有机硅表面活性剂的应用及研究进展

有机硅表面活性剂的应用及发展状况

摘要：有机硅表面活性剂由于其结构中既含有有机基团，又含有硅氧键（Si-O-Si），因而不但具有一般烃类表面活性剂较高的表面活性，而且具有无机物二氧化硅的耐高低温、耐气候老化、无毒、无腐蚀和生理惰性等优异性能。有机硅表面活性剂能应用于纺织、农药、日化产品等等。因而成为表面活性剂领域的研究热点。

关键词：有机硅表面活性剂；结构；应用

Abstract Silicone surfactants contain both organic group and silicon-oxygen bond (Si-O-Si), which not only has high surface activity, just like normal surfactants, but also has the property of silica, like, resistance to high temperature and ageing, non-toxic, non-corrosive and physiologically inert. It can be used in many fields, such as, textiles, pesticides, daily chemical products and so on. That make silicone surfactants becoming a hot research field.

Keywords Silicone surfactant; Structural; Applications

一、有机硅表面活性剂简介

有机硅是含有硅氧烷键（Si-O-Si）的高分子合成材料。有机硅表面活性剂是以聚二甲基硅氧烷为其疏水主链，在其中间位或端位连接一个或多个有机硅极性基团而构成的一类表面活性剂。有机硅材料性能优异，应用十分广阔，目前发展迅速，在很多领域作为一种新型的功能材料受到人们的青睐，如聚醚改性有机硅、氨基改性有机硅和环氧改性有机硅等[1]。

以硅氧烷为疏水基团，聚氧乙烯链、羧基、酮基、氨基、环氧基等其它极性基团为亲水基构成的表面活性剂就称为有机硅表面活性剂。由于有机硅分子结构的特点使它具备很多其它有机基所不具备的特性，如低表面张力(由图1可见，Sylgard 309有机硅表面活性剂的表面张力低于其它非离子表面活性剂[3])、高表面活性(与氟表面活性剂相当)、优异的润湿性、乳化性、润滑性、生理惰性、化学稳定性、无毒无臭、化学降解、不积累、透气性好等优点。因此用途极其广泛，

可用于纤维、织物(包括非纺织物)及皮革的防水、柔软、平滑整理和处理；用于采矿、采油、化学处理、塑料和橡胶生产及金属加工等工业用途；用于个人防护用品及汽车美容保养；用于农用化学品等等[2]。

图1有机硅表面活性剂与一般非离子型表面活性剂对比

图表2有机硅表面活性剂和碳氢表面活性剂表面活性特征有机硅表面活性剂优异的表面活性源于其分子结构中疏水基团的结构，以三硅氧烷表面活性剂为例，其与普通碳氢表面活性剂的结构差异可用上图2说明。可以看出，决定有机硅表面活性剂活性的是甲基（-CH3），柔软的Si-O-Si骨架仅仅起支撑作用，使得这些甲基呈伞形。排布在气液界面上，布满甲基的表面能约为20mN/m，这正是采用硅氧烷表面活性剂所能达到的最低表面张力数值；而碳氢表面活性剂的疏水集团为长链烃基或烃基芳基，主要由亚甲基（-CH2-）组成，且疏松地排布在气液界面上，因而采用碳氢表面活性剂一般能达到的表面张力为30 mN/m或者以上[4]。一般的表面活性剂的疏水基是烷烃链，硅氧烷表面活性剂的疏水基是聚合度在2000以下的液态聚二甲基硅氧烷，也称为甲基硅油。聚二甲基硅氧烷疏水基使得有机硅表面活性剂具有许多优良的性能，如低表面张力，优良的粘温特性，柔顺性和在极性表面易铺展性以及良好的疏水性和能够在宽温度范围下使用的性能等。表1 中显示硅氧烷表面活性剂对塑料的润湿性是一般表面活性剂无法比拟的[5,6]。

表 1 烷氧基表面活性剂的润湿性

表2为各种表面活性剂水溶液的表面张力。从表中可以看出，非硅类表面活性剂的表面张力一般都大于30mN/m；而有机硅表面活性剂的表面张力都在20 mN/m左右[7]。由于有机硅表面活性剂的表面张力低，使其水溶液与固体表面的接触角，尤其是与疏水表面的接触角大大降低（见表2）

表 2 各种表面活性剂水溶液的表面张力

表面活性剂品种在水中的质量分数/ % 表面张力（25℃）/mN·m-1烷基聚氧乙烯醚（TX-10）0．1 31．6

烷基聚氧乙烯醚（EO=4）0．1 34．1

2-乙基己基硫酸钠0．1 51．4

十二烷基硫酸钠0．1 41．7

非离子型有机硅表面活性剂0．1 20．0

阴离子型有机硅表面活性剂0．1 21．3

由于有机硅表面活性剂水溶液的表面张力低，对疏水表面的接触角小；所以，在疏水表面（如聚酯膜）的表面润湿速度快、润湿直径大（见表3）。

表 3 表面活性剂在聚酯膜上的湿润速度及湿润直径

表面活性剂品种润湿速度1）润湿直径2）/mm

无表面活性剂 1 1．0

烷基酚聚氧乙烯醚OP-10 2．6 3．0

有机硅表面活性剂1 6．4 23

有机硅表面活性剂2 7．8 32

有机硅表面活性剂3 12．6 40

有机硅表面活性剂4 14．8 43

由于有机硅聚合物的主链是一条由硅原子和氧原子交替组成的稳定骨架，在硅原子上联接着甲基等有机烃基的线型聚合物。分子中构成主骨架的Si-O键的键能为105kcal/mol，这使得聚硅氧烷具有高耐热性和良好的耐气候性。由于有机硅聚合物侧链上与有机基如甲基、苯基、乙烯基等连接，使它能集无机物特性与有机物功能于一身，具有优良的耐高低温性、良好的低温流动性、强的热氧化稳定性、生理惰性和良好的电绝缘性、不易燃烧、无嗅、耐老化、耐臭氧、耐腐蚀、优良的粘结性能，还具有可压缩性和抗剪切性、优良的气体透过性和表面能及优良的耐弧焊性[8-10]。