一鍋法制備含硫硅烷偶聯(lián)劑TESPT

吳海鷹,戴子林,朱淮軍,高麗霞,孔振興

(廣東省稀有金屬研究所化工材料中心，廣東 廣州 510651)

含硫硅烷偶聯(lián)劑TESPT，化學(xué)名稱為雙-3-(三乙氧基硅烷)丙基四硫化物，俗稱Si-69，目前，廣泛應(yīng)用于高檔橡膠制品生產(chǎn)及金屬防腐制品之中，主要起到分散、硫化、滑濕、防護(hù)等重要作用[1-6]。含硫硅烷偶聯(lián)劑制備主要是通過鹵代烴烷氧基硅烷(如γ-氯丙基三乙氧基硅烷)與堿金屬的多硫化物(如多硫化鈉)的反應(yīng)制得。按照堿金屬的多硫化物的反應(yīng)介質(zhì)，可將其分為無水體系和水相體系[7-9]。自含硫硅烷偶聯(lián)劑問世以來，科研人員一直在不斷改善工藝提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、消除環(huán)境污染上下功夫，目前使用水相合成法正在成為上升發(fā)展趨勢[10-12]。

本文以氫氧化鈉、γ-氯丙基三乙氧基硅烷和硫磺為原料，以季銨鹽作相轉(zhuǎn)移催化劑，在水相中一鍋法合成Si-69，該法工藝簡單，反應(yīng)時間短，生產(chǎn)成本低，未見報道。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

氫氧化鈉、γ-氯丙基三乙氧基硅烷、硫磺均為工業(yè)級；四甲基溴化銨(TMAB)、四丁基溴化銨(TBAB)、四甲基氯化銨(TMAC)、四丁基氯化銨(TBAC)、芐基三乙基氯化銨(TEBAC)、十二烷基三甲基氯化銨(DTAC)等季銨鹽均為化學(xué)純。

Nicolet Is10型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)。

1.2 合成原理及方法

先是氫氧化鈉與硫磺在水相中發(fā)生岐化反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：

6NaOH+10S=2Na2S4+Na2S2O3+3H2O

然后Na2S4與γ-氯丙基三乙氧基硅烷發(fā)生縮合反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：

Na2S4+2Cl(CH2)3Si(OC2H5)3=S4[(CH2)3Si(OC2H5)3]2+2NaCl

1.3 實驗步驟

在500 mL三口燒瓶中加入氫氧化鈉，加蒸餾水溶解。加入硫磺粉，開啟攪拌并加熱升溫,70 ℃反應(yīng)1 h。加入相轉(zhuǎn)移催化劑，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，滴加γ2，1 h滴加完后，85 ℃保溫0.5 h，停止加熱，待反應(yīng)液溫度降至室溫，停止攪拌,并將反應(yīng)液轉(zhuǎn)入分液漏斗靜置分液。分去下層水相，油相用無水硫酸鈉脫水、活性炭脫色、真空過濾，最后控制料溫160 ℃及真空度為0.09 MPa以上條件下減壓蒸餾,得產(chǎn)品。

1.4 產(chǎn)品硫含量分析

參照GB/T 4497—2010中“工業(yè)品Si-69的全硫含量測定方法-氧瓶燃燒法”進(jìn)行。將試樣在充滿氧氣的燃燒瓶中燃燒，用過氧化氫吸收二氧化硫轉(zhuǎn)化成硫酸，用氯化鋇標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至指示劑變色，進(jìn)行硫含量計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 多硫化鈉水溶液制備對反應(yīng)的影響

氫氧化鈉水溶液中加入硫粉高溫反應(yīng)生成多硫化鈉Na2Sx水溶液，反應(yīng)開始時溶液呈淺黃色，隨著反應(yīng)進(jìn)行溶液顏色逐漸加深，最終轉(zhuǎn)變?yōu)檠t色。將得到的多硫化鈉溶液用于Si-69的合成，采用正交實驗研究了氫氧化鈉與硫粉的配料比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間及氫氧化鈉濃度對產(chǎn)物的收率及硫含量的影響，因素及水平見表1，結(jié)果見表2。

表1 多硫化鈉制備實驗因素和水平Table 1 Experimental factors and levels of preparation of sodium polysulfide

表2 正交實驗結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental results

由表2可知，原料配比對產(chǎn)品硅烷偶聯(lián)劑收率影響最大，其次是氫氧化鈉濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間。多硫化鈉水溶液Na2Sx中X在不同反應(yīng)條件下取值不同，大約有2～5的取值[13]，較佳制備Na2S4條件為A2B3C3D2，即原料配比氫氧化鈉∶硫磺質(zhì)量比為1∶1.33，氫氧化鈉濃度為25%，反應(yīng)溫度為70 ℃,反應(yīng)時間1 h。

2.2 γ-氯丙基三乙氧基硅烷加入方式對反應(yīng)影響

由于Na2S4水溶液與原料γ2互不相溶分為水相和有機(jī)相，二者反應(yīng)屬于非均相反應(yīng)，實驗中加季銨鹽(QX)作相轉(zhuǎn)移催化劑，多硫化鈉水溶液中S42-離子與加入到水中季銨鹽(QX) Q+離子先是發(fā)生離子交換形成Q2S4，然后Q2S4進(jìn)入有機(jī)相，與γ2發(fā)生縮合反應(yīng)生成Si-69。由于相轉(zhuǎn)移催化劑加入量只占γ2質(zhì)量的2%，如果γ2一次性加入，這樣會造成未反應(yīng)的γ2與水接觸機(jī)會大大增加，發(fā)生水解程度大；采用滴加方式控制γ2加入速度，使得加入的γ2只與Q2S4發(fā)生縮合反應(yīng)生成Si-69，避免水解反應(yīng)發(fā)生。另外，產(chǎn)物Si-69含有烷氧基團(tuán)在水中也會發(fā)生水解，生成硅醇，硅醇還會進(jìn)一步縮合，形成聚硅氧烷。研究發(fā)現(xiàn)，烷氧基團(tuán)水解程度跟溶液pH及溫度密切相關(guān)[14]，它們不水解酸堿范圍在5～11之間，溫度越高越易水解聚合，因此反應(yīng)過程中如何控制體系pH值的范圍及溫度等直接關(guān)系到反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物的成敗。實驗發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉與硫磺發(fā)生岐化反應(yīng)后溶液pH為11，隨著γ2加入pH值逐漸降低，當(dāng)多硫化鈉與γ2縮合完時,溶液pH已降至接近5以下，因此為了防止水解縮合副反應(yīng)發(fā)生，當(dāng)多硫化鈉與γ2完全縮合時，溶液變成淺黃色。應(yīng)停止加熱降溫。

2.3 縮合反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響

在優(yōu)化條件下得到的四硫化鈉溶液中，按原料配比γ2∶硫磺∶氫氧化鈉為4.06∶1.33∶1.00加入γ2，催化劑占γ2質(zhì)量的2%,歧化反應(yīng)溫度為70 ℃，反應(yīng)時間50 min,不同縮合反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間所得產(chǎn)品情況見表3。

表3 縮合反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響Table 3 Effect of reaction temperature and reaction time on the reaction

由表3 可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，產(chǎn)品的收率逐漸增大，但當(dāng)溫度達(dá)到85 ℃以上時，繼續(xù)升高溫度，產(chǎn)品的顏色加深，且收率下降，這可能是溫度高產(chǎn)品分解所致；反應(yīng)溫度低，反應(yīng)時間再長，反應(yīng)還是不充分，使得產(chǎn)品收率偏低。 綜合考慮，滴加γ2，控制縮合反應(yīng)溫度在85 ℃左右，反應(yīng)時間為1.5 h比較合適。

2.4 催化劑對反應(yīng)的影響

在優(yōu)化條件下得到的四硫化鈉溶液中，按原料配比γ2∶硫磺∶氫氧化鈉為4.06∶1.33∶1.00加入γ2，控制歧化反應(yīng)溫度為70 ℃，反應(yīng)時間50 min，縮合反應(yīng)溫度85 ℃和反應(yīng)時間1.5 h下，不同催化劑(占γ2質(zhì)量的2%)所得產(chǎn)品收率見表4。

表4 催化劑對產(chǎn)品收率的影響Table 4 Effect of catalysts on product yield

由表4可知，在相同條件下，催化劑選用四丁基氯化銨為主復(fù)配季銨鹽，產(chǎn)物收率處于較高水平，因此，較佳的相轉(zhuǎn)移催化劑為四丁基氯化銨復(fù)配季銨鹽。

2.5 產(chǎn)品紅外光譜表征

含硫硅烷偶聯(lián)劑TESPT的紅外光譜見圖1。

圖1 含硫硅烷偶聯(lián)劑TESPT的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectrum of sulfur-containing silane coupling agent

由圖1可知,2 973 cm-1處為SiO CH2CH3中CH3的非對稱伸縮振動峰，2 926 cm-1處為CH2的非對稱伸縮振動峰，2 887 cm-1處為CH3的對稱伸縮振動峰，1 078,961 cm-1處為SiOCH2CH3基團(tuán)中SiO非對稱伸縮振動峰,1 166 cm-1處為CH2CH3搖擺振動峰，1 298,1 244 cm-1處為 CH2搖擺振動峰，788 cm-1處為 Si—C的伸縮振動峰，478 cm-1處為指紋區(qū)，可能是 S—S鍵的對稱伸縮振動峰。總之，吸收峰與產(chǎn)物分子中所含的基團(tuán)是對應(yīng)的。

3 結(jié)論

采用相轉(zhuǎn)移催化法一鍋制備了含硫硅烷偶聯(lián)劑TESPT，催化劑選用復(fù)配四丁基氯化銨，以氫氧化鈉和硫磺為原料，在70 ℃下，發(fā)生岐化反應(yīng)制備四硫化鈉水溶液，在該溶液中滴加γ-氯丙基三乙氧基硅烷，在85 ℃下采用相轉(zhuǎn)移催化縮合成雙-3-(三乙氧基硅烷)丙基四硫化物，當(dāng)原料γ-氯丙基三乙氧基硅烷∶硫磺∶氫氧化鈉質(zhì)量比為 4.06∶1.33∶1.00 時，所得產(chǎn)品硫含量為22.7%，收率達(dá)95.6%。