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聚醚改性聚硅氧烷的合成及其在水性涂料消泡剂中的应用

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研究・开发 哺机砖材料,2013,27(5):333~338 SILICONE MATERIAL 聚醚改性聚硅氧烷的合成及其在水性 涂料消泡剂中的应用术 余龙飞,郑小珊,李欢玲,李莉 (广东省石油化工研究院,广州510665) 摘要:以低含氢硅油和烯丙基聚醚为原料、氯铂酸为催化剂,在无溶剂条件下合成了聚醚改性聚硅氧 烷;并将其与硅膏、白炭黑、乳化剂、增稠剂等复配,制成有机硅消泡剂。探讨了加料分式及加料时间、 物料配比、催化剂用量、反应温度、反应时间等对反应的影响,以及消泡剂在水性涂料中的应用性能。结 果表明,合成聚醚改性聚硅氧烷的最佳工艺为:Si—H与C—C的量之比为1:1.1、铂的加入量占物料总质 量的5×10~,聚醚滴加时间3 h、反应温度13O℃、反应时间6 h,在此条件下活性氢的转化率可达 82.8%。由此聚醚改性聚硅氧烷配成的有机硅消泡剂用于水性涂料中,具有优异的消/抑泡性能及良好的体 系相容性。 关键词:含氢硅油,烯丙基聚醚,聚醚改性聚硅氧烷,氯铂酸,硅氢加成反应,水性涂料,消泡剂 中图分类号:TQ264.1 7 文献标识码:A 文章编号:1009—4369(2013)05—0333—06 聚醚改性聚硅氧烷是在传统聚硅氧烷产品的 蓝色荧光转为清澈透明时,反应基本完成。 基础上发展起来的一类新型、多功能的表面活性 本实验以低含氢硅油、烯丙基聚醚为原料, 剂,具有独特的优点:表面张力低、润湿和铺展 在无溶剂及低氯铂酸用量下制备聚醚改性聚硅氧 性好、热稳定性优越、乳化作用强、配伍性能 烷,研究了催化剂用量、物料配比、反应温度、 好,并具发泡、稳泡和抑泡作用,且温和、无刺 反应时间对反应的影响,以及由该聚醚改性聚硅 激、无毒、无副作用。目前已在纺织、化妆品、 氧烷配制的消泡剂在水性涂料中的应用性能。 涂料、农用化学品、医药等领域广泛应用¨ 。 聚醚改性聚硅氧烷有Si一0一C型和si—C 1 实验 型两种结构。前者多由烷氧基硅油与羟基封端聚 1.1主要原料 醚缩合而得,抗水解性差;后者是以氯铂酸为催 低含氢硅油:DY—H212,活性氢质量分数 化剂,使含si—H键的聚硅氧烷和含双键的聚醚 为0.96%,黏度71 mPa.s,山东大易化工有限 进行硅氢加成反应而得 J,水解稳定性好,是 公司;Ot一烯丙基聚醚:FDC一16,黏度为 聚醚改性聚硅氧烷的主要品种。由于含氢硅油和 350 mPa・s,聚氧乙烯与聚氧丙烯的质量比为 烯丙基聚醚相容性较差,反应基团接触不充分; 1:1,南京威尔化工有限公司;六水合氯铂酸: 因此,合成聚醚改性聚硅氧烷大都使用甲苯作溶 南京化学试剂有限公司;异丙醇:AR,广州化 剂 。但使用溶剂会污染环境、增加后续蒸 学试剂厂;气相白炭黑:疏水改性,粒径7~ 馏去除溶剂工序,既增加了生产成本、降低了生 40 nm,比表面积70—400 m /g,广州吉必盛科 产效率,也容易造成环境污染及安全隐患。因此 技有限公司;水性增稠剂:DM638,广州市道明 无溶剂法合成聚醚改性聚硅氧烷是今后的一大发 化学有限公司;乳化剂:SP一80、TW一80,广 展趋势。在适当的搅拌速度下,初始反应生成的 聚醚改性聚硅氧烷与含氢硅油及烯丙基聚醚有很 收稿日期:2o13—04—07。 作者简介:余龙飞(1983一),男,工程师,主要从事水性 好的相容性,使后续反应得到顺利进行。在反应 油墨、水性涂料用有机硅助剂的研发。 E—mail:zsulq【y02@163.com。 初期,体系为乳白色、变稠,随着反应产物的增 基金项目:广东省中国科学院全面战略合作项目 多,中间会出现一个蓝色荧光的过程;当体系由 (2010B090301005)。 ・334・ 啸 机 ・l 材 料 第27卷 州市道明化学有限公司;水性涂料:HP870X, 广东美涂士建材股份有限公司;硅膏:主要成分 为高黏度羟基硅油及气相法白炭黑,自制。 1.2聚醚改性聚硅氧烷的合成 在带搅拌器、回流冷凝管、滴液漏斗、温度 计的洁净四口瓶中,加入低含氢硅油以及占催化 剂总用量60%的氯铂酸异丙醇溶液(氯铂酸质 量分数为5%),在氮气保护下搅拌升温至反应 温度,缓慢滴加 一烯丙基聚醚和余下40%催化 剂的混合物;待物料滴完后继续保温反应至体系 澄清,通过测定Si—H基残存量判定反应终点, 降温出料,得聚醚改性聚硅氧烷。 1.3有机硅消泡剂的配制 将一定比例的聚醚改性聚硅氧烷、硅膏、白 炭黑、乳化剂、增稠剂等在一定温度下搅拌混合 均匀,缓慢加入蒸馏水;待转相后以2 000 r/min 的转速快速搅拌30 min,再以600 r/min的转速 搅拌降温至室温,得有效物质量分数为25%的 水性涂料用有机硅消泡剂CD一3。 1.4性能测试 活性氢质量分数和转化率:称取聚醚改性聚 硅氧烷样品约0.1 g,置于250 mL碘量瓶中,取 20 mL四氯化碳将其溶解;再加入10 mL溴的浓 度为0.2 mol/L的溴一乙酸溶液和0.5 mL水,摇 匀,放置暗处反应30 min;然后加入25 mL碘化 钾质量分数为10%的碘化钾溶液,滴加淀粉质 量分数为1%的淀粉溶液作指示剂,用浓度为 0.1 mol/L的Na,S,O 溶液进行滴定。同时做空 白实验。按式1计算样品的活性氢质量分数 (W) = —— 丽 枷w 0% 式中, 为Na2S2O3溶液的浓度,mol/L;Vo、 分别为空白样和样品消耗Na S O 溶液的体 积,mL;m为样品质量,g。 活性氢转化率按式2计算。 转化率: ×100% (2) W0 式中,W。、W分别为反应前、后活性氢的质量 分数,%。 黏度:采用上海天平仪器厂的NDJ一7型旋 转式粘度计、在25℃下测定。 水溶性:配制聚醚改性聚硅氧烷质量分数为 1.0%的聚醚改性聚硅氧烷水溶液,观察25℃下 聚醚改性聚硅氧烷的溶解情况。 表面张力:用蒸馏水配制聚醚改性聚硅氧烷 质量分数为0.1%的聚醚改性聚硅氧烷水溶液, 采用德国KRUSS全自动表面张力仪K100、在 25℃下测定。 浊点:按GB/T 5559--2010进行测试。 消泡性:称取0.3 g消泡剂、50 g水性涂料 以及50 g水于150 mL烧杯中,混合均匀后转入 500 mL带刻度量筒中,使用鼓泡仪向量筒内连 续鼓入空气30 min,气体流量为8 L/min,在 15 min以及30 min时记录量筒内气泡高度。气泡 高度越小,说明消泡剂的消/抑泡能力越强。 体系相容性:称取0.3 g消泡剂和100 g水 性涂料于250 mL洁净烧杯中,用玻璃棒搅拌均 匀;采用广州标格达实验室仪器用品有限公司的 BGD一212/6线棒涂布器将水性涂料刮涂在预先 用无水乙醇擦拭过的平整玻璃板上,制得厚度为 6 m的湿膜;待湿膜自然晾干后观察涂膜的缩 孑L情况。体系相容性按缩孔严重程度分为5级, 1为最好,5为最差。 2结果与讨论 2.1产物的红外光谱表征 图1为含氢硅油和产物的红外光谱图。 ——r — 高 墨雯 ~ 3500 3000 2500 2000 I500 1000 500 波数/era 图1 含氢硅油和聚醚改性聚硅氧烷的红外光谱图 由图1可见,原料含氢硅油在2 157 cm 处 第5期 余龙飞等.聚醚改性聚硅氧烷的合成及其在水性涂料消泡剂中的应用 ・335・ si—H基的特征吸收峰在产物的IR谱中已基本消 吸收峰重叠的结果。 失;取而代之,产物在2 967~2 869(m,u 一 , 2.2反应条件的影响 一CH3和一CH2一)、1 261(S,6c—H,si—CH3)、 2.2.1加料方式对反应的影响 1 110~1 020(s,t,si—o)和804(S, si—c,Si—CH3, 在适当温度和催化剂作用下,含氢硅油中的 Si—C 一)cm。。处有聚二甲基硅氧烷链段所产 si—H与烯丙基聚醚中的C—C基本上可反应完 生的四组特征吸收峰,说明产物中有 全,保持催化活性和加料速度是反应成败的关 [(CH,) SiO] 存在。与原料比较,产物中 键¨ 。加料方式主要有三种:烯丙基聚醚和含 2 869 cm 处归属于一CH,一CH基的伸缩振动 氢硅油一次加料法;滴加含氢硅油法;滴加烯丙 吸收峰明显增强,表明产物分子中所含的亚甲基 基聚醚法。在含氢硅油中的 一H与烯丙基聚醚 数目较多,聚醚已成功连接在聚二甲基硅氧烷分 中的C—c的量之比[n(si—H):n(C—c)]为 子链上;而1 100~1 020 em 处的双肩峰中, 1:1.1、反应时间6 h、反应温度130℃、铂质量分 1100 em 处的吸收峰强度明显增大,这是由于 数为10 X 10 条件下,考察加料方式对反应的影 产物支链上大量聚醚链中的C一0键与Si—O键 响(相对于物料总质量,下同),结果见表1。 表1 加料顺序对反应的影响 由表1可以看出,与前两种加料方式相比, 应的影响,结果见表2。 滴加烯丙基聚醚法最理想。采用该法时,反应迅 由于硅氢加成反应是放热反应,如聚醚滴加 速、完全,所得产物透明、稳定不分层。这是由 速度太快,其效果与一次加料法相近,易导致温 于高温下Ot一烯丙基聚醚中的烯丙基在铂催化剂 度升高过快,使未反应的烯丙基发生异构化反 的长期作用下会异构化为 构型_5.8 川;异构化 应,导致活性氢转化率偏低。表2表明,烯丙基 的/3一烯丙基由于空间位阻增加,从而使其反应 聚醚滴加时间以3 h较理想。 活性下降,硅氢加成反应难以进行。而在滴加烯 表2聚醚滴加时间对活性氢转化率的影响 丙基聚醚法中,含氢硅油在反应温度下已预先活 化,滴人的烯丙基聚醚中的烯丙基能在最短时间 内与si—H反应,这大大降低了 一烯丙基聚醚 异构化的机率;同时,由于铂催化剂长时间暴露 在高温体系中会还原成铂黑而失去活性,因此将 总用量的40%的铂催化剂和烯丙基聚醚一起滴 加,能减少铂催化剂暴露在高温体系中的时间, 最大限度地保持铂催化剂的活性,提高铂催化剂 的催化效率。此外,由于硅氢加成反应为放热反 2.2.3 n(Si—H):/'Z(C—C)对反应的影响 应,采用滴加聚醚的方法能避免因温度升高过快 在反应时间6 h、反应温度130cI=、铂质量 而导致的反应过于剧烈,反应更易控制。当滴完 分数为10×10~、聚醚滴加时间3 h条件下, 聚醚时,体系澄清,反应基本完成。 考察n(Si—H):1l,(C—C)对活性氢转化率的影 2.2.2聚醚滴加时间对反应的影响 响,结果见表3。 在n(Si—H):n(C—C)为1:1.1、反应时间 理论上,n(Si—H):n(C m-C)为1:1时,反 6 h、反应温度130%、铂质量分数为10 X 10~、 应即可完全。但由于 一烯丙基聚醚在高温下会 采用滴加聚醚法条件下,考察聚醚滴加时间对反 部分异构化为卢一烯丙基聚醚,异构化的卢一烯丙 ・336・ 请 机 硅 材 料 第27卷 基由于空间位阻增大而难与si—H键反应,导致 Si—H键不能完全反应,残留的Si—H键易发生 交联反应。表3中,随着C ̄--C双键含量的增大, 活性氢转化率增大;当 (si—H):n(C—c)超过 1:1.1后,活性氢转化率增加不明显。因此, n(Si—H):几(C—C)选择1:1.1 表3 n(Si—H):n(C===C)对活性氢转化率的影响 2.2.4反应温度对反应的影响 在n(Si—H):n(C—c)为1:1.1、反应时 间6 h、铂质量分数为10×10~、聚醚滴加时间 3 h条件下,考察反应温度对活性氢转化率的影 响,结果见表4。 表4反应温度对反应的影响 从表4可以看出,当体系温度低于110 时,反应难以进行,所得产物浑浊不透明;随着 温度的升高,反应速度加快,所得产物清澈透 明;但当温度超过130℃后,即使在N:气保护 下,Si—H也易发生交联反应 ’m 。而且过高的 温度会使铂催化剂转化为铂黑而失活,体系色泽 加深。因此较佳反应温度为130℃。 2.2.5铂用量对反应的影响 在n(Si—H):n(C—C)为1:1.1、反应温度 130 ̄C、反应时间6 h、聚醚滴加时间3 h条件 下,考察铂的质量分数对活性氢转化率的影响, 结果见表5。 由表5可见,随着铂用量的增加,活性氢转 化率逐渐增大。当铂质量分数大于5×10 后,活 性氢转化率升高不明显;而反应后期铂催化剂还 原产生的大量铂黑导致产物色泽加深,既影响产 物外观,增加了产物后处理的难度,同时增加了 原料成本。因此,铂质量分数选择5×10~。 表5铂用量对活性氢转化率的影响 大量实验表明,在硅氢加成反应中,反应温 度、铂催化剂用量、含氢硅油的活性氢质量分数 以及烯丙基聚醚的摩尔质量对活性氢转化率的影 响是相互关联的:反应温度高、反应活性大时, 催化剂用量可以减少;相反,反应温度低、反应 活性小时,需增加催化剂用量;含氢硅油的活性 氢质量分数较高和烯丙基聚醚的摩尔质量较小 时,反应活性较高,反应温度和催化剂用量相对 较低也可使反应顺利进行。 2.2.6反应时间对反应的影响 在n(Si—H):n(C—C)为1:1.1、反应温度 130c《=、铂质量分数为5×10~、聚醚滴加时间 3 h条件下,考察反应时间对活性氢转化率的影 响,结果见表6。 表6反应时间对活性氢转化率的影响 由表6可知,随着反应时间的延长,活性氢 转化率提高;反应时间大于6 h后大,活性氢转 化率提高不明显。综合考虑,反应时间选择6 h。 2.3 聚醚改性聚硅氧烷的应用性能 综上所述,合成聚醚改性聚硅氧烷的最佳条 件为:n(si—H):n(C—C)为1:1.1、反应温度 第5期 余龙飞等.聚醚改性聚硅氧烷的合成及其在水性涂料消泡剂中的应用 ・337・ 130 ̄C、铂质量分数为5 X 10~、聚醚滴加时间 3 h、反应时间6 h,在此条件下合成的聚醚改性 聚硅氧烷的物化指标见表7。 表7 聚醚改性聚硅氧烷的物化指标 测试内容 物化指标 外观 浅黄色透明液体 黏度(25℃)/mPa・s 1 500—1 800 水溶性 良好,水溶液呈浅蓝色透明 液体 表面张力/mN・Ill 27.5~29.0 浊点/℃ 40~43 水性涂料常用的消泡剂有聚醚型、矿物油型 以及有机硅型。聚醚改性聚硅氧烷分子中既含憎 水的聚硅氧烷链段,又含亲水的聚醚链段,可通 过分子设计及改变摩尔质量,制成水性涂料用流 平剂、润湿剂;也可与其它组分复配,制成水性 涂料用消泡剂 。。 。以聚醚改性聚硅氧烷为主 体的有机硅消泡剂用在水性涂料体系中既有比聚 醚消泡剂更优异的消/抑泡能力,也有矿物油消 泡剂无法比拟的体系相容性和持久抑泡性;因 此,是水性涂料行业使用最为广的消泡剂。表8 为以自制的聚醚改性聚硅氧烷配成的消泡剂CD 一3与市售同类样品的性能对比。 表8水性涂料消泡剂性能对比 表8结果表明,在水性涂料体系中,CD一3 和进口样品既有较好的体系相容性,也有较理想 的消/抑泡效果;而国内市售样品的抑泡能力以 及与水性涂料体系的相容性皆较差,使用不当容 易引起涂膜出现针孔、橘皮、气孔等表面缺陷。 3结论 以低含氢硅油和烯丙基聚醚为原料、在无溶 剂及低的氯铂酸用量下合成了聚醚改性聚硅氧 烷。最佳合成条件是:n(Si—H):n(C—c)为 1:1.1、铂质量分数为5 X 10~、聚醚滴加时间 3 h、反应时间6 h、反应温度130oC,在此条件 下活性氢的转化率可达82.8%。将此聚醚改性 聚硅氧烷与硅膏、白炭黑、乳化剂、增稠剂等复 配,制成有机硅消泡剂,用于水性涂料中,具有 优异的消/抑泡能力以及良好的体系相容性。 参考文献 [1]王建.聚氧烯醚接枝聚硅氧烷的合成及其在消泡剂 中的应用[D].杭州:浙江大学,2004. 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Results showed that the optimum composition was as follows:molar ratio of Si—H and C—C was 1:1.1.the amount of Pt was 5 X 1 0~by weight of the total reactants,polyether added for 3 hours under the temperature of 1 30℃.and reacting for 6 hours.The yield of the activated hydrogen reached to 82.8%.The silicone de— foamer had excellent defoaming/antifoaming properties and good system stability in the application of water— based coatings. Keywords:hydrogen—containing silicone oil,allyl polyether,polyether modiied polysifloxane,chloropla— tinic acid,hydrosilylation,water—based coating,defoamer 提高HCR配方的热稳定性,使其能承受260 ̄C 以上的温度,改善其在汽车、航空航天、家电等 领域的适应性。 硅宝有机硅密封胶liLCN通过NFTC燃烧防火性能 检测 硅烷偶联剂改性凹凸棒土 宁波工程学院的王志强等人采用 一氨丙基 7月22日,硅宝科技公司的硅宝119有机 硅防火密封胶在位于成都都江堰的国家防火建筑 材料质量检测中心(简称NFTC)进行了防火试 验。经过3 h的燃烧后,硅宝119有机硅防火密 封胶的外表层温度维持在5O℃左右,远低于国 三乙氧基硅烷(KH一550)对凹凸棒土进行改 性,并用于吸附重金属废水中的Cr 。结果表 明,当KH一550用量为4.5 mL(酸改性凹凸棒 土质量为6 g)、反应时间为2 h、反应温度为 家标准180 ̄C以下的要求,以优异的防火耐火性 能通过了NFrC的检测。通过NTFC检测合格 40%时,改性凹凸棒土对Cr6 的吸附率最大, 污水处理效果最佳。 乙烯基硅油微胶囊 西北工业大学的马爱洁等人以聚乙烯醇 (PVA)为分散剂、聚脲甲醛(PUF)为囊壁、可 后,硅宝119可广泛应用于幕墙层间防火隔断, 各类防火门窗装配的阻燃密封,墙顶、建筑接缝 防火封堵以及防烟密封等。 普立万推出有机硅用高性能热稳定剂 (高惠) 紫外光固化的乙烯基硅油为囊芯,采用原位聚合 一据美国《橡胶世界》消息,普立万公司旗 下的子公司GSDI最近推出了Silcosperse 500分 散体,旨在帮助客户提高高稠度硅橡胶(HCR) 的耐热性,改善其在高温专项应用中的性能。据 介绍,Silcosperse 500分散体是一种独特的非稀 土产品,用于替代传统的热稳定剂。该分散体可 步法制备出可用于自修复涂料的PUF包覆乙 烯基硅油微胶囊。研究表明:当PVA加入量为 体系总质量的3%、搅拌速率为l 600 r/rain时, 微胶囊的平均粒径为50~601xm且粒径分布较 均匀,产率接近70%,乙烯基硅油包覆率大于 85%;在240oC下,微胶囊的热稳定性良好。 

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