基礎材料|有機矽表麵活性劑後篇——性能及應用篇

        康達科技集團(Qanta Group), 是全球領先的有機矽解決方案供應商之一,致力於提供個性化的有機矽解決方案。其擁有從金屬矽到特種有機矽材料的全方位產品供應鏈。主要業務為特用化學品技術及特殊SILICONE與複合材料相關應用製程技術材料開發、設計、銷售。目前已有18年以上曆史,與全球500強企業有合作銷售經驗,是一家集科研,開發,生產及銷售為一體的國家級高新技術企業,擁有國際化品質,技術和管理及提供一條龍Silicone 材料應用整合。公司擁有廣泛的銷售和研發網絡,可提供有利於未來可持續發展的創新技術和基於市場需求的解決方案。

        有機矽表麵活性劑的性能

1、有機矽表麵活性劑的界麵性能

        由於有機矽表麵活性劑的主鏈是柔軟的Si—O鍵,既不親水,也不親油,所以可用於水溶液和普通碳氫表麵活性劑不能應用的非水介質。另一方麵,有機矽表麵活性劑以甲基排列在界麵上,可使表麵張力降至20mN/m左右,而普通碳氫表麵活性劑以亞甲基排列在界麵上,隻能使表麵張力降至30mN/m左右。

        在有機矽表麵活性劑中使用最多的是EO/PO改性有機矽表麵活性劑,其性能與EO/PO的比值、表麵活性劑的聚合度等多種因素有關。EO是表麵活性劑改性基團中的親水部分,PO是親油部分。當EO/PO的比值發生變化時,有機矽表麵活性劑的性能會發生變化。研究發現,若EO/PO比值變大,則表麵活性劑的HLB值會升高,表明親水性增強;EO/PO比值變小,則會使表麵活性劑的親水性減弱。當接枝型聚醚改性矽油的EO的長度一樣時,其表麵張力隨聚矽氧烷聚合度的降低而增加。這是由於聚矽氧烷的分子鏈越短,在空/水界麵的堆積越緊密,表麵的甲基越多。當PO被引入時,增加了聚醚鏈的疏水性,從而增大了聚醚改性矽油的表麵張力。

2、有機矽表麵活性劑的超潤濕性

        三矽氧烷表麵活性劑不但能降低油/水界麵的界麵張力,同時還可能在低能疏水表麵潤濕擴展,這一能力稱為“超潤濕性”或“超鋪展性”。這種現象被認為是在溶液中存在特殊的表麵活性劑聚集體。

        聚二甲基矽氧烷鏈易展布於極性表麵(如水、金屬、纖維等)的原因是矽氧鏈中的氧能與極性分子或原子團形成氧鍵,增加了矽氧鏈與極性表麵分子之間的作用力,促使其展布成單分子層,從而使疏水性的矽氧烷橫臥於極性表麵,成特有的“伸展鏈”構型,而普通表麵活性劑的疏水基是直立於極性表麵的。當聚矽氧烷中的甲基被其他基團(如大的烷基、脂環基、芳基、矽官能團或碳官能團)取代時,由於改變了取代基的極性或空間位阻,勢必會影響聚矽氧烷的疏水性和在極性表麵的展布速度及狀態。矽氧鏈上取代基的多少和分布狀況也會產生同樣的影響。例如,甲基被較大的烷基或芳基取代後,會顯著減少聚矽氧烷的展布能力,同時減少其在極性表麵的定向能力。

3、有機矽表麵活性劑穩定乳液的能力

        有些接枝狀有機矽表麵活性劑可使乳液在鹽、乙醇及有機溶劑存在時保持定這種能力是傳統碳氫表麵活性劑不具備的。通過原子顯微鏡(AFM)檢測發現矽表麵活性劑在界麵處存在相互作用力。非離子表麵活性劑在25%乙醇溶液中就會失去表麵活性,而有機矽表麵活性劑在乙醇體積分數達80%時仍能降低表麵張力。有機矽表麵活性劑的這種性質反映出聚二甲基矽氧烷不僅是疏水的,隨著聚二甲基矽氧烷含量的增加,有機矽表麵活性劑在有機溶劑中也不溶。

4、有機矽表麵活性劑與CO2的作用

        Rocha等認為聚氧乙烯醚三矽氧烷表麵活性劑可以使CO2和水形成乳液,通過調節EO數,改變表麵活性劑的“親水親CO2平衡(HCB)值”,可以使乳液由CO2包水(W/C)轉變為水包CO2(C/W)。Sarbu等認為聚矽氧烷表麵活性劑的特性能使它在超臨界CO2中得到應用。Fink等認為有機矽表麵活性劑在超臨界CO2中的相行為,發現相行為對疏CO2的基團很敏感,而對矽氧烷的大小不太敏感,並發現了無規則的液晶相。Folk等製得了一係列陽離子型有機矽表麵活性劑,並研究了它們在高密度CO2中的行為。改變聚二甲基矽氧烷的鏈長和反離子都會強烈改變其在臨界CO2中的表麵活性。

        有機矽表麵活性劑的應用

1、在日化用品中的應用

        因為有機矽表麵活性劑具有無毒、無皮膚刺激性、抗氧化作用、紫外線防護作用、生物相容性好、防水透氣性能優異等許多優點,因而在化妝品、洗發護發類製品、膏霜類製品與產品中有一定程度的應用。有機矽表麵活性劑因其低的表麵張力和適宜的粘度,有利於化妝品在肌膚和毛發表麵擴散,能提高化妝品在皮膚上的保濕性和滯留性,又可保持皮膚的正常透氣,也能賦予頭發光澤、易梳理、平滑利落、抗靜電和柔軟感。

2、在紡織行業的應用

        有機矽表麵活性劑具有抗靜電性、柔軟性以及良好的殺菌和消毒能力,並能賦予纖維很好的柔軟效果。陽離子型有機矽表麵活性劑在紡織工業中主要用作抗靜電劑和柔軟劑,季銨鹽類陽離子型有機矽表麵活性劑用於纖維製品的衛生整理,具有很好的殺菌、防黴作用,並且安全耐久。

3、在農藥中的應用

        在農藥加工中,加入0.05% - 0.1%(質量分數)的有機矽表麵活性劑作助劑,可優化製劑的物理性能及化學穩定性,增加製劑品種,擴大應用範圍。植物的葉、莖表皮常常具有抗潤濕性的成分或結構,而且往往帶有負電荷,對農藥液體具有排斥作用,而有機矽表麵活性劑的添加可促進農藥製劑在植物上順利地附著、保持、鋪展及滲透,對藥效的提高起到關鍵作用。有機矽表麵活性劑能降低其表麵張力,使水滲透到昆蟲氣管內,使其致死,作為殺蟲劑助劑。

4、在食品、醫藥方麵的應用

        有機矽消泡劑是以改性聚矽氧烷為主要成分,添加多種非離子型表麵活性劑等配製而成的,具有優良的消泡性能,用量少,使用方便,無毒,無腐蝕性,對味精、豆製品以及抗生素生產中產生的泡沫均有良好的消泡和抑泡作用。

5、在皮革化學品中的應用

        有機矽表麵活性劑主要可以作為皮革中加脂劑和柔軟劑,因為它具有良好的潤滑性能和防水性能。它與油脂接枝共聚製備的有機矽加脂劑解決了含矽表麵活性劑易向外遷移的問題且減少了加脂劑的用量,降低了成本。經過有機矽表麵活性劑浸漬的革纖維分散、潤滑性能好,成革柔軟,尤其適於服裝革和鞋麵革,也可以用於毛皮製造。氨基聚醚共改性的有機矽表麵活性劑用作加脂劑,可使柔軟性和親水性達到滿意的程度,另外,也可以用作塗飾劑、防水劑、酶製劑,令皮革柔軟、光亮、有油感。

6、機械加工中的應用

        在金屬製品的生產、使用和維修過程中,需要清洗附著在其表麵上的各種汙物(如加工過程中的金屬屑、切削液、磨料和各種油脂,灰塵及酸、堿、鹽等電解質和手汗等),以保證產品內在和表麵質量,延長使用壽命。有機矽表麵活性劑清洗劑具有清洗性能好,去汙力強,不僅能消除金屬表麵的油汙,同時也能清洗手汗、無機鹽等汙垢,此外它還有不易燃,無毒,使用安全,以及良好的緩蝕防腐能力,還可以節約能源,減少環境汙染,適用於機械化自動清洗。

7、在塑料工業上的應用

        有機矽表麵活性劑在聚氨酯泡沫塑料生產過程中,如體係分散、氣泡生長、氣泡穩定及氣室開放等起重要作用,是一種很好的聚氨酯泡沫塑料的穩泡勻泡劑。利用其表麵活性,可以製造聚氨酯軟泡、硬泡、半硬泡及高回彈性泡沫等。另外,作為阻燃性的有機矽泡沫穩定劑在聚氨酯泡沫中的應用也越來越廣。

        結語

        有機矽表麵活性劑具有原料廉價易得、工藝溫和易控、應用廣泛、需求量大等優點,領域性能好、發展快、市場潛力大,是一種高附加值的精細化工產品。國內學者對有機矽表麵活性劑的研究正在大踏步的追趕國際水平,其中結構雙子化等方向已取得了一定的前沿研究成果,雖然尚未達到應用階段,但也大大提高了該類表麵活性劑的特種化研究程度。同時,工藝及產品的清潔、綠色化研究也有較多進展。

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