聚醚在有機矽產品改性中佔據重要地位,它是線性二甲基矽氧烷的側鏈和支鏈上的嵌段,或接枝的主要鏈段,成為聚醚-聚矽氧烷共聚物和氨基矽油再改性不可或缺的重要組成部分。
在疏水性矽氧烷一側引入親水基聚醚鏈段。可使其具有自乳性,從根本上避免了一般有機矽乳液易漂油、破乳的問題,改善了有機矽難溶於水的缺點,而HLB值可 由總的取代基來控制。就聚醚本身而言,在聚醚鏈段中引入聚環氧乙烷鏈節,能提高親水性和起泡性;引入環氧丙烷鏈節能提高疏水性和滲透力,但對降低表面張力 有較強的作用。通常根據用途調環氧乙烷(EO)與環氧丙烷(PO)的摩爾比。聚醚與矽氧烷的結合,使得聚醚改性矽油(簡稱矽醚)的分子結構中既有親水性聚 醚鏈段,又有疏水性聚二甲基矽氧烷鏈段,這種特殊的雙親結構使其成為優異的表面活性劑品種。若改變聚醚相對分子質量,會增加或降低分子中矽氧烷佔有比例, 這對共聚物的性能會產生較大的影響。
聚醚改性矽油具有非離子活性劑所獨有的、明顯的濁點特徵,在濁點以下,容易在水中乳化或有自乳化功能,但在濁點溫度以上時,失去了在水中的溶解性,顯示出消泡特徵(如圖1,工業上也常用此特徵將其作為消泡劑使用。
聚醚改性矽油作為消泡劑,具有良好的耐熱性和機構穩定性,在酸、鹼、無機鹽等介質中穩定,可用於苛刻條件下消泡。與聚二甲基矽氧烷消泡劑相比,又有自身優勢。
若在聚醚矽油的結構中引入氨基,不僅可改變氨基矽油易黃變、吸水性差、粘輥等問題,又提高了產品親水性、乳化性和抗靜電性。可見,在聚醚結構中引入有機矽 體系,不僅拓展了聚醚發展領域,也顯著提高了有機矽綜合性能,並為有機產品改性提供了更廣闊的發展空間。
一、聚醚改性矽油主體原料
聚醚改性矽油的主體原料是可提供矽氧烷鏈段(A)的帶有活性基的聚二甲基矽氧烷和提供聚醚鏈段(B)的單端烯丙基聚醚的組合體。A和B的組合方式,直接影響產品性能。
1、單端烯丙基聚醚結構及特徵
在矽醚共聚物製備中,單端烯丙基聚醚起著關鍵作用,其典型結構如下:CH2=CH-CH2O(C2H4O)a(C3H6O)bH
從分子結構來看,其特點是在分子兩末端含有羥基和不飽和烯丙基兩個活性基團,這種典型的結構特徵,為採用官能性矽油改性提供了便利條件。在聚醚鏈節中,a 與b有一個親水性與疏水性的平衡問題,為保持其表面活性,一般控制在b/(a+b)=0.2~0.8範圍內。當b/(a+b)小於0.2時,疏水性增強, 親水親油平衡值(HLB)小;b/(a+b)大於0.8時,親水性強,HLB值大。聚醚鏈段的平均摩爾質量一般控制在500~5000g•mol-1,小於500g•mol-1,就不能充分發揮表面活性作用,而超過5000g•mol-1時,粘度過高,會影響分散性。
我們在第一部分曾談到單端烯丙基聚醚不飽和雙鍵量與單端烯丙基的摩爾質量成正比,而分子中的羥基也呈正比關係;當結構中聚氧亞乙基大時,聚醚作為非離子,它的濁點也增加;其粘度的大小,又與摩爾質量有關,可以說,這是一類性能比較特殊的活性劑品種。
單端烯丙基聚醚因含有可供反應的活性基團,由此又可衍生出烷氧基封端、羥基封端、環氧基封端、氨基封端等聚醚類產品,皆可用於聚醚改性矽油的開發,成為有 機矽改性產品主要原料。這些聚醚產品除在後整理等方面發揮一定作用外,在氨基矽油改性和多元嵌段氨基矽油開發中也是主體原料之一。
2、官能性聚二甲基矽氧烷
這是製備聚醚改性矽油另一個主體原料。這類矽油是指二甲基矽氧烷的結構中含有可起反應的官能基團,如含氫矽油、烷氧基矽油及羥酸基碳官能性矽油等,其中以含氫矽油最為重要。含Si-H的聚二甲基矽氧烷主要有以下幾種類型:
在以上甲基含氫矽油中,(Ⅰ)為高含氫矽油,在硫酸為催化劑條件下,高含氫矽油與D4、 MM進行平衡反應,可得活性氫質量分數為0.2%的低含氫矽油;若用甲基環矽氧烷代替(Ⅰ),經平衡反應,可製得(Ⅳ)的低含氫矽油;若以短鏈型氯化膦腈 為催化劑,用α、β-二(三甲基矽氧烷)聚二甲基矽氧烷與α、ω-二(三甲基矽氧基)聚甲基氫矽氧烷進行垂排反應,亦可製得(Ⅳ)型低含氫矽油。製備低含 氫矽油,在製備氨基改性和多元共聚氨基矽油中有重要使用價值。
以活性氫封端的聚二甲基矽氧烷(如Ⅲ型),與甲基含氫矽氧烷共聚物(CH3)2HSiO[(CH3)2Si-O]m[CH3HSi-O]nSiH(CH3)2是各種改性矽油的主體原料,也是成型矽橡膠的擴鏈交聯劑。「Ⅲ」型矽油可由H(CH3)2SiOSi(CH3)2H與D4,四甲基環四矽氧烷,在硫酸、三氟甲基磺酸等催化下,經平衡反應製得。
若固定鏈節數,以H(CH3)2SiO 1/2基封端的聚二甲基矽氧烷可由二甲基環矽氧烷與二甲基氯矽烷在水及矽膠粉存在下,開環縮聚製得雙端型(V)含氫矽油,其結構及物性指標見表1。
表1 低粘度H(CH3)2SiO 1/2基封端聚二甲基矽氧烷物性
名稱
結構式
沸點/℃
Ms
D si-H
/cm-1
1,9-二氫十甲基五矽氧烷
H(CH2)2SiO[(CH3)2SiO]3Si(CH3)2H
57/67Pa
355(M+-1) 341(m+-15)
2128
1,11-二氫十二甲基六矽氧烷
H(CH3)2SiO[(CH3)2SiO]4Si(CH3)2H
81/21Pa
427(M+-1) 415(m+-15)
2128
1,13-二氫十四甲基七矽氧烷
H(CH3)2SiO[(CH3)2SiO]5Si(CH3)2H
107/266Pa
489(m+-15)
2128
二、聚醚改性矽油分類及特徵
從聚矽氧烷鏈段(A)和聚醚鏈段(B)的組合方式來看,大致分為嵌段AB型、嵌段ABA或BAB型、嵌段-(AB)n-型、支鏈型、側鏈型五類。若以聚醚 鏈段和矽氧烷之間的連接方式考慮,又可分為水解性(Si-O-C連接)聚醚和非水解型(Si-C連接)聚醚。前者採用縮合法製取,後者採用加成方法。相比 之下,非水解型(Si-O)聚醚改性矽油,結構穩定,是主要產品形式,應用最廣,可製成柔軟整理劑、消泡劑、織物親水抗靜電劑等類產品,目前已應用的聚醚 改性矽油有以下五類:
製備的矽醚共聚物一般是具有低表面張力的非離子活性劑,可與其他表面活性劑(化學品)很好地混配使用。或者在聚醚有機矽分子中再引入其他反應性基團,又可開發出一系列性能優異的品種。
聚醚是環氧乙烷(EO)和環氧丙烷(PO)的共聚物,一般結構通式如下:
製備水解型聚醚改性矽油(Si-O-C)時,R一般為CH2=CH-,CH2=CH-CH-等 不飽和體。應當注意的是引發劑的選用,EO和PO摩爾比以及聚醚在結構中佔有率、分布情況,均影響矽醚共聚物的性能。在矽醚共聚物分子中,EO增加時,水 溶性提高;當PO增加時,水溶性降低,但滲透性提高,縱觀聚醚諸類產品,以烯丙醇為引發劑開發的烯丙基聚醚,在有機矽改性產品開發中佔據重要地位,而非水 解型聚醚改性矽油,又是其開發和應用的主要領域。
三、矽氧烷-聚醚共聚物的製備
矽氧烷-聚醚共聚物,正是我們通常所說聚醚改性矽油,主要有以下四類:
結構(Ⅰ)為聚醚改性矽油商品的普通形式,結構式(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)為聚醚改性矽油的特殊品種,均為非水解型產品,至於很少使用的水解型產品只作概念性介紹。
從合成工藝來看,水解型矽氧烷-聚醚共聚物,多採用縮合方法製備;非水解型產品又多採用加成方法,製備工藝的不同,賦予產品的性能也不一樣。
1、縮合法製備Si-O-C型矽氧烷-聚醚共聚物。約有五條工藝路線
(1)含烷氧基聚矽氧烷與含氫基的聚醚進行酯交換反應
≡Si-OR+HO-PE→≡Si-O-PE+ROH
式中R為C1~C4烷基、PE為聚醚。該反應採用三氟乙酸、乙酸鉀等作催化劑,反應溫度一般控制在100℃~120℃,反應時間為1h~4h。
(2)含氫聚矽氧烷與含羥基聚醚進行脫氫反應
≡Si-H+HO-PE→≡Si-O-PE+H2↑
此反應在羧酸鋅鹽、錫鹽或鉛鹽催化下,在有機溶劑(如甲苯)中進行反應,含氫矽油可與醇、酚發生脫氫縮合反應,與端基含羥基的烯丙基聚醚來製備。
(3)含氫聚矽氧烷與含羥基的聚醚進行脫HCL反應
這是日本信越公司與德國拜爾公司開發,此類含Si-O-C鍵的矽醚方法。在吡咯啉類叔胺存在下反應15min,分離生成的叔胺鹽酸鹽,用NaHCO3中和再分離,即可得到產品。
(4)羥基聚矽氧烷與含羥基的聚醚之間進行脫水反應
該方法由美國Dow Corning公司發明,是以芳基磺酸為催化劑,採用甲苯作溶劑,回流脫水4h即可。
(5)Si-NH2的矽氧烷與含羥基的聚醚進行脫氨氣反應
≡Si-NH2+HO-PE→≡Si-O-PE+NH3↑
此反應所用催化劑為鹼金屬,如有機鹼,金屬滷化物等,酸也可作催化劑。這一反應條件比較溫和,容易發生。其不足之處是在水溶液中容易水解,重新生成矽醇,而且在共聚過程中會造成聚醚鏈段裂解。
另外,採用縮合法製備的聚醚矽油的反應,還可由環氧基矽油與含羥基聚醚反應,或由羥基矽油與羥端基聚醚反應來製取。
2、非水解(Si-C)型聚醚改性矽油製備
這類反應由單端烯丙基聚醚與含有Si-H基的聚二甲基矽氧烷,在鉑催化劑存在下經加成反應製取聚醚改性矽油。加成反應在加料程序上,通常有兩種方法,一種 是單端烯丙基聚醚、甲基含氫矽油或溶劑混合均勻,並升溫至60℃~85℃,停止加熱後,加入鉑催化劑,經幾秒鐘的誘導期反應發熱,可使溫度上升 10℃~20℃,反應物由渾濁逐漸變成透明,保持0.5h~2h,然後測Si-H基殘存量,決定反應終點。
另一種方法是將單端烯丙基聚醚,鉑催化劑或溶劑混合均勻,升溫至100℃~120℃,再向其中徐徐滴入甲基含氫矽油,滴加後繼續反應24h,取樣測Si- H基殘存量,決定反應終點。也可將甲基含氫矽油、鉑催化劑或溶劑,混合均一,升溫至70~100℃,再向其中徐徐滴入單端烯丙基聚醚,繼續反應至終點。
加成反應的轉化率,按Si-H基計,在原料純度及鉑催化劑活性都比較理想的前提下,可以達到100%。反應中殘存的Si-H基可以在加成反應後期加入α- 烯烴加成消除或在加成反應後,用5% KOH的甲醇溶液在30℃~40℃處理2h,使Si-H基與體系中的醇反應形成≡SiOR基,使最終產品穩定。
非水解(Si-C)型聚醚採用加成方法製取,在上述加料程序中,第一種較常採用。就合成路線而論,有三種類型。
(1)含氫聚矽氧烷與不飽和聚醚的矽氫加成反應
該反應為此類化合物的基本反應,國外一些公司已採用。例如:
矽氫加成反應在有機矽化學反應中應用最廣。Si-H有類似金屬氧化物性質,比較活潑又易於保存使用。其主要反應是碳碳雙鍵和叄鍵的加成反應。烯徑的矽氫加 成反應可分為自由基型和離子型加成反應,自由基型矽氫加成反應可在200℃~600℃及0.2~75mpa下進行,反應溫度及壓力取決於烯烴結構和性質;也可在紫外線照射下或者過氧化物作用下完成。離子型矽氫加成反應主要用過渡金屬化合物作催化劑,其特點是烯烴先與金屬化學物活性中心配位,然後Si-H鍵 與之加成,代表性催化劑是氯鉑酸(H2PtCl6·6H2O)的異丙醇溶液。類似催化劑還有鈀、銠等。
有報導稱,採用含氫矽油Me3SiO(Me2SiO)450(MeHSiO)9SiMe3 220份,加入聚醚CH2=CH-CH2O(C3H6O)3(C2H4O)32H26 1份,再加入H2PtCl6甲苯溶液,進行加成反應,可生成粘度(25℃)為6150mPa•S的聚醚矽油。加100份水和30份乙氧基油醇作乳化劑,製成的乳液再用水稀釋至1%濃度,在45℃下,可穩定3天。用於整理棉織物,可提高柔軟性、再潤溼性和抗泛黃性。
(2)兩步法合成Si-C鍵化合物。第一步,含活性基團的不飽和化合物和含氫聚矽氧烷進行加成反應;第二步是聚矽氧烷的活性基團同羥基聚醚反應,最後得到含Si-C鍵的聚醚改性矽油,反應機理如下:
美國通用電氣公司在合成COOH的聚矽氧烷後,再以對甲苯磺酸為酯的催化劑與羥基聚醚反應得到該類化合物。該公司還用含NCO基的不飽和化合物與含氫聚矽氧烷反應,再在辛酸錫等羥酸鹽存在下,與羥基聚醚反應亦可。
有報導在介紹兩步法合成工藝時,提到第一步製備含氫矽油,將990g D4、90gMM、58.5g濃硫酸加入反應器中,在室溫下攪拌15h,可得以下含氫矽油:
理論上(CH3)SiHO鏈節質量百分數為7.19%,可用過量NaHCO3中和過濾,再減壓蒸餾,除去低沸物即可。取上述含氫矽油29.6g,加入65.6g單端烯丙基聚醚及0.1g 3,5-二叔丁基-4-羥基甲基(BHT),通入N2,加熱至80℃,用N2,加入0.4g氯鉑酸乙醇溶液(10g Pt•mol-1)進行加成反應。為改進反應物的溶解性和緩解放熱,常在反應物中加入異丙醇,用量為反應成分的30%~70%。為了使用安全,也可使用異硬脂醇,高沸點多元醇(如乙二醇、二丙二醇等)等作為溶劑,亦可改進反應物的相溶性。
報導稱,為了使Si-H充分轉化,通常使用n(CH2=CH-)/n(Si-H)之 比為1∶2。單端烯丙基聚醚用量為20%,若過量,在加成反應中會引起自聚、氧化、異構化等副反應發生,並降低聚醚改性矽油的純度。以上反應除N2保護 外,應加入阻聚劑BHT,維生素E或植酸等抗氧劑,可防止單端烯丙基聚醚自聚和氧化;添加有機鹽(如乙酸鈉、檸檬酸鈉等)作緩衝劑,可抑止異構化發生。
在製備含氫矽油時,有研究者推薦採用八甲基三矽氧烷,使用量為38.4g,再加入66.0g四甲基四矽氧烷,485.8g MM和6g濃硫酸進行反應。最後用過量Na2HCO3中和,經過濾,除去低沸物,可得503.3g,活性氫為43.4ml/g的含氫矽油。
(3)含C=C鍵聚矽氧烷與含Si-H鍵的聚醚進行加成反應。此法是先合成帶有C=C鍵的低聚合度矽氧烷,再與帶有H-Si鍵的聚合物反應。
先由D4與含有C=C鍵的環矽氧烷在有機溶劑THF中進行陰離子開環共聚反應,可製得帶有不飽和雙鍵的聚矽氧烷(CH3)3SiO[(CH3)SiViD]m[(CH3)2SiO]nSi(CH3)3。再利用C=C鍵引入改性基團,得到聚醚矽油。該反應類似矽氫加成反應。
在聚醚改性共聚中,普遍採用方法是利用含氫矽油與帶有烯丙基的聚醚進行加成方法來製取。為了獲得有特殊使用性能的聚合物,亦可採用不同聚合方式。如嵌段型或接枝型,這類產品合成應注意各種條件的把握。
3、含環氧側基聚醚改性矽油的製備
這類產品可用於織物防皺、柔軟、防汙、抗靜電和防縮等後整理。眾所周知,一般聚醚改性矽油耐洗性較差,為了解決這個問題,可在分子結構中引入反應性基團。最早出現的這類產品是聚醚和環氧基改性聚矽氧烷的加成共聚物,其結構式如下:
分子中的環氧基能與纖維發生反應,可提高織物的耐洗性。因其屬於非離子活性劑,可與各種助劑混配使用,美中不足的是經整理的織物柔軟、滑感不十分理想。
在此基礎上,又推出了新的含環氧側基聚醚改性矽油品種。以甲基含氫矽油與單端烯丙基聚醚及烯丙基縮水甘油醚
或甲基丙烯酸環氧丙酯。在鉑催化下,經加成反應製取。該反應可用甲苯等作溶劑,使用含氫14.1ml/g的矽油與不飽和甘油醚或不飽和環氧酯反應,得到 w(Si)為18.95%及含w環氧基為0.5%的聚醚粘度(22℃)為8400mPa •S。例如按以下配方投料:
甲基含氫矽油:(CH3)3SiO[(CH3)2Si-O]m[(CH3)HSiO]nSi(CH3)328kgm=500~200;n=5~50
單端烯丙基聚醚CH2=CHCH2O(C2H4O)a(C3H6O)6R74kg
烯丙基縮水甘油醚: 0.6kg
H2PtCl6(用量按Pt計) 15μl/L
製備方法:在反應器中加入上述含氫矽油、單端烯丙基聚醚及烯丙基縮水甘油醚,攪拌、加熱,升溫至80℃,再加入已配好的H2PtCl6(2%的異丙醇溶液),用1h緩緩升溫至85℃,在85℃~90℃保溫反應4h。蒸出溶劑後,可得淺褐色透明產品(粘度25℃,2000mPa •S),收率可達99%。如果選用的含氫矽油如下結構:
單端烯丙基聚醚結構式為:CH2=CHCH2O(C2H4O)24(C3H60)20COCH3,按上述方法加成共聚,所得產品結構式如下:
拜耳公司和日本信越(株)採用環氧基不飽和化合物(如烯丙基縮水甘油醚)對含Si-H鏈聚矽氧烷加成反應,得到的環氧有機化合物,可與聚醚結構中的羥基相結合,得到Si-H型矽氧烷-聚醚改性矽油。
另據報導,如果以ViSi(OCH3)代替 ,並和不飽和聚醚一起在甲苯溶液中與含氫矽油加成反應,再經中和過濾,餾出低沸物,可得含水解矽基(Si-O-Me)的聚矽氧烷。用其處理滌/棉等織物,除賦予織物親水性和柔軟性外,由於該化合物可在纖維上形成交聯網絡,進而改善了使用性能。
4、改善織物的糯滑性、透氣性、吸水性的聚醚改性矽油
這類特性,正是棉織物、內衣等貼身衣服欲求的應用特徵。
如果將200kg烯丙基聚醚F6,75kg DMC和10~10.5kg環氧矽油(202)加以反應釜中,在N2保護下,加熱升溫至80℃,維持反應3h,終點以透明度來判斷。配製濃度以加水量而定。該品不僅易溶於水,並可賦予織物良好的糯滑性、透氣性、親水性、耐洗性和適度的柔軟性,經處理織物不泛黃。主要用於漂染廠,只是柔軟性仍不理想。
烯丙基聚醚F6與含氫矽油,以異丙醇為溶劑加成反應主要工藝參數如下:
催化劑H2PtCl6用量 25mg/kg
nc=c∶nSi-H=1.2∶1
反應溫度及時間:93℃/3.25h
所得聚醚改性矽油具有一定表面活性,用於整理棉織物,其柔軟性、親水性和抗靜電性得到明顯改善。據稱,與氨基矽油整理棉織物的柔軟性相當,而親水性和抗靜電性得到明顯改善,可為高檔棉織物舒適性整理劑。
5、端烯丙基、烷氧基聚醚改性矽油的製備
該產品採用的端烯丙基、烷氧基聚醚相對分子量為1300~3000;含氫矽油的含氫量為0.30%~1.4%。在85℃~100℃進行矽氫加成反應。反應完成後,冷卻至室溫,回收催化劑,經處理可得淡黃色的聚醚改性矽油,其反應機理如下:
該產品粘度(40℃)為100~500mPa•S,1%水溶液PH為7.0,貯存穩定性達一年以上。在合成中,反應溫度和反應時間對轉化率影響較大。反應初期,溫度越高反應速度越快,這樣可縮短反應時間,提高聚醚轉化率。
另外,由於Si-H鍵能較高,高溫易引起鍵的斷裂,有利於接枝反應的進行。當反映溫度達到90℃~100℃時,聚醚轉化率幾乎不變;再者,催化劑用量也是重要影響因素,適宜的用量(30×10-6),有利於提高轉化率,但使用過量會使含氫矽油Si-H鍵脫水交聯的機會增加,降低聚醚轉化率,而且殘留的Pt會使產物由淺黃色逐漸變成深黃色。
例如,在四口燒瓶中,加100g以下結構的含氫矽油(Ⅰ),560g平均結構式(Ⅱ)的單端烯丙基、烷氧基醚:
將上述物料攪拌均勻後,再加入0.68g鉑-二乙烯基四甲基二矽氧烷螯合物的甲苯溶液(鉑為上述矽氧烷與聚醚量的21×10-6),徐徐加熱至100℃,保溼反應2h,然後降溫,產物經分析全部Si-H鏈節消失,生成以下結構共聚物:
若以鉑-二乙烯基甲基二矽氧烷螯合物異丙醇溶液代替以上甲苯溶液催化劑,同配方和工藝條件下,所得產品,經分析確認Si-H基也全部消失,只是4%(摩爾分數)的Si-H基轉化為甲基異丙氧基矽氧烷鏈節:
據報導,最好的鉑催化劑是鉑-乙烯基矽氧烷螯合物的甲苯溶液。這種催化劑是以甲苯取代異丙醇獲得。首先用氯鉑酸(含鉑40%),與異丙醇、碳酸氫鈉及 1,3-二乙烯基四甲基二矽氧烷,在65º~75℃反應30min後經冷卻過濾,得到異丙醇溶液催化劑。取鉑-二乙烯四甲基二矽氧烷螯合物異丙醇溶液 15.0kg,再加入0.5kg 1,3-二乙烯基四甲基二矽氧烷、35kg甲苯、1.5kg碳酸氫鈉,在26.6kPa下,液溫45℃,蒸出異丙醇,冷卻後再經過濾、檢測,無異丙醇析 出,可得31.6kg甲苯溶液之催化劑(含量6.8%),使用時,再用甲苯調至鉑含量2%即可。不過異丙醇要比甲基使用安全,各有利弊。
6、單端支鏈型烯丙基聚醚與甲基含氫矽油共聚物製備
這是新結構的聚醚改性矽油,其最大特點是可以防止合成中烯丙基異構化產生異味。單端支鏈型烯丙基聚醚分子結構如下:
這類聚醚可由3-甲基-1-丁烯-3-醇在高壓釜中與環氧乙烷(EO),環氧丙烯(PO)在鹼存在下聚合製備。以(Ⅲ)為例,將99.0g(Ⅱ)聚醚,100g異丙醇,0.2g氯鉑酸的異丙醇溶液(含Pt 1%)及3g乙醇鈉1%的甲醇溶液,在N2的保護下,升溫回流。再用滴液漏鬥用1h滴入32.2g平均結構為下式的含氫矽油進行加成反應。
滴完後,再保溫反應3h,經IR分析,Si-H(2140cm-1)完全消失後,冷卻、過濾,並在120℃及1.33kPa下脫溶劑及低沸物,可以得到以下結構,褐色透明改性矽油,粘度(25℃)為900mPa•S。
7、長鏈烷基與聚醚共改性矽油
這一類聚醚改性矽油一般分子結構如下:
這個品種由甲基含氫矽油與烯丙基聚氧乙烯及烯丙基長鏈烷基醚在鉑催化下經加成反應製取。
例如,在2L燒瓶中加入以上結構式的甲基含氫矽油(0.1mol)183g,再加入308g烯丙基油醚(1mol),136g平均結構式CH2=CHCH2O(C2H4O)9H的單端烯丙基聚氧乙烯醚(0.3mol)及500g乙醇、2g鉑催化劑(含Pt 0.5%的乙醇溶液)。在乙醇回流溫度下反應5h。然後蒸出溶劑,過濾,得以下結構共聚物:
若將以上烯丙基油醚,以254g烯丙基十四烷基醚(1mol)代之,其他條件不變,得平均結構式如下的十四烷基醚與聚醚共改性矽油527g,收率為92%。
8、賦予織物去汙性的聚醚改性矽油
該產品也採用烯丙基聚醚CH2=CHCH2(C2H4O)12H與含氫矽油(CH3)3SiO[(CH3)2SiO]14[(CH3)HSiO]2Si(CH3)3在鉑催化下加成反應,可得以下中間體:
取上述中間體12.38kg,加入1.33kg MeSi(OMe)3、14.7mol Zn(BF4)2(40%),在80℃進行反應、縮合,可得以下結構產品。
該品種粘度(25℃)為439mm2/s, 加水稀釋成1%濃度,用其處理滌/棉織物,軋幹,並在80℃~190℃下烘乾30s即可。織物親水性可達5.1s(吸水0.5ml);除汙試驗分5等(5 為最佳),對奶油、烴油及橄欖油的去汙力分別為3.5、2.5、3.0,織物洗滌5次後,還分別為3.1、3.5和4.0。
9、聚醚與烷氧基矽烷基共改性矽油
在合成聚醚改性矽油過程中,同時加入鏈 節,可製取聚醚與烷氧基矽烷基共改性矽油,或將聚醚改性矽油分子中聚醚鏈段末端羥基與甲基三甲氧基矽烷反應,形成甲基二甲氧基矽烷基封端的聚醚鏈段。這類 聚醚與烷氧基共改性的矽油,在織物處理過程中能在纖維表面形成交聯的皮膜,使洗滌耐久性得到改善。前者典型結構式如下:
作為親水性整理劑,其結構參數應為:x=50~300、y=1~0.1x,z=1~0.1x;a+b=3~200,a/(a+b)=0~1.0,R為甲基或乙基;R′為氫原子或C1~4烷基。後者的結構式為:
作為親水型整理劑,其結構參數m+n=500~300;n=1~0.1m;a應大於3。
以上共改性矽油親水性處理劑,可以配成水溶液或分散液後,對織物進行處理,也可以與樹脂整理劑復配,織物對改性矽油吸附量可控制在0.05%~5.0%之間。這類聚醚與烷氧基共改性矽油的製備舉例如下:
在反應燒瓶中,加入53.6g甲苯,2.65g乙烯基三甲氧基矽烷,122.7g烯丙基烷氧基聚醚:CH2=CHCH2(OC2H4)23(OC3H6)26.1OCH3及52.64g甲基含氫矽油
在N2保護下,攪拌升溫至85℃、加入相當於鉑50×10-6的氯鉑酸乙二醇二甲醚溶液。溫度上升,並加熱至90℃反應1h。降溫,用碳酸氫鈉中和處理,並用濾板加壓過濾,蒸出甲苯,即得粘度(25℃)為10550mPa•S聚醚與甲氧基共改性矽油。
將以上2.65g乙烯基三甲氧基矽烷,改為3.40g乙烯三乙氧基矽烷,其他條件不變,可製得粘度(25℃)9500mPa•S的乙氧基與聚醚共改性矽油。
上述製取的兩種共改性矽油,分別對聚酯/棉(50/50)的混紡布進行浸漬處理。經吸水性實驗,用聚醚與甲氧基共改性矽油處理的布樣是7s,洗滌後有機矽 氧烷在織物上的殘存率為79%;經聚醚與乙氧基共改性矽油處理的布樣,吸水速度為2s,洗滌後在織物上的殘存率為55%。吸水性速度快,在織物上殘存率反 而下降。對其他織物處理後的評價如表2。
表2 處理布樣的潤滑速度/s
織物種類
棉100%
羊毛100%
尼龍100%
聚酯100%
PE/棉(50/50)
未處理布樣
<2
>300
148
2300
19
聚醚與甲氧基共改性矽油處理布樣
<2
瞬時
100
268
<2
聚醚與乙氧基共改性矽油處理布樣
瞬時
瞬時
26
145
瞬時
相比之下,兩者均有較好的潤滑性,而採用乙氧基取代甲氧基後的共改性矽油的潤滑性更好。對於上述結構式(Ⅱ)而言,其製備方法是取12376g聚醚改性矽油(CH3)3SiO[(CH3)2Si0]14[(CH3)H(OC2H4)12OH6C3Si-O]2Si(CH3)3及1330g甲基三甲氧基矽烷,在攪拌下升溫至80℃,然後加入14.7ml Zn(BF4)240%水溶液,在80℃保溫反應2h,冷卻,可得以下改性矽油,產品外觀為琥珀透明液體。
取樣,配成1%處理液,浸漬處理聚酯/棉(65/35)平織無色坯布,經乾燥處理後,向表面滴0.5mL水滴,完全潤溫時間為5.1s,而未處理布樣為160.6s。經處理布樣有很好的耐洗性及防汙性。
10、矽氧烷-聚醚嵌段共聚改性矽油
原則上這類產品,屬矽氧烷-聚醚改性矽油系列產品,因其結構上的特殊性和以後對氨基矽油多元嵌段共聚理論上的補充,也對此類產品作更深層次的介紹。
有機矽嵌段共聚,是對有機高聚物的改性,這裡有機矽鏈段主要是聚二甲基矽氧烷、聚二苯基矽氧烷等;而聚有機高分子鏈段種類較多,如聚醚、聚烯烴、聚醯亞胺等,這裡以聚醚作為有機高分子鏈段為主話題,展開探討。有機矽鏈段(A)和聚醚鏈段(B)嵌段共聚主要有:嵌段AB型,嵌段ABA型或嵌段BAB型,嵌段型, 它們主要以Si-C鏈結合。聚醚作為嵌段共聚鏈段,常用合成方法有三種,一是順序加料活性聚合方法,用這種方法來形成鏈段或鏈段間鍵合;二是預先製備出兩 種具有末端的功能團低聚體,再經化學反應,形成鏈段間鍵合;三是在預先製備好的第一種嵌段末端基團上進行聚合,生成第二種嵌段。
AB和ABA(或BAB)主要通過陰離子活性聚合法製備;型結構通常採用逐步生長法來製備。這裡應注意的是,不能用逐步生長聚合方法合成AB或ABA型結構;也不能用活性聚合方法製備結構清楚的結構,原因是在反應中偶而產生的雜質易引起早期鍵的中止。
(1)從結合方式來探討。聚醚與矽氧烷的結合方法可歸納為三種:
①縮合方法。是通過雙官能基團封端矽氧烷的低聚體與雙端羥基聚醚低聚體的端基縮合反應來製備,如下:
式中X為二烷胺基、烷氧基、乙醯氧基或滷素等,其中氨原子封端的矽氧烷低聚物與羥基封端的烷基醚縮合反應,附產是HCl,如不及時除去會引起Si-O-C 鍵斷裂。採用此方法得到的矽氧烷嵌段共聚物,都將在聚矽氧烷鏈段和聚醚鏈段間生成一個Si-O-C鍵連接。不過這類產品因穩定性問題,已很少採用。
②是矽氫加成法,在氯鉑酸存在下,通過聚醚烯鍵與矽氧烷的矽氧鍵之間的矽氫加成反應,可製備嵌段共聚物。兩種鏈段之間生成Si-C鍵,這一類產品,我們曾在「一」中作過介紹,這類產品具有很高的耐水解性。其反應如下:
③陽離子開環聚合方法。在熔融狀態下,三氧雜環乙烷和D4在陽離子聚合引發劑三氟甲磺酸作用下,開環聚合得到聚氧化亞甲基-聚二甲基矽氧烷嵌段共聚物,反應過程如下:
當共聚物中鏈段含量很高時,得到結晶共聚物,當鏈段含量高時,將得到類似橡膠的共聚物。前兩種合成方法是常用方法,用於水解型和非水解型嵌段共聚產品製備。
(2)按分子結構分類,有資料曾指出有機矽氧烷-聚醚改性矽油分三類:
①分子兩末端為酯類的聚二甲基矽氧烷與分子兩末為羥基的聚醚經縮合反應製取嵌段共聚物。這類嵌段共聚物主要用於化妝品。
在製備中,取64.8g十一烯酸甲酯(0.33mol)、74g甲苯、0.43g鉑催化劑(換算成Pt為2.2g)的混合液加到反應器中,加熱升溫中,在 回流下,滴加160g的雙端含氫矽 油:H[(CH3)2SiO]19Si(CH3)2H(0.11mol),繼續反應5h。然後,在減壓(200℃/0.27ka)下蒸出揮發組分,得分子兩末端為十一烯酸甲酯的聚二甲基矽氧烷。其粘度(25℃)36mm2•s-1,折射率(25℃)1.4163。
取170g(0.09mol)上述產物,加入33.1g(0.08mol)平均為HO(CH2CH2O)9H的聚醚及19.0g(0.18mol)二乙二醇,在N2保護下攪拌加熱至150℃,加入3g鈦酸丁酯(8.8mmol),繼續反應1h,再在200℃/0.27kPa下反應5h。隨之加入200g乙醇,10g水,使鈦酸丁酯水解,將生成的TiO2過濾掉,並蒸出低沸物(150℃/0.27kpa),可得粘度(25℃)66000mPa•S,折射率(25℃)1.4264的產物155g,結構式如下:
兩末端Si-H基與分子兩末端烯丙基聚醚進行加成反應製得嵌段共聚物。這種嵌段共聚改性矽油,是在聚二甲基矽氧烷鏈段引入環氧基,氨烴基等碳官能性有機基團,這種嵌段共聚物可作織物親水柔軟整理劑,濃色化劑、塗料添加劑等,其結構式如下:
嵌段共聚物平均摩爾質量400~10000g•mol-1,其中,聚醚鏈段平均摩爾質量200~10000g•mol-1,矽氧烷在共聚物中質量分數為25%~95%。如,採用雙端含氫矽油H-(CH3)2Si-O[(CH3)2Si-O]mSi(CH3)2-H與兩端烯丙基聚醚CH2=CHCH2O-(C2H4O)a(C3H6O)bCH2CH=CH2,在鉑催化劑存在下加成反應,製得以下嵌段共聚物。
然後在鹼催化劑存在下,與結構式的環氧基改性矽氧烷進行平衡反應,製得(Ⅰ)式嵌段共聚物。
③分子兩末端烯丙基的雙酚A聚醚衍生物與分子兩末端Si-H的甲基含氫矽油經加成反應,可得雙酚A矽氧烷-聚醚嵌段改性矽油。例如,取78.7份雙端含氫矽油H[(CH3)2SiO]9Si(CH3)2H,與90份聚醚:
加入0.1份鉑催化劑,在80℃加成反應5h。再加入10份水,在80℃反應2h後,可得外觀淡黃色透明、粘度(25℃)為9500mm2·S-1的嵌段共聚體:
這類嵌段共聚物可用於纖維油劑配方中,也可用於塑料、橡膠等加工中。