CN104312256B - 一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂及其制备与应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机硅表面润湿剂技术领域,特别涉及一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂及其制备与应用方法。本发明聚醚改性三硅氧烷润湿剂,以纳米孔洞材料负载Pt(0)催化剂,在反应器中,反应(反应时间≤2h)得到所述聚醚改性三硅氧烷润湿剂;本发明聚醚改性三硅氧烷润湿剂的粘度20~100cSt,表面张力≤21mN/m,在水性涂料中使用时,可以在较高环境温度:40~70℃,碱性条件:pH=10,长时间200小时老化后,仍然对基材具有良好的润湿性,涂膜不产生缩孔和斑点;本发明聚醚改性三硅氧烷润湿剂,可以应用于水性皮革整理剂(高温涂饰)、水性涂料、木器漆以及农用化学试剂等领域,具有快速延展性、湿润性和环境适应性。本发明方法生产效率高、生产成本低、操作简单、无毒环保。
Description
技术领域
本发明属于有机硅表面润湿剂技术领域,特别涉及一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂及其制备与应用方法。
背景技术
聚醚改性三硅氧烷属于有机硅表面活性剂,其甲基以独特的“伞型”结构吸附于空气-水界面上,可使表面张力降至20mN/m左右。聚醚改性三硅氧烷不仅能降低油水界面的界面张力,同时还能在疏水表面润湿扩展,这一能力称为“超级润湿性”。
聚醚改性三硅氧烷分子中既含有机基团,又含硅元素,因此它除具有聚硅氧烷的耐高温、无毒、无腐蚀、耐候及生理惰性等特点外,还具有碳氢表面活性剂的表面活性高、乳化、润湿、分散、抗静电性能好以及能消泡和抑泡等特点,因而在农药、纺织、日化、皮革、涂料、洗涤、染料、染整、颜料分散、金属加工液、采油等领域具有独特的应用效果。在皮革领域,聚醚改性三硅氧烷用作手感剂,可赋予皮革滑感、柔感、油感、蜡感等。经有机硅手感剂整饰后的皮革,不仅可保持弹性、丰满性、透气性和卫生性能,而且可改善手感,提高柔软性,对水、化学品都有良好的稳定性。在农药领域,聚醚改性三硅氧烷用作叶面吸收助剂,能使药液的表面张力低于植物叶表面湿润临界值(约25mN/m)之下,故能促使药液由叶孔渗透进入表皮,减少了农药的挥发和光解的损失,提高农药的有效利用率,降低农药投放量30%~50%,是非常有效的农药助剂。
但是聚醚改性三硅氧烷表面活性剂如:迈高新材的Silwet L-77和道康宁公司OFX-5211等产品在碱性条件下容易水解,尤其是高温(≥60℃)、碱性(PH=10)条件下,表面张力下降,在上述环境中,作为水性木器漆或者水性皮革涂层剂的润湿剂使用时,经常出现缩孔或者亮斑,影响了水性产品的使用效果。
CN101657489A报道了一种通过改变M和M′上的取代基团,与变化D链结上聚氧化烯烃取代基相结合的方法,制备在碱性和酸性条件下使用的表面活性剂。CN101318115A和CN101905134A分别报道了两种双尾聚醚改性三硅氧烷表面活性剂,用于在碱性环境的农药助剂。但上述几种方法,都涉及三硅氧烷或聚醚的分子结构改变,原材料成本较高,对于产品的推广不利;这些专利涉及的产品,都没有在高温和碱性环境中,作为水性涂料润湿剂使用。在水性涂料的使用实践中,高温(≥60℃)、碱性(PH=10)条件下,聚醚改性三硅氧烷溶液的表面张力下降很快,一般在48小时内,保持水性涂料涂敷到基材后,涂层出现缩孔或者表面出现斑点。本发明致力于解决聚醚改姓三硅氧烷产品上述缺陷,开发耐高温、耐碱性超级润湿剂的制备方法及生产系统。
发明内容
本发明的目的在于克服聚醚改性三硅氧烷耐高温和耐碱性差的缺陷,而提供一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂及其制备与应用方法。
一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂,所述聚醚改性三硅氧烷润湿剂的结构通式如下:
其中m为0~10范围内的整数,n为5~15范围内的整数,R为-H、-CH3或-C2H6。
所述聚醚改性三硅氧烷润湿剂的性状为无色或浅黄色透明油状液体,粘度为20mPa·s~500mPa·s。
一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂的制备方法,以纳米孔洞材料负载Pt(0)催化剂,在反应器中,反应(反应时间≤2h)得到所述聚醚改性三硅氧烷润湿剂。
一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂的制备方法,其包括以下步骤:
在反应器中加入一定量的聚醚和纳米孔洞材料负载的Pt(0)催化剂,在80℃~120℃温度下搅拌30min~60min;在上述温度下滴加一定量的七甲基三硅氧烷,滴加完成后保温1h~2h;然后在60℃~90℃温度下,-0.08MPa~0.09MPa压力下脱除未反应的反应原料0.5h~1h得到所述聚醚改性三硅氧烷润湿剂产品。降温、过滤回收纳米孔洞材料负载的Pt(0)催化剂、出料包装。
所述聚醚的结构通式如下:
H2C=CH2CH2O(CH2CH2CH2O)m(CH2CH2O)nR,其中m为0~10范围内的整数,n为5~15范围内的整数,R为-H、-CH3或-C2H6。
所述七甲基三硅氧烷的滴加速度为100g/h~1000kg/h。
所述聚醚与七甲基三硅氧烷的化学反应方程为如下:
其中m为0~10范围内的整数,n为5~15范围内的整数,R为-H、-CH3或-C2H6。
所述聚醚和七甲基三硅氧烷的摩尔比为(1~1.3):1。
所述纳米孔洞材料负载的Pt(0)催化剂中的Pt元素的质量占聚醚与七甲基三硅氧烷总质量的0.005‰~0.020‰。
所述纳米孔洞材料负载Pt(0)催化剂的制备方法包括如下步骤:
将六水合氯铂酸溶于异丙醇,溶液中铂元素的质量百分数为2%~10%,以NaHCO3和二乙烯基四甲基二硅氧烷中和还原,得到Pt(0)的异丙醇溶液,将纳米孔洞材料浸入Pt(0)的异丙醇溶液中,控制温度为50℃~70℃至异丙醇完全挥发,降至常温,得到纳米孔洞材料负载Pt(0)催化剂。
所述六水合氯铂酸、NaHCO3、二乙烯基四甲基二硅氧烷的摩尔比为六水合氯铂酸:NaHCO3:二乙烯基四甲基二硅氧烷=1:4:6。
所述纳米孔洞材料为TiO2,SiO2、Al2O3和分子筛中的一种或多种;所述纳米孔洞材料的纳米孔洞直径为50nm~500nm。
所述反应器为带有导流桶的搅拌反应器,其中导流桶和反应器直径比为0.55~0.8,可改善反应器罐壁和内部的热传导,提高转速,使硅氢加成反应以自加热方式进行。作为一种优选方案,导流桶和反应器直径之比在0.6~0.7之间,采用锚式搅拌器,生产过程中,物料形成均匀的层流和径向流动;物料内部的热传导效果好,乙烯基与硅氢键的加成反应可以放热,反应通过自热方式进行,通过调整反应物料的流量,控制反应温度在80℃~120℃,由于搅拌效果好,产品为浅黄色;
所述带有导流桶的搅拌反应器结构为:在带有导流桶的搅拌反应器的导流桶内,沿导流桶轴向设置搅拌杆;搅拌杆通过多条连接杆与导流桶内壁相连;导流桶侧壁上设置多个孔洞;导流桶上壁顶端向内收缩,其与导流桶侧壁的夹角为a;导流桶下壁底端向外扩张,其与导流桶侧壁的夹角为b;搅拌叶片与位于导流桶下壁内部的搅拌杆的底端相连;搅拌杆的顶端与电机相连。
所述搅拌叶片为推进式叶片;所述导流桶侧壁上设置2~3排孔洞;所述孔洞的直径为5mm~10mm;所述夹角a和夹角b的角度分别为30°~45°。
当推进式搅拌器搅拌时(搅拌速率为10~100转/分钟),在所述导流桶中反应混合物形成较强的径向流动,受到导流桶上壁的限制,在一个受限的空间形成向下的压力,由于导流桶侧壁有2~3排空洞,形成液体层流从孔洞喷射出来,这种搅拌形式可以使反应的液体混合物与固体催化剂在径向和平流方向充分混合,提高催化剂的反应效率。
一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂的应用方法,所述聚醚改性三硅氧烷润湿剂用作水性涂料助剂、木器漆助剂以及农药助剂。
所述聚醚改性三硅氧烷润湿剂使用温度为40℃~70℃,使用pH为7~10;200小时老化后仍然可以正常使用。
本发明的有益效果为:
本发明方法可以显著提高硅氢加成的反应活性,使Si-H键完全反应,-Si-OH含量少,并缩短反应时间,且由于反应温度低,降低聚醚链段的副反应几率,纳米孔洞材料负载的Pt(0)催化剂可以简单过滤回收,可以降低生产成本至2000元/吨~3000元/吨;本发明聚醚改性三硅氧烷润湿剂在高温条件下不易水解,耐碱性好,在水性涂料中使用中不产生缩孔,解决了目前聚醚改性三硅氧烷表面活性剂的耐高温、抗碱性水解能力不足的问题;本发明聚醚改性三硅氧烷润湿剂作为高温和碱性环境使用的超级润湿剂,适用但不限于高温、碱性环境使用的水性涂料、木器漆以及农药助剂。
附图说明
图1为本发明带有导流桶的搅拌反应器的装置结构示意图;
图2为本发明带有导流桶的搅拌反应器的装置中物料搅拌示意图;
图中标号:1-电机、2-搅拌杆、3-导流桶上壁、4-导流桶侧壁、5-孔洞、6-连接杆、7-导流桶下壁、8-搅拌叶片、a-导流桶上壁与导流桶侧壁的夹角、b-导流桶下壁与导流桶侧壁的夹角。
具体实施方式
本发明提供了一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂及其制备与应用方法,下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明所使用的带有导流桶的搅拌反应器结构为:在带有导流桶的搅拌反应器的导流桶内,沿导流桶轴向设置搅拌杆2;搅拌杆2通过多条连接杆6与导流桶内壁相连;导流桶侧壁4上设置多个孔洞5;导流桶上壁3顶端向内收缩,其与导流桶侧壁4的夹角为a;导流桶下壁7底端向外扩张,其与导流桶侧壁4的夹角为b;搅拌叶片8与位于导流桶下壁7内部的搅拌杆2的底端相连;搅拌杆2的顶端与电机1相连。
所述搅拌叶片8为推进式叶片;所述导流桶侧壁4上设置2~3排孔洞5;所述孔洞5的直径为5mm~10mm;所述夹角a和夹角b的角度分别为30°~45°。实施例1
在容积为3000mL的三口烧瓶反应器中加入1000g乙烯基封端聚醚(丙氧基的重复单元数m为0,乙氧基的重复单元数n为5,另一端为甲基封端)和多孔Al2O3材料负载的Pt(0)催化剂(其中Pt元素的质量占乙烯基封端聚醚与七甲基三硅氧烷总质量的0.005‰),在80℃搅拌30min;然后在80℃温度下滴加600g七甲基氢三硅氧烷,滴加时间为2h,滴完后,保温2h;在60℃、-0.08MPa条件下脱除未反应的反应原料1h,过滤回收多孔Al2O3材料负载的Pt(0)催化剂,得到1540g聚醚改性三硅氧烷润湿剂产品,产品为浅黄色液体,粘度为20cSt,表面张力为20.8mN/m(所得聚醚改性三硅氧烷润湿剂产品配制质量分数为0.2%的水溶液,测定其表面张力)。
实施例2
在容积为20L的玻璃反应器中加入7kg乙烯基封端聚醚(丙氧基的重复单元数m为0,乙氧基的重复单元数为n为15,另一端为氢)和多孔Al2O3材料负载的Pt(0)催化剂(其中Pt元素的质量占乙烯基封端聚醚与七甲基三硅氧烷总质量的0.020‰),在90℃搅拌30min;然后在90℃温度下滴加3.5kg七甲基氢三硅氧烷,滴加时间为2h,滴完后,保温2h;在90℃、-0.08MPa条件下脱除未反应的反应原料1h,过滤回收多孔Al2O3材料负载的Pt(0)催化剂,得到10.1kg聚醚改性三硅氧烷润湿剂产品,产品为浅黄色液体,粘度为50cSt,表面张力为20.5mN/m(所得聚醚改性三硅氧烷润湿剂产品配制质量分数为0.2%的水溶液,测定其表面张力)。
实施例3
在容积为1500L的带有导流桶的反应釜中,加入750kg乙烯基封端聚醚(丙氧基的重复单元数m为3,乙氧基的重复单元数n为7,另一端为氢)和多孔SiO2材料负载的Pt(0)催化剂(其中Pt元素的质量占乙烯基封端聚醚与七甲基三硅氧烷总质量的0.015‰),在100℃搅拌40min;然后在100℃温度下滴加300kg七甲基氢三硅氧烷,滴加时间为2h,滴完后,保温2h;在90℃、-0.09MPa条件下脱除未反应的反应原料1h,降温至40℃,过滤回收多孔SiO2材料负载的Pt(0)催化剂,得到980kg聚醚改性三硅氧烷润湿剂产品,产品为浅黄色液体,粘度为500cSt,表面张力为21mN/m(所得聚醚改性三硅氧烷润湿剂产品配制质量分数为0.2%的水溶液,测定其表面张力)。
实施例4
在容积为5000L的带有导流桶的反应釜中,加入2034kg乙烯基封端聚醚(丙氧基的重复单元数m为7,乙氧基的重复单元数n为3,另一端为氢)和多孔SiO2材料负载的Pt(0)催化剂(其中Pt元素的质量占乙烯基封端聚醚与七甲基三硅氧烷总质量的0.010‰),在110℃搅拌40min;然后在110℃温度下滴加966kg七甲基氢三硅氧烷,滴加时间为2h,滴完后,保温2h;在90℃、-0.08MPa条件下脱除未反应的反应原料1h,降温至40℃,过滤回收多孔SiO2材料负载的Pt(0)催化剂,得到2980kg聚醚改性三硅氧烷润湿剂产品,产品为浅黄色液体,粘度为60cSt,表面张力为20.4mN/m(所得聚醚改性三硅氧烷润湿剂产品配制质量分数为0.2%的水溶液,测定其表面张力)。
本发明所生产的产品,与国内外几种主要润湿流平剂进行使用性能比较,经过热老化和耐碱性实验后,本发明的产品性能明显优于市场上所售产品,具体技术指标如下:
表1 润湿剂在高温条件下表面张力变化数据表
实验环境:试验温度为80℃,润湿剂浓度为2‰;
表2 五种润湿流平剂在PU涂料中的热老化实验(表面张力变化)数据表
实验环境:试验温度为60℃,润湿剂浓度为1.8‰;
表3 五种润湿剂应用于PVC无粉手套PU涂料时热老化下的润湿流平效果数据表
Claims (6)
1.一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂的制备方法,所述聚醚改性三硅氧烷润湿剂的结构通式如下:
其中m为0~10范围内的整数,n为5~15范围内的整数,R为-H、-CH3或-C2H6;
其特征在于,包括以下步骤:
在反应器中加入一定量的聚醚和纳米孔洞材料负载的Pt(0)催化剂,在80℃~120℃温度下搅拌30min~60min;在上述温度下滴加一定量的七甲基三硅氧烷,滴加完成后保温1h~2h;然后在60℃~90℃温度下,-0.08MPa~0.09MPa压力下脱除未反应的反应原料0.5h~1h得到所述聚醚改性三硅氧烷润湿剂产品;
所述七甲基三硅氧烷的滴加速度为100g/h~1000kg/h;
所述纳米孔洞材料为TiO2,SiO2、Al2O3和分子筛中的一种或多种;所述纳米孔洞材料的纳米孔洞直径为50nm~500nm;
所述纳米孔洞材料负载Pt(0)催化剂的制备方法包括如下步骤:
将六水合氯铂酸溶于异丙醇,溶液中铂元素的质量百分数为2%~10%,以NaHCO3和二乙烯基四甲基二硅氧烷中和还原,得到Pt(0)的异丙醇溶液,将纳米孔洞材料浸入Pt(0)的异丙醇溶液中,控制温度为50℃~70℃至异丙醇完全挥发,降至常温,得到纳米孔洞材料负载Pt(0)催化剂;
所述反应器为带有导流桶的搅拌反应器,其中导流桶和反应器直径比为0.55~0.8;
所述带有导流桶的搅拌反应器结构为:在带有导流桶的搅拌反应器的导流桶内,沿导流桶轴向设置搅拌杆(2);搅拌杆(2)通过多条连接杆(6)与导流桶内壁相连;导流桶侧壁(4)上设置多个孔洞(5);导流桶上壁(3)顶端向内收缩,其与导流桶侧壁(4)的夹角为a;导流桶下壁(7)底端向外扩张,其与导流桶侧壁(4)的夹角为b;搅拌叶片(8)与位于导流桶下壁(7)内部的搅拌杆(2)的底端相连;搅拌杆(2)的顶端与电机(1)相连;
所述搅拌叶片(8)为推进式叶片;所述导流桶侧壁(4)上设置2~3排孔洞(5);所述孔洞(5)的直径为5mm~10mm;所述夹角a和夹角b的角度分别为30°~45°。
2.根据权利要求1所述的一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂的制备方法,其特征在于,所述聚醚的结构通式如下:
H2C=CH2CH2O(CH2CH2CH2O)m(CH2CH2O)nR,其中m为0~10范围内的整数,n为5~15范围内的整数,R为-H、-CH3或-C2H6。
3.根据权利要求1~2任意一项权利要求所述的一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂的制备方法,其特征在于:所述聚醚和七甲基三硅氧烷的摩尔比为(1~1.3):1。
4.根据权利要求1~2任意一项权利要求所述的一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂的制备方法,其特征在于:所述纳米孔洞材料负载的Pt(0)催化剂中的Pt元素的质量占聚醚与七甲基三硅氧烷总质量的0.005‰~0.020‰。
5.根据权利要求1所述的一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂的制备方法,其特征在于:所述六水合氯铂酸、NaHCO3、二乙烯基四甲基二硅氧烷的摩尔比为六水合氯铂酸:NaHCO3:二乙烯基四甲基二硅氧烷=1:4:6。
6.如权利要求1所述的一种聚醚改性三硅氧烷润湿剂的应用方法,其特征在于:所述聚醚改性三硅氧烷润湿剂用作水性涂料助剂、木器漆助剂以及农药助剂;所述聚醚改性三硅氧烷润湿剂使用温度为40℃~70℃,使用pH为7~10。
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PB01 | Publication | ||
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CB02 | Change of applicant information |
Address after: 101309 Beijing city Shunyi District Yangzhen longitudinal road No. 5-3 two Applicant after: Environmental Science & Technology (Beijing) Co., Ltd. Address before: 101309 Beijing city Shunyi District Yangzhen longitudinal road No. 5-3 two Applicant before: Beijing Newmat Nano Material Technology Co., Ltd. |
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COR | Change of bibliographic data | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |