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杭州包爾得改性硅油及硅表面活性劑的應用

發(fā)布日期:2021-07-30瀏覽次數: 次

杭州包爾得改性硅油及硅表面活性劑的應用

 


 

    一、概述

()、改性硅油

“改性硅油是指甲基硅油分子中的部分甲基被各種有機基取代,具有有機基與二甲基硅油相互影響性能的特種硅油?!保S文潤)如圖1。
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以上所列的硅油類(lèi)型,只是單一的有機基團改性的硅油。實(shí)際上,根據不同的應用需要,而由兩種或兩種以上基團同在一硅氧主鏈上組成的共聚物的產(chǎn)品還有更多。

“反應性硅油”與“非反應性硅油”之間也并非由著(zhù)明確的界限?!胺磻怨栌汀钡幕钚曰鶊F如果被封端,也就失去了反應性。反之,非活性硅油,如聚醚硅油,如果含有不封端的羥基,也就有了反應活性。

(二)表面活性劑

1、表面活性劑的概念

一定條件下的任何純液體都具有表面張力,20時(shí),水的表面張力為72.75mN·-1。當溶劑中溶入溶質(zhì)時(shí),溶液的表面張力因溶質(zhì)的加入而發(fā)生變化,水溶液表面張力的大小因溶質(zhì)不同而改變,如一些無(wú)機鹽可以使水的表面張力略有增加,一些低級醇則使水的表面張力略有下降,而肥皂和洗衣粉可使水的表面張力顯著(zhù)下降。使液體表面張力降低的性質(zhì)即為表面活性。表面活性劑是指那些具有很強表面活性、能使液體的表面張力顯著(zhù)下降的物質(zhì)。此外,作為表面活性劑還應具有增溶、乳化、潤濕、去污、殺菌、消泡和起泡等應用性質(zhì),這是與一般表面活性物質(zhì)的重要區別。

    2、表面活性劑的結構特征

表面活性劑分子一般由非極性烴鏈和一個(gè)以上的極性基團組成,烴鏈長(cháng)度一般在8個(gè)碳原子以上。極性基團可以是解離的離子,也可以是不解離的親水基團。極性基團可以是羧酸及其鹽、磺酸及其鹽、硫酸酯及其可溶性鹽﹑磷酸酯基﹑氨基或胺基及它們的鹽,也可以是羥基、酰胺基、醚鍵﹑羧酸酯基等。如肥皂是脂肪酸類(lèi)(R-COO-)表面活性劑,其結構中的脂肪酸碳鏈(R-)為親油基團,解離的脂肪酸根(COO-)為親水基團。

3、表面活性劑的吸附性

1)、表面活性劑分子在溶液中的正吸附

表面活性劑在水中溶解時(shí),當水中表面活性劑的濃度很低時(shí),表面活性劑分子在水-空氣界面產(chǎn)生定向排列,親水基團朝向水而親油基團朝向空氣。當溶液較稀時(shí),表面活性劑幾乎完全集中在表面形成單分子層,溶液表面層的表面活性劑濃度大大高于溶液中的濃度,并將溶液的表面張力降低到純水表面張力以下。表面活性劑在溶液表面層聚集的現象稱(chēng)為正吸附。正吸附改變了溶液表面的性質(zhì),最外層呈現出碳氫鏈性質(zhì),從而表現出較低的表面張力,隨之產(chǎn)生較好的潤濕性、乳化性、起泡性等。如果表面活性劑濃度越低,而降低表面張力越顯著(zhù),則表面活性越強,越容易形成正吸附。因此,表面活性劑的表面活性大小,對于其實(shí)際應用有著(zhù)重要的意義。

2)、表面活性劑在固體表面的吸附

表面活性劑溶液與固體接觸時(shí),表面活性劑分子可能在固體表面發(fā)生吸附,使固體表面性質(zhì)發(fā)生改變。極性固體物質(zhì)對離子表面活性劑的吸附在低濃度下其吸附曲線(xiàn)為S形,形成單分子層,表面活性劑分子的疏水鏈伸向空氣。在表面活性劑溶液濃度達臨界膠束濃度時(shí),吸附達到飽和,此時(shí)的吸附為雙層吸附,表面活性劑分子的排列方向與第一層相反,親水基團指向空氣。提高溶液溫度,吸附量將隨之減少。對于非極性固體,一般只發(fā)生單分子層吸附,疏水基吸附在固體表面而親水基指向空氣,當表面活性劑濃度增加時(shí),吸附量并不隨之增加甚至有減少的趨勢。 固體表面對非離子表面活性劑的吸附與前相似,但其吸附量隨溫度升高而增大,且可以從單分子層吸附向多分子層吸附轉變。

(三)、有機硅表面活性劑

“反應性”與“表面活性”是兩個(gè)不同的概念。通俗講,所謂“反應性”是指這一材料具有與其他材料產(chǎn)品產(chǎn)生分子鍵結合的性能。而“表面活性”,是指該材料具有“親水”、“親油”特性。

按化學(xué)物表面活性特征來(lái)看,凡聚二甲基硅氧烷(PDMS)中一部分甲基為碳官能團化合物所取代,如聚醚、氨基、環(huán)氧基、羧基、季銨基、磷酸酯基或由兩種基團同在一硅氧主鏈上組成的共聚物,都可看成有機硅表面活性劑。

 “有機硅表面活性劑”是近十幾年來(lái)活躍于國內材料工業(yè)市場(chǎng)的新型助劑。有機硅表面活性劑產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應用發(fā)展較快的原因,是迅速發(fā)育的市場(chǎng)需求,以及進(jìn)口產(chǎn)品已經(jīng)達到的優(yōu)良性能和應用配方技術(shù)在國內的普遍使用。

其中,聚醚接枝的聚二甲基硅氧烷(PDMSOPE),簡(jiǎn)稱(chēng)聚醚硅油是比較典型的一種。如圖2。
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本公司從1998起研制有機硅表面活性劑,并實(shí)現商品化。到目前,已經(jīng)開(kāi)發(fā)成系列配套產(chǎn)品。

聚醚系列包括:BD-3032、BD-3033、 BD-3034、 BD-3055、BD-3056、BD-3071、BD-3078、BD-3091、BD-3231、BD-3307、BD-3141。

氨基系列包括:BD-1007、BD-10076、BD-10077、BD-10079、BD-1007M。

配套的非活性硅油:BD-1206、BD-1806、BD-1206H、BD-3388、BD-3200。

二、有機硅表面活性劑的特性

1、表面活性和易展布性(低表面張力)

有機硅SAA的重要特性是它優(yōu)良的表面活性和易展布性。這一特性來(lái)源于聚二甲基硅氧烷的低表面張力和弱分子間作用力。硅原子在化合物中處于四面體中心。根據四面體結構,兩個(gè)甲基垂直于硅與兩相鄰氧原子連接的平面上;由于SIC鍵鍵長(cháng)較大,以至兩個(gè)非極性的甲基上的三個(gè)氫就像撐開(kāi)的傘,從而使它具有很好的疏水性。甲基上的三個(gè)氫原子由于甲基的旋轉占有較大空間,從而增加了相鄰硅氧烷分子之間的距離;分子間作用力與分子間距離的六次方成反比,故聚二甲基硅氧烷分子間作用力比碳氫化合物要弱得多。因此它的表面張力比相近摩爾質(zhì)量的碳氫化合物小,從而使硅氧烷在界面上易展布。聚二甲基硅氧烷鏈易展布與極性表面(如水、金屬、纖維等)的另一個(gè)原因是由于硅氧鏈中的氧能與極性分子或原子團形成氫鍵,增加了硅氧鏈與極性表面之間分子的作用力,促使其展布成單分子層;從而使疏水性的硅氧烷橫臥極性表面,呈特有的“伸展鏈”的構型。而普通的SAA的疏水基是直立于極性表面的。

有機硅SAA的上述特性,決定了這類(lèi)物質(zhì)具有易乳化、優(yōu)良的滲透性、與極性基材結合牢固、表面鋪展性好、成膜薄等特點(diǎn)。如果未作親水基的改性,則仍具有疏水性的特點(diǎn)。

2、耐溫性和耐水解性

有機硅表面活性劑中的親水基不能直接連接在硅氧鏈的硅原子上。直接連接在硅上的親水基易水解生成硅醇基,硅醇基能進(jìn)一步縮合或交聯(lián),從而導致有機硅表面活性劑化學(xué)結構的徹底破壞。所以,合成有機硅SAA一定要將疏水基和親水基通過(guò)隔離基連接。按疏水基與親水基連接基團的不同,聚醚硅油可分為:硅—氧—碳鏈—親水基型,硅—碳—親水基型兩種。前者通常做聚苯乙烯發(fā)泡工藝中的勻泡劑,也叫“親水硅油”。硅—氧—碳鏈—親水基型的聚醚硅油通常不宜在水存在下使用,因SIOC鍵易水解、縮合,導致有機硅表面活性劑結構破壞和性能消失,且不耐高溫。硅—碳—親水基型的有機硅表面活性劑,在水中分散穩定,不會(huì )水解??稍?/span>150以下長(cháng)時(shí)間使用;短時(shí)間內,也可到達200℃。

3、親水性

有機硅SAA的典型類(lèi)型,當屬聚醚硅油。由于在其分子鏈(側鏈或主鏈)上懸掛或嵌段聚醚基團,使之具有即親油又親水的特性。也即該油品不僅能與烷烴類(lèi)油性物質(zhì)互溶,而且極易在水中分散。這是一種極有應用價(jià)值的特性。

三、有機硅表面活性劑的應用

有機硅SAA除具有普通SAA潤濕、分散、起泡、消泡、抗靜電、乳化、滲透、柔軟、潤滑、增溶等性能外,還具有較高的表面活性、易展布性、生理惰性、耐候性、耐高溫性等特點(diǎn),這些特點(diǎn)使其在塑料、橡膠、紡織、涂料、醫藥、食品、石油、化工、農藥、化肥等領(lǐng)域有廣泛應用的前景。

(一)、涂料

涂料是一個(gè)寬泛的概念。包括水性、油性。油性的包括各類(lèi)單組份、雙組份室溫固化漆、高溫烤漆、UV光固化漆等,也包括PU涂層、粉末靜電涂層等。水性涂料包括建筑內外墻涂料、織物涂層膠、家具木器漆等。涂料還包括各類(lèi)油性、中性、水性油墨,如噴墨墨水、中性墨水、印刷油墨等。

涂料要解決的問(wèn)題,不外乎以下幾個(gè)方面:

1、體系自身的穩定性。如涂料體系各種成分的相容性(分散穩定性);懸浮穩定性(抗分層);防止顏料沉淀;合適的耐揮發(fā)性(防止過(guò)早干結或揮發(fā)過(guò)慢)。

2、體系與基材的結合牢固性。如防止涂膜脫落、起皮。

3、體系成膜的質(zhì)量。如合適的快干速度;流平性(防鏡框效應)、防表面桔皮、皺紋、麻點(diǎn)、縮孔、防止浮色及發(fā)花。

4、體系成膜后的表面功能。如涂膜色澤光亮程度(高光、啞光);涂膜的手感;可重涂要求;涂膜的耐候性(抗紫外線(xiàn)、防水、防油污)等。

因此,有機硅的涂料添加劑,大致為四類(lèi)。1、潤濕分散劑。2、流平劑。3、消泡劑。4、手感劑。其中1、2兩類(lèi),都是典型的硅表面活性劑,3、4兩類(lèi),則有不所同的情況。

作為有機硅助劑,在表達不同的功能時(shí),往往有相互矛盾的表現,比如,有機硅潤濕分散劑在賦予涂料優(yōu)良的潤濕分散效果,使涂料的穩定性、涂料與底材的結合力提高的同時(shí),卻難兼顧手感的光滑。又如,消泡劑由于其消泡原理基于與涂料的不相容性及破壞涂料起泡時(shí)的表面能的穩定,才達到消泡效果,所以,消泡劑可能帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題,即使涂膜產(chǎn)生縮孔、以及影響重涂性等問(wèn)題。再如,有機硅手感劑的作用原理,是由于有機硅基團能遷移到涂層表面,賦予涂層表面以有機硅的滑爽手感。而有機硅另一個(gè)特性是其隔離性,有可能會(huì )影響涂層的重涂性能。含聚醚基的有機硅消泡劑、手感劑基于克服上述問(wèn)題而設計,充分考慮到了它可能具有的負面效應。但在指導使用上,仍須考慮解決問(wèn)題的主次,以確定選擇合理的助劑,以達到一劑多能的效果。

根據我公司系列產(chǎn)品應用經(jīng)驗,將相關(guān)產(chǎn)品的性能圖示如(圖3):
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1、 
皮革

PU革。在人造革制造工藝過(guò)程中,基布涂布以聚氨酯(PU)為主料的有色涂層。要求PU漿料噴涂后具有涂膜均勻,流平性好,防油縮,抗粘,抗靜電的特點(diǎn)。在PU漿料中添加BD-3033,可以獲得滿(mǎn)意的效果。

2、油墨

噴墨墨水、中性水筆墨水、印刷油墨,添加BD-3071潤濕分散劑,效果顯著(zhù)。

案例:丹陽(yáng)某油墨企業(yè),在油墨體系中添加BD-3071有機硅潤濕分散劑,使油墨的黏度適當降低,使其潤濕分散性和流平性增加。參考添加量1~2%,由于添加量少,在油墨印刷過(guò)程中,不會(huì )影響油墨的正常揮發(fā)固化。

3、油漆

案例:紹興某服飾制品企業(yè),使用BD-3231流平劑,在服裝金銀飾片(聚酯)涂漆中添加BD-3231,參考添加量:1~3%。油漆固化后,漆膜表面滑爽,不易與片材粘結。能滿(mǎn)足電腦繡花縫制工藝的要求。

案例:臨安某涂料助劑企業(yè),使用BD-3231流平劑,改善油漆的流平性能。

案例:杭州某涂料化學(xué)企業(yè),油漆制造商。機械設備制造完成后,要用油漆涂裝。但即使是新機器,總會(huì )有軸承油等潤滑材料污染金屬表面,使噴涂油漆產(chǎn)生麻煩。底材不清潔,油漆噴涂上去后,被油污隔離,產(chǎn)生漆皮脫落現象。油漆添加3~5%左右的BD-3033流平劑,

使油漆對烷烴類(lèi)油脂產(chǎn)生親和性,與底材牢固結合,避免了漆皮脫落,并滿(mǎn)足重涂性、及手感等方面的要求。

4、水性木器漆

聚醚系列產(chǎn)品均可備選。

(二)塑料

1、農膜。在農膜粒料中添加BD-3055后,吹制的農膜具有抗霧、防水滴、抗靜電功能。用量:0.25~0.3%。

2、塑料制品的內脫模劑。BD-2075備選。

3、電纜塑料的填料處理劑、添加劑。BD-3231備選。

4、塑料泡沫。聚氨酯(PU)泡沫塑料生產(chǎn)中的添加劑。乳化作用;氣泡成核作用;穩泡作用,當體系粘度低時(shí),能使氣泡壁中薄的部分自動(dòng)修復;消泡作用,當氣泡達到適當大小時(shí),由硅表面活性劑參與組成的氣泡膜可破裂而開(kāi)孔。BD-3086備選。

(三)、紡織

1、織物前處理。脫絲膠的泡絲劑。BD-3071備選。

2、織物后整理??椢镉H水后整理。BD-3086備選。

3、高速縫紉線(xiàn)的潤滑劑。BD-3231備選。

4、化纖油劑的添加劑。BD-3231備選。

5、化纖噴絲嘴的潤滑劑。BD-253備選。

(四)、日化

1、發(fā)乳的增溶、乳化。BD-3071備選。

2、二合一香波的潤滑。

3、發(fā)油添加劑。

4、化妝品的添加劑。

(五)、石油

1、油田行業(yè)的原油破乳和脫水。BD-3071備選。

(六)、農藥

1、殺蟲(chóng)劑、除草劑、植物生長(cháng)調節劑、微營(yíng)養劑、化肥中的潤濕分散劑。起增效作用。

(七)、其它

1、抗生素、味精等醫藥、食品。

2、陶瓷行業(yè)中彩釉涂料的添加劑。

3、滅火劑的添加劑。作穩泡或起泡劑。德國SW-802泡沫滅火液中添加該類(lèi)物質(zhì)。

4、阻燃制品中添加,可使阻燃劑用量減少30~50。

5、橡膠、涂料、塑料粉末處理劑,使之易研磨、混合、防水、潤濕、分散、不結塊、增加流動(dòng)性。

6、 化學(xué)共聚物的懸浮穩定劑。

7、橡膠、橡塑、塑料制品的脫模劑。

8、金屬加工液、電鍍液中的添加劑。

9、日化產(chǎn)品如地板蠟、汽車(chē)、家具上光劑、清潔劑的添加劑。

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