CN111019139A - 一种自乳化嵌段共聚硅油乳液的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自乳化嵌段共聚硅油乳液的制备方法,属于有机硅技术领域。本发明以端含氢硅油为原料,在氯铂酸催化剂与少量溶剂无水乙醇作用下与烯丙基环氧聚醚反应,生成端环氧中间体;再将端环氧中间体与N‑N二甲基乙二胺反应生成一种嵌段共聚硅油,通过调节聚醚基团与二甲基硅氧烷链段的比例来提高硅油的亲水性,从而实现嵌段硅油的自乳化。本发明制备工艺简单,制备原料易得,制得的嵌段共聚硅油无需加入乳化剂就可直接制得嵌段共聚硅油乳液,有效避免了乳化剂对产品性能的影响及对环境的危害,且能够有效减少成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种自乳化嵌段共聚硅油乳液的制备方法,属于有机硅技术领域。
背景技术
聚硅氧烷又称硅油,因具有链段柔顺、表面张力小等特点,广泛应用于织物柔软与仿真整理。现在市场上常使用的织物后整理剂以氨基硅油乳液为主,普遍易破乳,易黄变,整理后的织物憎水、不吸汗,很大程度影响织物的舒适感;另外,产品使用前需加乳化剂进行乳化,一定程度上增加了生产成本。近年来,相继出现了一系列氨基聚醚类、亲水类和环氧/聚醚类等改性硅油,但并不能满足人们日益增加的需求,其效果与国外开发的产品相比相差甚远。
聚醚氨基嵌段共聚硅油是近十年来发展最为迅速的一种新结构的有机硅柔软整理剂,相较于氨基硅油,聚醚氨基嵌段共聚硅油的线性更明显,同时具有自乳化性,能够在水中自乳化形成稳定的乳液,并且柔软整理效果也更突出(特别是在化纤绒布上)。目前,市面上所使用的聚醚氨基嵌段共聚硅油整理剂,都是采用异丙醇或者乙二醇单丁醚作为溶剂的嵌段共聚硅油。华南理工大学大学周勇等人通过将端含氢硅油与丙烯酸缩水甘油醚经硅氢加成反应,制得端环氧改性硅油;以异丙醇为溶剂,在加热回流条件下,通过端环氧改性硅油与聚醚胺反应,制得嵌段型聚醚/氨基改性有机硅柔软剂。通过有机硅链段的长度、聚醚链段的组成和长度等手段调节产品的分子结构,但是为提高端环氧改性硅油与聚醚胺间的相容性,但需使用大量低沸点溶剂异丙醇。随着环保要求和工厂加工对气味要求的提高,也有许多企业采用丙二醇丁醚或一缩丙二醇丁醚等气味较小的溶剂置换上述溶剂,得到无味环保的嵌段共聚硅油。但是,溶剂的使用导致整理时手感的下降,同时,溶剂本身不具有整理效果,乳化后留在体系中,导致原料浪费。
氨基硅油及改性氨基硅油作为目前应用最为广泛的后整理剂,对织物的柔软性有着显著的提升效果。但存在泛黄、稳定性差等缺点,对整理织物的外观有着严重影响,直接影响产品的市场价值。相比氨基硅油,聚醚氨基嵌段共聚硅油不仅表现出优越的抗黄变性和稳定性,在提升平滑、柔软和亲水性方面还表现出巨大的优势,并且对于纺织品耐久性和档次的提升也有着明显效果。然而聚醚氨基嵌段硅油在制备乳液时往往需要加入大量乳化剂进行乳化,乳化剂的使用在一定程度上会影响产品的使用性能,且目前市面上存在的大部分乳化剂在使用过程中均会对环境造成一定的污染。
发明内容
本发明提供一种自乳化嵌段共聚硅油乳液的制备方法,制备工艺简单,制备原料易得,制得的嵌段共聚硅油无需加入乳化剂就可直接制得嵌段共聚硅油乳液,有效避免了乳化剂对产品性能的影响及对环境的危害,且能够有效减少成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种自乳化嵌段共聚硅油乳液的制备方法,该方法包括如下步骤:
(1)端环氧中间体的制备:将端含氢硅油、烯丙基环氧聚醚和无水乙醇混合均匀,端含氢硅油与烯丙基环氧聚醚的摩尔比为1:1.8~2.2,搅拌升温至60-75℃加入催化剂,充分反应后降温得到端环氧中间体;
(2)嵌段共聚硅油的制备:采用步骤(1)制得的端环氧中间体与N-N二甲基乙二胺按1:1.2~1.6的摩尔比混合,在80-120℃下反应6-10h,降至室温后得嵌段共聚硅油;
(3)嵌段共聚硅油乳液的制备:取步骤(2)制得的嵌段共聚硅油与适量冰醋酸混合搅拌,边搅拌边加入适量蒸馏水,分多次加入所需的蒸馏水,形成透明或乳白色均匀分散的乳液。所述步骤(3)中乳化过程不加入乳化剂。
本发明以端含氢硅油为原料,在氯铂酸催化剂与少量溶剂无水乙醇作用下与烯丙基环氧聚醚反应,生成端环氧中间体;再将端环氧中间体与N-N二甲基乙二胺反应生成一种嵌段共聚硅油,通过调节聚醚基团与二甲基硅氧烷链段的比例来提高硅油的亲水性,从而实现嵌段硅油的自乳化。
本发明的创造性体现在以下几点:
1、烯丙基环氧聚醚代替现有技术中的丙烯酸缩水甘油醚,从而实现了在嵌段共聚硅油合成第一步加入溶剂进行反应,采用分布嵌段聚合的方式,以烯丙基环氧聚醚和氨基聚醚为功能单体,在硅氧烷分子主链上同时引入柔性的聚醚链段和氨基;
2、在第二步反应中,以N-N二甲基乙二胺代替聚醚胺与端环氧硅油反应, 通过分子设计,在分子主链上引入聚醚亲水链段,通过调节聚醚基团与二甲基硅氧烷链段的比例来提高硅油的亲水性,从而实现嵌段硅油的自乳化。
作为优选,所述步骤(1)中的溶剂无水乙醇用量占端含氢硅油和烯丙基环氧聚醚二者总质量的5-10%。
作为优选,所述步骤(1)中催化剂为氯铂酸。
作为优选,所述步骤(3)中冰乙酸占嵌段共聚硅油质量的4-6%。
作为优选,所述步骤(3)中机械搅拌的转速控制在6000-10000r/min。
作为优选,所述步骤(3)中冰醋酸调节乳液体系pH值至中性。加入的蒸馏水起稀释作用。
一种本发明所述制备方法制得的自乳化嵌段共聚硅油乳液。
本发明与已有技术相比具有以下有益效果:本发明制得的自乳化嵌段共聚硅油乳液无需加入乳化剂可以直接乳化,有效避免了乳化剂对产品性能的影响及其对环境的危害,符合绿色发展的主题。
具体实施方式
下面通过具体实施例,对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解,本发明的实施并不局限于下面的实施例,对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中,若非特指,所有的份、百分比均为重量单位,所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法,如无特别说明,均为本领域的常规方法。
实施例1
一种自乳化嵌段共聚硅油乳液的制备方法,具体步骤如下:
(1)将100g端含氢硅油、12g烯丙基环氧聚醚与5.6g的无水乙醇混合均匀、搅拌升温至65℃加入0.3ml氯铂酸催化剂,保温反应3h,降温至40℃取出,得端环氧中间体。
本实施例加入的端含氢硅油和烯丙基环氧聚醚的摩尔比为1:2,其中端含氢硅油的分子量为8000,烯丙基环氧聚醚的分子量为480,溶剂无水乙醇的质量占端含氢硅油、烯丙基环氧聚醚二者总质量的5%。
(2)将100g的端环氧中间体与1.5g的N-N二甲基乙二胺混合均匀,搅拌升温至100℃反应8h直至溶液变透明,降至室温后取出得嵌段共聚硅油。其中端环氧中间体与N-N二甲基乙二胺的摩尔比为1:1.4。
(3)称取40g上述(2)中所制得的嵌段共聚硅油,加入2g冰醋酸先搅拌15min,再加入158g蒸馏水,分多次缓慢加入所需的蒸馏水并继续搅拌,可制得20%质量分数的嵌段共聚硅油乳液。
实施例2
一种自乳化嵌段共聚硅油乳液的制备方法,具体步骤同实施例1,不同之处为:(1)将100g端含氢硅油、12g烯丙基环氧聚醚与5.6g的无水乙醇混合均匀、搅拌升温至65℃加入0.3ml氯铂酸催化剂,保温反应3h,降温至40℃取出得端环氧中间体.
本实施例加入的端含氢硅油和烯丙基环氧聚醚的摩尔比为1:2,其中端含氢硅油的分子量为8000,烯丙基环氧聚醚的分子量为480,溶剂无水乙醇的质量占端含氢硅油、烯丙基环氧聚醚二者总质量的5%。
(2)将100g的端环氧中间体与1.8g的N-N二甲基乙二胺混合均匀,搅拌升温至100℃反应8h直至溶液变透明,降至室温后取出得嵌段共聚硅油。其中端环氧中间体与N-N二甲基乙二胺的摩尔比为1:1.6。
(3)称取20g上述(2)中所制得的嵌段共聚硅油,加入1g冰醋酸先搅拌15min,再加入179g蒸馏水,分多次缓慢加入所需的蒸馏水并继续搅拌,可制得10%质量分数嵌段共聚硅油乳液。
实施例3
一种自乳化嵌段共聚硅油乳液的制备方法,具体步骤同实施例1,不同之处为:(1)将100g端含氢硅油、9.6g烯丙基环氧聚醚与5.5g的无水乙醇混合均匀、搅拌升温至65℃加入0.3ml氯铂酸催化剂,保温反应3h,降温至30℃取出得端环氧中间体。
本实施例加入的端含氢硅油和烯丙基环氧聚醚的摩尔比为1:2,其中端含氢硅油的分子量为10000,烯丙基环氧聚醚的分子量为480,溶剂无水乙醇的质量占端含氢硅油、烯丙基环氧聚醚二者总质量的5%。
(2)将100g的端环氧中间体与1.2g的N-N二甲基乙二胺混合均匀,搅拌升温至100℃反应8h直至溶液变透明,降至室温后取出得嵌段共聚硅油。其中端环氧中间体与N-N二甲基乙二胺的摩尔比为1:1.4。
(3)称取40g上述(2)中所制得的嵌段共聚硅油,加入2g冰醋酸先搅拌15min,再加入158g蒸馏水,分多次缓慢加入所需的蒸馏水并继续搅拌,可制得20%质量分数的嵌段共聚硅油乳液。
实施例4
一种自乳化嵌段共聚硅油乳液的制备方法,具体步骤同实施例1,不同之处为:(1)将100g端含氢硅油、9.6g烯丙基环氧聚醚与5.5g的无水乙醇混合均匀、搅拌升温至65℃加入0.3ml氯铂酸催化剂,保温反应3h,降温至30℃取出得端环氧中间体。
本实施例加入的端含氢硅油和烯丙基环氧聚醚的摩尔比为1:2,其中端含氢硅油的分子量为10000,烯丙基环氧聚醚的分子量为480,溶剂无水乙醇的质量占端含氢硅油、烯丙基环氧聚醚二者总质量的5%。
(2)将100g的端环氧中间体与1.4g的N-N二甲基乙二胺混合均匀,搅拌升温至100℃反应8h直至溶液变透明,降至室温后取出得嵌段共聚硅油。其中端环氧中间体与N-N二甲基乙二胺的摩尔比为1:1.6。
(3)称取20g上述(2)中所制得的嵌段共聚硅油,加入1g冰醋酸先搅拌15min,再加入179g蒸馏水,分多次缓慢加入所需的蒸馏水并继续搅拌,可制得10%质量分数的嵌段共聚硅油乳液。
为验证效果以及摸索最佳反应配比及条件,本发明人对所述自乳化嵌段共聚硅油乳液的制备方法进行了单因素试验,其中端环氧中间体是由端含氢硅油(M=8000)和烯丙基环氧聚醚按照摩尔比为1:2,以无水乙醇为溶剂(用量为端含氢硅油和徐炳基环氧聚醚二者总量的5%),氯铂酸为催化剂在65℃下反应三小时制得,具体过程如下:
1、以端环氧中间体(M=8000)和N-N二甲基乙二胺为反应物,反应温度为100℃,反应时间为8小时,探究端环氧硅油和N-N二甲基乙二胺的摩尔比对嵌段硅油及其乳液性能的影响,结果见表1。
表1 反应物摩尔比对聚醚氨基嵌段硅油及其乳液性能影响
序号 | 端环氧硅油分子量(g/mol) | 端环氧硅油:N-N二甲基乙二胺 | 环氧值(g/mol) | 产率(%) | 乳液外观 |
1 | 8000 | 1:1.2 | 0.0033 | 86.2% | 乳白色半透明,静置不分层 |
2 | 8000 | 1:1.4 | 0.0024 | 91.4% | 无色半透明 ,静置不分层 |
3 | 8000 | 1:1.6 | 0.0018 | 93.2% | 乳白色略法蓝光,静置不分层 |
4 | 10000 | 1:1.2 | 0.0037 | 81.7% | 乳白色不透明,静置不分层 |
5 | 10000 | 1:1.4 | 0.0053 | 76.3% | 无色半透明,静置不分层 |
6 | 10000 | 1:1.6 | 0.0047 | 79.8% | 无色透明,静置不分层 |
由表1结果可知,随着N-N二甲基乙二胺用量的增加,合成的硅油环氧值变小,自乳化嵌段硅油的产率升高。且低分子量的端环氧硅油与N-N二甲基乙二胺反应得到的嵌段硅油产率更高。
2、以端环氧中间体(M=8000)和N-N二甲基乙二胺为反应物,两者的摩尔比为1:1.4,反应温度100℃,探究反应时间对嵌段硅油及其乳液性能的影响,结果见表2。
表2 反应时间对嵌段硅油及其乳液性能的影响
序号 | 反应时间(h) | 环氧值/(g/mol) | 产率(%) | 乳液外观 |
1 | 6 | 0.0056 | 81.4% | 乳白色不透明,静置分层 |
2 | 7 | 0.0048 | 86.7% | 乳白色半透明 ,静置不分层 |
3 | 8 | 0.0022 | 94.2% | 乳白色略发蓝光,静置不分层 |
4 | 9 | 0.0017 | 95.7% | 乳白色略发蓝光,静置不分层 |
由表2可知,随着反应时间延长,嵌段硅油的环氧值逐渐降低,其产率逐渐升高。当反应时间超过8h之后,产率随时间的延长变化趋势减缓,因此选择最佳反应时间为8h。这是因为随着反应时间的增加,发生有效反应的反应物越来越多,端环氧硅油和N-N二甲基乙二胺之间发生的基团反应更加充分,生成了更多的产物,使得产率逐渐增加,当时间足够长时,功能基团已经基本消耗完毕,故产率增长幅度变小。
3、以端环氧中间体(M=8000)和N-N二甲基乙二胺为反应物,两者的摩尔比为1:1.4,反应时间为8小时,探究反应温度对嵌段硅油及其乳液性能的影响,结果见表3。
表3 反应温度对嵌段硅油及其乳液性能的影响
序号 | 反应温度(℃) | 环氧值/(g/mol) | 产率/% | 乳液外观 |
1 | 80℃ | 0.0064 | 76.9% | 乳白色不透明,静置分层 |
2 | 90℃ | 0.0057 | 82.7% | 乳白色半透明 ,静置不分层 |
3 | 100℃ | 0.0037 | 88.8% | 乳白色半透明 ,静置不分层 |
4 | 110℃ | 0.0029 | 93.5% | 乳白色略发蓝光,静置不分层 |
5 | 120℃ | 0.0023 | 94.6% | 乳白色略发蓝光,静置不分层 |
由表3可知,随着反应温度的升高,嵌段硅油的环氧值变小,其产率升高,当温度高于110℃后,产率随着温度升高变化趋势减缓,且嵌段硅油乳液外观澄清透明,因此选温度为110℃时较为合适,即110℃为最佳反应温度。这是因为反应温度升高后,双端环氧硅油与氨基聚醚分子均获得较高动能,分子间反应概率增加,有效产物随之增加;当升高至一定温度时,达到了最大比例的分子活化状态,继续增加温度,分子活化率较之会有所下降。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案,并非对本发明作任何形式上的限制,在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (7)
1.一种自乳化嵌段共聚硅油乳液的制备方法,其特征在于该方法包括如下步骤:
(1)端环氧中间体的制备:将端含氢硅油、烯丙基环氧聚醚和无水乙醇混合均匀,端含氢硅油与烯丙基环氧聚醚的摩尔比为1:1.8~2.2,搅拌升温至60-75℃加入催化剂,充分反应后降温得到端环氧中间体;
(2)嵌段共聚硅油的制备:采用步骤(1)制得的端环氧中间体与N-N二甲基乙二胺按1:1.2~1.6的摩尔比混合,在80-120℃下反应6-10h,降至室温后得嵌段共聚硅油;
(3)嵌段共聚硅油乳液的制备:取步骤(2)制得的嵌段共聚硅油与适量冰醋酸混合搅拌,边搅拌边加入适量蒸馏水,分多次加入所需的蒸馏水,形成透明或乳白色均匀分散的乳液。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述步骤(1)中的溶剂无水乙醇用量占端含氢硅油和烯丙基环氧聚醚二者总质量的5-10%。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述步骤(1)中催化剂为氯铂酸。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述步骤(3)中冰乙酸占嵌段共聚硅油质量的4-6%。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述步骤(3)中机械搅拌的转速控制在6000-10000r/min。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于所述步骤(3)中冰醋酸调节乳液体系pH值至中性。
7.一种权利要求1所述制备方法制得的自乳化嵌段共聚硅油乳液。
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