以大約0.7磅/分鐘的流速從分離器底部排出。在一實施方式中，優(yōu)選地，硅烷醇溶液中VOC的含量按重量計為大約5％以下，更優(yōu)選地為大約1％以下。在另一實施方式中，硅烷醇溶液中按重量計有大約50％或更高的硅烷醇。
如圖1還顯示，工藝100繼續(xù)步驟140，其包括在儲存容器中儲存基本上無醇和/或低VOC硅烷醇溶液。在一實施方式中，低VOC硅烷醇溶液可以被儲存于分批的儲存罐內(nèi)多達1周。在另一實施方式中，低VOC硅烷醇溶液被分裝進較小的、單獨的容器內(nèi)。在步驟150，硅烷醇溶液作為添加劑被引入各種生產(chǎn)工藝中。
在某些實施方式中，低VOC含量的硅烷醇溶液作為添加劑被用于纖維素纖維的處理工藝，在此工藝中，硅烷醇被用作改進纖維疏水性能的上漿劑。低VOC硅烷醇添加劑也可應(yīng)用于在纖維素纖維處理中漿粥機、原料箱或精制原料箱處的纖維。低VOC硅烷醇添加劑也可以與其他組分一起分批加入，其它組分包括被處理的或被加工的纖維素纖維和其他組分。此外，低VOC硅烷醇添加劑也可以用于涂覆形成的纖維水泥制品，此制品是原板(greensheet)形式的或熱壓處理過的。
在某些其他實施方式中，低VOC含量和/或醇含量的硅烷醇添加劑被引入纖維水泥配方中。優(yōu)選地，硅烷醇添加劑按重量計為配方中纖維的大約0.05％-10％，更優(yōu)選地為大約5％。優(yōu)選地，硅烷醇添加劑按重量計為總配方的大約0.01％-2％之間，更優(yōu)選地為大約0.3％。在纖維水泥技術(shù)中，硅烷醇添加劑可被用于工藝包括但不限于Hatschek、擠壓、mazza、澆鑄、夾網(wǎng)(twin wire)和長網(wǎng)成型(fourdrinierforming)中。硅烷醇添加劑作為添加劑也可被應(yīng)用于其他的纖維和木材技術(shù)，如中密度纖維板(MDF)、刨花板、定向刨花板(oriented strainboard(OSB))或任何其他的木材復(fù)合材料。硅烷醇添加劑作為添加劑也可被應(yīng)用于涉及混凝土、磚塊和其他建筑/施工材料的配方中。低VOC硅烷也可用于改進無機礦物原材料，包括但不限于沙子、硅石粉(ground silica)、粘土、硅酸鈣、水合硅酸鈣、碳酸鈣、珍珠巖、火山灰、底灰、飄塵、高爐礦渣、硅藻土、無定形硅石、米殼灰、玻璃、陶瓷和其混合物或其它已知用于水泥復(fù)合材料或作為塑料填充劑的硅酸鹽或鋁硅酸鹽礦物。
圖2示意地圖解說明了體系200，此體系被設(shè)計用于生產(chǎn)低VOC硅烷醇添加劑，其可用于各種工業(yè)硅烷處理工藝操作中，以基本減少硅烷處理工藝的VOC排放物。如圖2所示，體系200一般包括裝配用于貯存硅烷化合物的第一儲存罐202、裝配用于貯存催化劑的第二儲存罐204和水源206，水源206可以是水儲存罐或直接連接外部水源的管線。體系200還包括混合罐208，其被裝配用于接收硅烷化合物、催化劑、水并在預(yù)定的條件下混合各組分，以使硅烷水解。在一實施方式中，機械攪拌器210被連接到混合罐208，以促進和控制混合過程。優(yōu)選地，混合罐208通過管路212與硅烷儲存罐202和催化劑儲存罐204流動連接，使得硅烷化合物和催化劑可以按預(yù)定的速率和數(shù)量被輸送到混合罐208中。在某些實施方式中，各種流量計和閥被連接到管路212，以促進和控制傳送過程。
也如圖2所示，體系200還包括分離器214，其被裝配用于脫除和分離VOC，如在混合罐內(nèi)產(chǎn)生于硅烷水解的醇。分離器214流動連接于混合罐208、廢料處理罐216和產(chǎn)品儲存罐218。在一實施方式中，在混合罐208內(nèi)的水解反應(yīng)完成之后，包含硅烷醇和乙醇的混合物被輸送到分離器214。分離器214被設(shè)計用于脫除混合物中的乙醇。優(yōu)選地，乙醇被輸送到廢料儲存罐216，以進行非現(xiàn)場處理。有利地，乙醇和/或其他VOC被捕獲在密閉容器內(nèi)，以基本減少生產(chǎn)裝置的VOC排放物。所得到的低VOC硅烷醇溶液從分離器214被傳送到儲存罐218，以便用于各種生產(chǎn)工藝。在某些實施方式中，水源206也可以流動連接于產(chǎn)品儲存罐218，以便使用前加水或稀釋硅烷醇溶液。
有利地，體系200允許低VOC硅烷醇溶液批量制備并為將來使用儲備。生產(chǎn)規(guī)模是這樣的建造設(shè)備和工藝，以在間歇或連續(xù)的工藝中生產(chǎn)大量的低VOC硅烷醇。在一實施方式中，硅烷儲存罐有大約55加侖的體積，催化劑儲存罐有大約1加侖的體積，混合罐有大約50加侖的體積，廢料儲存罐和硅烷醇產(chǎn)品罐各有大約55加侖的體積。硅烷醇添加劑可以10至40加侖的體積分批生產(chǎn)，然而，較大量的低VOC硅烷醇可以通過擴大在此公開的工藝而生產(chǎn)。此外，脫除的VOC被捕獲于密閉容器內(nèi)，其可在現(xiàn)場外被處理，被再加工以回收VOC組分(通常為胺類或醇類，如乙醇、甲醇、丙醇、丁醇或其異構(gòu)體)，或被作為燃料燃燒。以這種方式捕獲VOC排放物大大地降低了商業(yè)規(guī)模使用硅烷對環(huán)境的影響，且可使某些工藝更好地符合當?shù)氐目諝赓|(zhì)量法規(guī)。
圖3圖示了示例性的硅烷水解反應(yīng)300，在反應(yīng)300中，一實施方式的硅烷化合物302在酸或堿催化劑306的存在下，與水304反應(yīng)，形成硅烷醇308和一種或多種醇類310如乙醇。如圖3所示，硅烷化合物302含有與4到12個碳，優(yōu)選為8個碳的烴鏈(R)結(jié)合的硅原子。在一些實施方式中，烴鏈(R)具有與其連接的一個或多個疏水性官能團。硅烷化合物也包括三個水解基團(R1)，每一個包含具有1到4個碳的碳鏈。水解基團被構(gòu)造來水解并形成親水性官能團如-OH，其適于與基材上的親水基團如纖維素纖維上的羥基結(jié)合。在一實施方式中，親水性官能團(OH)與基材結(jié)合之后，長碳鏈(R)通常為疏水性且有助于排斥基材的水。
圖4為流程圖，示意地圖解說明了生產(chǎn)一種纖維水泥制品的工藝400，在此工藝中，優(yōu)選實施方式的低VOC硅烷醇添加劑被用于處理引入該制品的纖維素纖維，以降低該制品的滲水性。如圖4所示，工藝400開始于步驟410，在此步中，纖維素纖維用低VOC硅烷醇添加劑處理，以賦予纖維疏水性。優(yōu)選地，硅烷醇具有疏水性的和親水性的官能團，使得親水性的官能團如-OH直接結(jié)合和束縛纖維表面的羥基，而疏水性的官能團排斥纖維表面的水。在一實施方式中，通過直接把添加劑加入漿料，硅烷醇添加劑被應(yīng)用于纖維水泥漿混合物中的纖維素纖維。硅烷醇添加劑的劑量可以改變。在一實施方式中，劑量是爐子干燥的纖維素纖維重量的大約0.01％到50％。更優(yōu)選地，劑量比率是纖維重量的大約1％至10％。進一步優(yōu)選地，劑量比率是纖維重量的大約1％至5％。工藝400隨后進行步驟420，在此步驟中，含纖維素纖維的、用硅烷醇添加劑處理的混合物被形成為未固化的成型制品。未固化的成型制品可以使用hatschek機器、擠壓工藝或類似工藝形成。未固化的成型制品隨后在步驟430形成固化的纖維水泥制品。纖維水泥制品生產(chǎn)方法的某些實施方式——其中纖維用低VOC硅烷醇添加劑處理——已在授予Merkley的美國專利6,676,745中披露，其全文在此作為參考并入。
表1提供了引入用硅烷醇添加劑處理的纖維、用常規(guī)硅烷處理的纖維以及引入未被處理的纖維的纖維水泥制品的某些物性對比。如表1所示，與引入未經(jīng)任何處理的纖維的同樣制品相比，用硅烷醇添加劑和硅烷處理的纖維水泥制品顯示出顯著降低的滲水性、毛細作用和水分運動(moisture movement)。表1也顯示，與引入被硅烷處理過的纖維的相同纖維水泥制品相比，引入被硅烷醇處理過的纖維的樣品顯示出更大的凍融MOE保留率。
表1用硅烷醇、硅烷處理的纖維和用未被處理的纖維增強的纖維水泥制品的性能對比
硅烷常常在各種表面處理應(yīng)用中被用作添加劑。硅烷處理過程典型地包括硅烷在水中水解形成硅烷醇，硅烷醇為含有一個或多個Si-OH基團的化合物。已知，硅烷水解反應(yīng)釋放作為副產(chǎn)物的VOC如乙醇。硅烷處理工藝的VOC排放物已經(jīng)是一個普遍的環(huán)境問題，且必須被恰當?shù)乜刂坪吞幚?。典型地，對于硅烷處理操作，不得不獲得特別的許可和裝置，以在現(xiàn)場適宜地處理VOC。本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了一種低VOC硅烷醇添加劑，其可以被用于各類工業(yè)硅烷處理工藝，使VOC排放在生產(chǎn)現(xiàn)場需要較少的關(guān)注。此外，在常規(guī)的硅烷處理工藝中，硅烷加入溶液中并且然后在與基材表面反應(yīng)前水解。因為硅烷水解有一個相對慢的反應(yīng)速率，因此大量的硅烷時常保持未反應(yīng)，導(dǎo)致低的生產(chǎn)效率和損失。在使用漿液脫水工藝如Hatcheck工藝或Fourdrinier工藝生產(chǎn)纖維水泥制品或其他含纖維素纖維的復(fù)合材料時，這尤其是一個問題。有利地，優(yōu)選實施方式的硅烷醇添加劑可以被加入水漿中，直接與漿液中的有機和無機填料、纖維、水泥或其他材料反應(yīng)。這加速和提高了硅烷處理工藝的效率，因為硅烷水解反應(yīng)已經(jīng)進行完全。
如上描述的硅烷醇添加劑和生產(chǎn)方法的優(yōu)選實施方式在許多工業(yè)上具有實用性，包括但不限于建筑產(chǎn)品、混凝土、紡織品、油墨、油漆、涂料、紙張、膠粘劑、紙漿和紙纖維、植物纖維、木材和木質(zhì)復(fù)合產(chǎn)品的生產(chǎn)。上述圖解和描述的實施方式作為本發(fā)明某些優(yōu)選實施方式的實施例被提供。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)在此提供的實施方式可以進行各種改變和改進，而不偏離本發(fā)明的精神和范疇。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)低VOC含量的硅烷醇添加劑的方法，包括提供含硅烷化合物和催化劑；傳送預(yù)定量的所述含硅烷化合物和所述催化劑中的每一種到混合容器中；在所述混合容器中將所述含硅烷化合物和所述催化劑與水混合；按預(yù)定的工藝條件在所述催化劑的幫助下水解所述含硅烷化合物，從而形成含有硅烷醇和一種或多種揮發(fā)性有機化合物(VOC)的混合物；和從所述混合物中脫除至少基本部分所述VOC，以便形成低VOC硅烷醇添加劑。
2.按照權(quán)利要求
1所述的方法，還包括在生產(chǎn)工藝中使用所述低VOC硅烷醇添加劑。
3.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述低VOC硅烷醇添加劑按重量計含有大約90％或以上的硅烷醇。
4.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中從所述混合物中脫除至少基本部分VOC包括從所述混合物中按重量計脫除大約50％或更多的所述VOC。
5.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述VOC選自醇類、胺類和其混合物。
6.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述含硅烷化合物選自正辛基乙氧基硅烷、正辛基甲氧基硅烷、硅烷、烷氧基硅烷、烷基烷氧基硅烷、鹵代有機硅烷、羧化有機硅烷、環(huán)氧烷氧基硅烷、有機硅乳液和其混合物。
7.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述催化劑選自硫酸、鹽酸、硝酸、乙酸、甲酸、檸檬酸、磷酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氫氧化鋰、氫氧化鎂、氫氧化鈹和其混合物。
8.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述催化劑以這樣的方式促進所述硅烷的水解，使得所述水解反應(yīng)時間大約為無所述催化劑幫助時同等水解反應(yīng)的反應(yīng)時間的五分之一。
9.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述催化劑以這樣的方式促進所述硅烷的水解，使得所述混合物中的所述含硅烷化合物有不超過大約5％的所述硅烷未被水解。
10.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中提供所述含硅烷化合物和催化劑包括在獨立的大儲存容器內(nèi)分批放置所述化合物和催化劑。
11.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中從所述混合物中脫除所述VOC包括使用掃壁轉(zhuǎn)膜分離器從所述混合物中脫除所述VOC。
12.按照權(quán)利要求
11所述的方法，其中所述混合物以大約1磅/分鐘或更高的流速并在大約為40-60℃的溫度下，在真空下被引入所述掃壁轉(zhuǎn)膜分離器中，所述分離器具有大約0.5m2-10m2的表面積。
13.按照權(quán)利要求
2所述的方法，還包括將所述低VOC硅烷醇溶液作為添加劑用于選自下述的生產(chǎn)過程纖維水泥生產(chǎn)、紙漿和紙張生產(chǎn)、紡織品生產(chǎn)、照相紙生產(chǎn)、建筑產(chǎn)品生產(chǎn)、油墨生產(chǎn)、礦物材料加工和改性，以及壓敏膠帶生產(chǎn)。
14.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中傳送到所述混合容器的所述含硅烷化合物的預(yù)定量按重量計占所述混合容器中所述含硅烷化合物、催化劑和水的總重量的大約0.1％-75％。
15.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中傳送到所述混合容器的所述催化劑的預(yù)定量按重量計占所述混合容器中所述含硅烷化合物、催化劑和水的總重量的大約0.01％-20％。
16.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述脫除的VOC被放于廢料容器中，用于非現(xiàn)場的處理、回收或作為燃料使用。
17.按照權(quán)利要求
10所述的方法，其中所述含硅烷化合物和催化劑的所述儲存容器通過管線與所述混合容器相連，使得所述含硅烷化合物和催化劑可以直接從所述各自的儲存容器傳送到所述混合容器。
18.按照權(quán)利要求
11所述的方法，其中所述混合容器通過管線與所述分離器相連，使得所述含有硅烷醇的混合物可以被直接輸送到所述分離器，以脫除所述VOC。
19.按照權(quán)利要求
2所述的方法，其中所述低VOC硅烷醇添加劑被加到處理纖維素纖維的工藝中，以增加所述纖維的疏水性。
20.按照權(quán)利要求
2所述的方法，其中所述低VOC硅烷醇添加劑被加到處理無機基材的工藝中，以改進所述基材的一個或多個性能。
21.按照權(quán)利要求
2所述的方法，其中所述低VOC硅烷醇添加劑被加到處理紡織品纖維的工藝中，以賦予所述纖維疏水性。
22.按照權(quán)利要求
2所述的方法，其中所述低VOC硅烷醇添加劑被加到纖維水泥漿中，用于處理所述漿液中的所述纖維。
23.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述低VOC硅烷醇添加劑被加到生產(chǎn)膠粘劑的工藝中。
24.一種生產(chǎn)低VOC含量的硅烷醇溶液的方法，包括提供含硅烷化合物和催化劑；傳送預(yù)定量的所述含硅烷化合物和所述催化劑中的每一種到混合罐中；在所述混合罐中用機械攪拌器將所述含硅烷化合物和所述催化劑與水混合；按預(yù)定的工藝條件在所述催化劑的幫助下水解所述含硅烷化合物，從而形成含有硅烷醇和一種或多種揮發(fā)性有機化合物(VOC)的混合物，所述混合物具有大約1加侖或更大的體積；和從所述混合物中脫除至少基本部分所述VOC，以形成低VOC硅烷醇溶液。
25.按照權(quán)利要求
24所述的方法，其中從所述混合物中脫除至少基本部分所述VOC包括用分離器從所述混合物中脫除醇類VOC。
26.按照權(quán)利要求
24所述的方法，其中提供所述含硅烷化合物和催化劑包括在獨立的儲存罐內(nèi)分批放置所述化合物和催化劑。
27.按照權(quán)利要求
27所述的方法，其中所述混合罐以這樣的方式與所述分離器相互連接，使得含有硅烷醇和VOC的所述混合物可以以預(yù)先選定的速率被傳送到所述分離器中。
28.按照權(quán)利要求
26所述的方法，其中所述VOC被脫除并儲存于廢料儲存容器內(nèi)。
29.按照權(quán)利要求
29所述的方法，其中所述分離器與所述廢料儲存容器流動相連，使得脫除的VOC可以被直接從所述分離器輸送到所述容器中。
30.一種生產(chǎn)纖維增強水泥復(fù)合材料的方法，包括提供基本上無醇的硅烷醇添加劑；將所述硅烷醇添加劑加到含纖維素纖維的纖維水泥漿中，所述硅烷醇添加劑以提高所述纖維疏水性的方式處理所述纖維；將所述纖維水泥漿形成具有預(yù)先選定形狀和尺寸的纖維水泥制品；和固化所述纖維水泥制品，以形成所述纖維水泥復(fù)合材料。
31.按照權(quán)利要求
30所述的方法，其中所述硅烷醇添加劑按重量計大約為所述纖維素纖維干重的0.5％到10％。
32.按照權(quán)利要求
31所述的方法，其中所述硅烷醇添加劑中的所述硅烷醇具有親水性和疏水性的官能團，使得所述親水性的官能團結(jié)合所述纖維素纖維表面的羥基，所述疏水性的官能團排斥那里的水。
33.按照權(quán)利要求
32所述的方法，其中所述具有預(yù)先選定形狀和尺寸的纖維水泥制品是通過選自下述的漿液脫水工藝制得的Hatschek、Fourdrinier、Mazza和Magnani。
34.按照權(quán)利要求
32所述的方法，其中所述具有預(yù)先選定形狀和尺寸的纖維水泥制品是通過選自下述的糊料形成工藝制得的擠出、擠拉、復(fù)合擠壓、注射成型、滾軋成形或澆鑄。
35.一種處理親水性表面以增加所述表面防水性的方法，包括提供含有硅烷醇的預(yù)制溶液，所述溶液按重量計含有大約50％或以上的硅烷醇；和在一定條件下將所述溶液應(yīng)用于所述表面，使得所述硅烷醇與所述表面上的親水性官能團反應(yīng)，以束縛住所述親水性官能團，導(dǎo)致所親水性表面具有增加的防水性。
36.按照權(quán)利要求
35所述的方法，其中所述親水性表面包括纖維素纖維的表面。
37.按照權(quán)利要求
35所述的方法，其中所述親水性表面包括選自下述的無機材料的表面沙子、硅石粉、粘土、硅酸鈣、水合硅酸鈣、碳酸鈣、珍珠巖、火山灰、底灰、飄塵、高爐礦渣、硅藻土、無定形硅石、米殼灰、玻璃、陶瓷、硅酸鹽、鋁硅酸鹽礦物和其混合物。
38.按照權(quán)利要求
35所述的方法，其中提供所述預(yù)制溶液包括使硅烷與水反應(yīng)，形成含有硅烷醇和乙醇的水溶液，和從所述水溶液中脫除至少基本部分所述乙醇。
39.一種按重量計含有大約50％或以上硅烷醇的溶液，所述溶液含有包括疏水性和親水性基團的硅烷醇化合物，所述親水性基團適合與親水表面結(jié)合，導(dǎo)致所述表面變得更具疏水性。
40.按照權(quán)利要求
38所述的溶液是水溶液。
41.按照權(quán)利要求
38所述的溶液基本上無醇。
42.按照權(quán)利要求
38所述的溶液，其按重量計含有不超過大約25％的硅烷。
專利摘要
提供低VOC硅烷醇添加劑，用于許多硅烷處理操作，包括在纖維水泥應(yīng)用中處理纖維素纖維。硅烷醇添加劑是在催化劑存在下水解硅烷，然后基本上脫除所有VOC如醇制得的，VOC是通過該水解反應(yīng)釋放的，以生產(chǎn)低VOC和/或基本上無醇的硅烷醇添加劑。低VOC硅烷醇添加劑可以被用于各種工業(yè)過程而不增加生產(chǎn)設(shè)備的VOC排放物。硅烷醇添加劑可直接應(yīng)用于被處理的表面，以減少大多數(shù)常規(guī)的硅烷處理工藝中水解硅烷所需要的反應(yīng)時間。硅烷醇添加劑可被加入到含有被處理基材的溶液中或直接作為表面處理劑應(yīng)用。
文檔編號C07F7/00GK1997653SQ20048004354
公開日2007年7月11日 申請日期2004年7月12日
發(fā)明者D·勒脫斯, C·羅, D·J·默克萊 申請人:詹姆斯哈迪國際財金公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan