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卡斯特(Karetedt)催化劑在合成型流體硅橡膠中的研究與應用
2014-07-21         
一、前言
隨著貴金屬絡合物的研究的發(fā)展,特別是鉑有機絡合物在催化反應的研究與應用受到廣泛的重視。


1957 年美國Dow Coring公司的報道了Pt、Rh、Ir 的氯化物是硅氫加成的有效的均相催化劑,人們對過渡金屬不同結構的化合物,特別是與不同配體作用的絡合物進行了研究。所有研究表明,過渡金屬化合物及其絡合物是硅氫加成反應的有效催化劑,其正常的硅氫加成催化劑反應活性為:Pt>Rh>Ir=Ru>Os,Pd。因此,催化劑的研究工作主要集中在Pt 催化劑上。1973 年 Karstedt.β.D 在(Gern Offen 2307085,1973) 發(fā)表了他的高活性鉑絡合物催化劑的論文,說明了 Pt0 的路 和五也是有效的硅氫加成催化劑。1997 年 Lewis 等用透射電鏡研究了硅氫加成反應后期的 鉑催化劑溶液,發(fā)現了膠體鉑的存在。Lewis 認為 Karstedt 催化劑應用于硅氫加成反應,Si 上的乙烯基的還原作用,以 及 Si—Cl 形成的強烈的熱力學傾向最終使鉑氯化物中的高 價鉑還原為零價鉑


二、Karstedt 催化劑的制備


Karstedt 催化劑的制法案例在黃文潤和來國橋的論文和書中均有詳細介紹,在此只介紹 Karstedt 催化劑的一般制法。向10份氯鉑酸,20份1,3—二乙烯基四甲基二硅氧烷中加入20份碳酸鈉和50份乙醇,將該混合物進行攪拌并回流30分鐘,注意反應溫度不要超過70℃,然后將其靜置15小時,再講混合物過濾、減壓蒸餾除低沸物,得到17份液體,此為鉑一二乙烯基四甲基二硅氧烷絡合物催化劑。這類催化劑根據需要可選用不同的載液(Carrier)如二甲苯,八甲基四硅氧烷,線型硅氧烷,環(huán)形硅氧烷等。Karstedt 催化劑是用氯鉑酸制備的,氯鉑酸中的Pt4+,而Karstedt催化劑的高活性是來源于Pt0,Pt4+怎么變成Pt0 Lewis等認為Karstedt催化劑應用于硅氫加成反應中,Si上乙烯基的還原作用,使鉑氯化物的高價鉑還原為零價鉑。
三、Karstedt 催化劑的結構


Karstedt催化劑是鉑在零價狀態(tài)下與二乙烯基四甲基二硅氫烷形成配合物。


四、Karstedt 催化劑的主要應用領域:


1、硅氫加成反應


2、加成型室溫硫化橡膠


3、加成型流體硫化硅橡膠


4、硅氫加成有兩種方式:即馬兒可尼可夫與反馬兒可尼可 夫,這兩種方式得出兩種產品


B 加成型硅橡膠:


在硅橡膠硫化過程中,乙烯基硅油和含氫硅油在鉑均相催化劑的作用下,在室溫或者高溫(>100℃)下,含氫硅油中的氫原子,主要加到更多取代基(即氫原子少)的雙鍵原子上。


五、Karstedt 催化劑的主要優(yōu)點


1、與過氧化物體系的比較:Karstedt 催化劑的優(yōu)點:


? 更優(yōu)的硫化加成溫度;


? 無腐蝕性酸性副產物產生;


? 無過氧化物降解副產物;


? 適用于硫化加成不同的反應條件


2、與 Speier 催化劑硫化體系的比較


? 均相,適用于在不同溶劑中反應


? 更高的反應活性,催化劑更穩(wěn)定,且不易泛黑


? 適用于更廣泛的反應溫度


? 無腐蝕性氯化氫氣體產生


六、影響 Karstedt 催化劑活性的主要因素


1、鉑的價態(tài):零價鉑最活潑;有時存在少量 Pt2+


2、氧的存在與否:氧能加速硅氫化反應,從硅氫加成反應機理可知,氧為助劑。


3、抑制劑(Inhibitors)和延緩劑劑(Retarders)的效能,根據生產需適用抑制劑或延緩劑來抑制或者延緩硅氫 化反應的進行。一般采用有機過氧化物,甲基異丁炔醇類化合物,其他 低沸點乙炔醇,四乙烯基四甲基環(huán)四硅氧烷,腈類化合物等。


4、抑制劑或延緩劑的用量:一般使用量為液體硅橡膠的1-5%。為減緩或停止鉑硫化過程,在100g 聚合物中加1—3滴抑制劑,即達到目的。普遍的抑制劑和延緩劑:為乙烯基硅氧烷,乙炔醇,二甲基富馬酸。但以乙烯基甲基環(huán)硅氧烷的使用最方便,該類環(huán)狀化合 物無嗅無味,性能穩(wěn)定,便于儲存。


七、使 Karstedt 催化劑中毒的毒物及中毒原因


和普通鉑類催化劑一樣,有些化合物能使 Karstedt 催化 劑中毒而失去催化能力。毒物有三類:


1、周期表中ⅤA 和ⅥA 族非金屬元素及其化合物(如硫,氮,磷的元素化合物)。這些元素或化合物都有孤對電子,易和鉑金屬的d軌道電子相結合,形成強吸附鍵,使鉑催化劑中毒。


2、具有不飽和鍵的毒物:其中毒原理也是π鍵上的電子進 入到 Pt 的 d 軌道上,使 Pt 的 d 空穴降低。


3、金屬或金屬離子:如 Au 和 Pt 相作用,Au 內外層 S 上電 子填充到 Pt 內 d 軌道中,使 Pt 的 d 空穴降低。我們曾在鉑的催化加成反應中注射 1.0μL 的二硫化碳和環(huán) 己烷(1:200)的混合物或注射 1.0μL 噻吩和環(huán)己烷(1:100) 的混合物。催化劑的活性迅速下降,這是因為二硫化碳和噻 吩使鉑催化劑中毒所致。


八、使用 Karstedt 催化劑時的注意事項


1、應用Karstedt 催化劑時要先清除原料和反應體系中。如果在體系中對毒物無法清除,在此情況下,宜先用含氫硅油涂布于含毒物質的基材表面,再進行硫化。


2、應用Karstedt催化劑進行加成型流體硅橡膠硫化時,注意控制硫化溫度,防止溫度過高,因為在高溫反應時,有時會析出鉑,甚至更嚴重。


3、進行硫化反應時,應將催化劑加入到含不飽和鍵的物質中,將含Si—H的反應物滴加到硫化體系中,或者將兩種反應物充分攪拌混勻后,再加催化劑。


4、含 Si—H 鍵的物質(含氫硅油)過量一些較好。因為 Karstedt 催化劑也含催化 Si—H 鍵物質的脫氫反應。造成Si—H 鍵的損失,但含 Si—H 鍵物質的量與含鍵物質的比值過大,導致有機硅凝膠伸長率降低,硬度提高,一般控制在 1.1—1.4 的比值之間,對于硅橡膠比值控制在1.4—1.8 之間較好。


九、應用 Karstedt 催化劑制備室溫模具硅橡膠的實例


1、兩組分體系


A 組分:Karstedt 催化劑與乙烯基硅油一起混合,以使催化 劑的功效最佳。


B、含氫硅油和乙烯基硅油混合在一起,充分攪拌均勻


? A 組分與 B 組分分開稱重,充分攪拌均勻


? 將 3 份 A 組分和 1 份 B 組分充分混合攪拌,在室溫下 4—6 小時硫化完成。


2、膠的物理性質:


(1)邵兒 A 硬度:20—30;


(2)抗拉伸強度:3.5Mpa(500psi);


(3)彈性:400—500%;


(4)抗撕裂強度:16N/mm


十、應用 Karstedt 催化劑制備光學涂料的實例


1、兩組分體系:


A 組分(基礎料) B 組分(交聯劑)


乙烯基硅油 42g 含氫基硅油 10g


填充料 58g


Karstedt催化劑0.02g


鉑催化劑型號:TL—104


? A 組分與 B 組分分開稱重 ,并充分攪拌均勻;


? 將 10 份 A 組分與 1 份 B 組分充分混合均勻,在 150 ℃硫 化 20 分鐘。


2、光學涂料的物理性質:


(1)邵兒 A 硬度:≥18 ;


(2)光學折射率(25℃):1.4066±0.0005。


十一、鉑催化劑在硅氫加成反應中的作用機理


1964 年 Horrod 和 Chalk 提出了符合經典有機金屬理論的配位加成機理,Chalk—Harrod不能解釋二價和低價鉑催化劑的誘導期的原因,反應過程中溶液的顏色發(fā)生變化,以及氧的助催化劑作用,于是美國GE公司的Welling等人提出了金屬膠體催化作用的機理:
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