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NEDO与关西大学,开发出用于制造高性能有机硅材料的氧化铁纳米颗粒催化剂

2019年04月23日 化学材料
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日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)与关西大学合作,开发出了用于制造高功能有机硅材料的氧化铁纳米颗粒催化剂。通过取代以往的铂催化剂,能在硅烷偶联剂等有机硅材料的制造过程中,大幅削减所需能源和成本。

此次开发的催化剂只需很少的量就具备高活性,而且能通过简单的操作回收利用、可以根据温度变化控制反应。另外,还能作为各种硅烷偶联剂的合成催化剂使用,比如用作汽车的低燃耗轮胎用添加剂等。

硅烷偶联剂和硅酮等有机硅材料与通用的碳基聚合物材料相比,具有出色的耐热性、耐寒性、耐光性、电绝缘性、脱模性和防水性,从洗发水、化妆品、厨房用品、隐形眼镜、低燃耗轮胎及LED灯泡等生活用品,到绝缘油、脱模剂、密封剂及涂料等工业用品,被广泛应用于多种用途。

目前,有机硅材料在制造过程中一般使用铂催化剂,但由于铂是昂贵的稀有金属,而且残留的铂会造成材料性能降低等原因,产品用途有限。

此次开发的氧化铁纳米颗粒催化剂的结构如下:氧化铁聚集在一起构成直径数nm的纳米颗粒,其周围被DMF(N,N-二甲基甲酰胺)包覆(图1)。另外,这种催化剂只需很少的量就具有高活性,而且能通过简单的操作回收利用,可以根据温度变化控制反应。不仅如此,还能作为各种硅烷偶联剂的合成催化剂使用,比如用作汽车的低燃耗轮胎用添加剂等。

开发出用于制造高性能有机硅材料的氧化铁纳米颗粒催化剂

图1:DMF保护起来的氧化铁纳米颗粒示意图

通过详细解析在催化反应过程中纳米颗粒催化剂的凝聚和缔合及结构和成分等的变化对催化活性的影响,成功使其对有机硅材料的合成法中最常见的氢化硅烷化反应显示出了高活性。特点是,无需使用普通催化剂需要的保护剂、分散剂和还原剂,只需在DMF溶液中进行加热搅拌即可发生反应,所以能轻松进行催化剂合成(图2左侧)。

开发出用于制造高性能有机硅材料的氧化铁纳米颗粒催化剂

图2:有机硅材料制造流程的特点

对于以往制造有机硅材料时的难点——温控反应,新催化剂的特点是可作为温度刺激响应型催化剂使用,60℃时不发生反应,而到100℃时能高效反应(图2中央)。由此,可以有效抑制使用铂等以往的氢化硅烷化催化剂时存在的问题,比如过度反应、副反应和变色等,能以高稳定性高度控制使用催化剂的生成物反应。

通过利用己烷溶液进行提取,能轻松分离和回收制造有机硅材料时生成的目标反应物和副产物,有助于通过回收利用降低催化剂成本(图2右侧)。此外还能抑制生成物中的催化剂残留(混合),提高有机硅材料的性能。通过对催化剂进行提取分离,无需再像以前那样消耗大量能源对有机硅材料进行蒸馏分离,能大幅节省能源和削减制造成本。(日文发布全文

文:JST客观日本编辑部

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