CN112795200A - 一种有机硅乳化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
一种有机硅乳化剂及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于有机硅领域,尤其涉及一种有机硅乳化剂及其制备方法和应用。
背景技术
聚硅氧烷是分子结构中含有元素硅的有机高分子合成材料。由于Si-O-Si键较长,键角较大,因此使得Si-O-Si容易反转。分子间作用力小及分子呈高柔顺态,导致聚硅氧烷具有低的玻璃化转变温度、表面张力及表面能,且溶解参数及介电常数等较小。聚硅氧烷具有很多优异的物理、化学性能,如耐高低温性能、耐辐射性、耐氧化性、高透气性、耐候性、憎水性以及生理惰性等,现已在电子电器、化工、冶金、建筑、航天、航空、医用材料等众多领域中得到广泛的应用。
聚硅氧烷根据粘度划分可分得低粘度聚硅氧烷、中粘度聚硅氧烷和高粘度聚硅氧烷。其中,高粘度聚硅氧烷因具有特殊的滑爽手感、疏水性以及柔软性,已成为皮革表面处理、涂料以及纺织工业等领域的重要助剂。一般来说,聚硅氧烷粘度越大,乳化后其特殊的手触感和柔软性越强,但乳化和分散过程也越困难。因此,开发一种适用于乳化高粘度聚硅氧烷的乳化剂,是十分必要的。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种有机硅乳化剂及其制备方法和应用,本发明提供的有机硅乳化剂对高粘度聚硅氧烷具有优异的乳化性能。
本发明提供了一种有机硅乳化剂,由MQ硅树脂和第一有机聚醚脱水缩合后,再与第二有机聚醚混合制成;
所述MQ硅树脂具有式(I)结构:
[(CH3)3SiO1/2]a[SiO4/2]b[HO-SiO3/2]c 式(I);
所述第一有机聚醚和第二有机聚醚具有式(II)结构:
所述第一有机聚醚的数均分子量为1000~50000,m与n的比为(0.1~10):1;
所述第二有机聚醚的数均分子量为100~10000,m与n的比为(0.1~10):1;
所述第一有机聚醚的数均分子量大于第二有机聚醚。
优选的,所述MQ硅树脂中单官能链节和四官能链节的摩尔比为1:(1~10),羟基含量为2~15wt%;所述MQ硅树脂的数均分子量为1000~50000。
本发明提供了一种有机硅乳化剂的制备方法,包括以下步骤:
a)将MQ硅树脂、第一有机聚醚和催化剂在有机溶剂中进行反应,反应结束后加入终止剂,得到中间产物;
b)将所述中间产物、第二有机聚醚和中和剂混合,之后除有机溶剂,得到有机硅乳化剂;
所述MQ硅树脂具有式(I)结构:
[(CH3)3SiO1/2]a[SiO4/2]b[HO-SiO3/2]c 式(I);
所述第一有机聚醚和第二有机聚醚具有式(II)结构:
所述第一有机聚醚的数均分子量为1000~50000,m与n的比为(0.1~10):1;
所述第二有机聚醚的数均分子量为100~10000,m与n的比为(0.1~10):1;
所述第一有机聚醚的数均分子量大于第二有机聚醚。
优选的,步骤a)中,所述催化剂为有机锡催化剂;所述有机溶剂包括二甲苯。
优选的,步骤a)中,所述MQ硅树脂、第一有机聚醚、催化剂和有机溶剂的质量比为(10~40):(10~60):(0.01~0.5):(20~70)。
优选的,步骤a)中,所述反应的温度为130~150℃;所述反应的过程中回流脱水,待反应体系中无水分脱出后,结束反应。
优选的,步骤a)中,所述终止剂包括酒石酸、草酸、苹果酸和柠檬酸中的一种或多种。
优选的,步骤b)中,所述中间产物、第二有机聚醚和中和剂的质量比为(80~150):(20~120):(0.01~0.5)。
优选的,步骤b)中,所述混合的温度为15~35℃;所述混合的时间为0.5~2h。
本发明提供了一种聚硅氧烷乳液,所述聚硅氧烷乳液中含有上述技术方案所述的有机硅乳化剂或上述技术方案所述制备方法制得的有机硅乳化剂。
与现有技术相比,本发明提供了一种有机硅乳化剂及其制备方法和应用。本发明提供的有机硅乳化剂由MQ硅树脂和第一有机聚醚脱水缩合后,再与第二有机聚醚混合制成;所述MQ硅树脂具有式(I)结构;所述第一有机聚醚和第二有机聚醚具有式(II)结构;所述第一有机聚醚的数均分子量为1000~50000,m与n的比为(0.1~10):1;所述第二有机聚醚的数均分子量为100~10000,m与n的比为(0.1~10):1;所述第一有机聚醚的数均分子量大于第二有机聚醚。本发明提供的有机硅乳化剂具有乳化高粘度聚硅氧烷的功能,乳化形成的聚硅氧烷乳液具有良好的稳定性。实验结果表明:添加有本发明有机硅乳化剂的聚硅氧烷乳液在室温下保存4~6个月不破乳,在60℃条件下1~3个月不破乳。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的MQ硅树脂与有机聚醚进行脱水缩合的反应式。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种有机硅乳化剂,由MQ硅树脂和第一有机聚醚脱水缩合后,再与第二有机聚醚混合制成;
所述MQ硅树脂具有式(I)结构:
[(CH3)3SiO1/2]a[SiO4/2]b[HO-SiO3/2]c 式(I);
所述第一有机聚醚和第二有机聚醚具有式(II)结构:
在本发明提供的有机硅乳化剂中,所述MQ硅树脂中单官能链节((CH3)3SiO1/2,即M)和四官能链节(SiO4/2、HO-SiO3/2,即Q)的摩尔比优选为1:(1~10),具体可为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9或1:10;所述MQ硅树脂中的羟基含量优选为2~15wt%,具体可为2wt%、3wt%、4wt%、5wt%、6wt%、7wt%、8wt%、9wt%、10wt%、11wt%、12wt%、13wt%、14wt%或15wt%;所述MQ硅树脂的数均分子量优选为1000~50000,具体可为1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000、15000、20000、25000、30000、35000、40000、45000或50000。
在本发明提供的有机硅乳化剂中,所述第一有机聚醚为环氧乙烷(EO)和环氧丙烷(PO)开环共聚制成的线型无规共聚物;所述第一有机聚醚的数均分子量优选为1000~50000,具体可为1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000、15000、20000、25000、30000、35000、40000、45000或50000;所述第一有机聚醚中m与n的比(即EO/PO摩尔比)优选为(0.1~10):1,具体可为0.1:1、0.5:1、1:1、1.5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.5:1或10:1。
在本发明提供的有机硅乳化剂中,所述第二有机聚醚为环氧乙烷(EO)和环氧丙烷(PO)开环共聚制成的线型无规共聚物;所述第二有机聚醚的数均分子量小于第一有机聚醚,优选为100~10000,具体可为100、500、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、6000、7000、8000、9000或100000;所述第二有机聚醚中m与n的比(即EO/PO摩尔比)优选为(0.1~10):1,具体可为0.1:1、0.5:1、1:1、1.5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.5:1或10:1。
在本发明提供的有机硅乳化剂中,所述MQ硅树脂中的羟基与有机聚醚的端羟基脱水缩合形成有机硅乳化剂中间产物,其反应过程如图1所示,图1是本发明提供的MQ硅树脂与有机聚醚进行脱水缩合的反应式。
本发明提供的有机硅乳化剂具有乳化高粘度聚硅氧烷的功能,乳化形成的聚硅氧烷乳液具有良好的稳定性。实验结果表明:添加有本发明有机硅乳化剂的聚硅氧烷乳液在室温下保存4~6个月不破乳,在60℃条件下1~3个月不破乳。
本发明还提供了一种有机硅乳化剂的制备方法,包括以下步骤:
a)将MQ硅树脂、第一有机聚醚和催化剂在有机溶剂中进行反应,反应结束后加入终止剂,得到中间产物;
b)将所述中间产物、第二有机聚醚和中和剂混合,之后除有机溶剂,得到有机硅乳化剂;
所述MQ硅树脂具有式(I)结构:
[(CH3)3SiO1/2]a[SiO4/2]b[HO-SiO3/2]c 式(I);
所述第一有机聚醚和第二有机聚醚具有式(II)结构:
在本发明提供的制备方法中,首先将MQ硅树脂、第一有机聚醚和催化剂在有机溶剂中混合反应。其中,所述混合反应的具体过程优选包括:先将MQ硅树脂、第一有机聚醚和有机溶剂混合,回流脱水;之后再与催化剂混合,进行脱水缩合反应。在本发明中,所述MQ硅树脂和第一有机聚醚在上文中已经介绍,在此不再赘述;所述催化剂优选为有机锡催化剂,包括但不限于二月桂酸二丁基锡和/或二丁基锡;所述有机溶剂包括但不限于二甲苯。在本发明中,所述MQ硅树脂与第一有机聚醚的质量比优选为(10~40):(10~60),更优选为(10~40):30,最优选为20:30,具体可为10:30、15:30、20:30、25:30、30:30、35:30或40:30;所述MQ硅树脂与催化剂的质量比优选为(10~40):(0.01~0.5),更优选为(10~40):0.1,具体可为10:0.1、15:0.1、20:0.1、25:0.1、30:0.1、35:0.1或40:0.1;所述MQ硅树脂与有机溶剂的质量比优选为(10~40):(20~70),更优选为(10~40):50,具体可为10:50、15:50、20:50、25:50、30:50、35:50或40:50。在本发明中,所述混合催化剂之前,进行回流脱水的温度优选为130~150℃,具体可为130℃、135℃、140℃、145℃或150℃;所述回流的时间优选为0.5~2h,具体可为0.5h、1h、1.5h或2h;所述反应的温度优选为130~150℃,具体可为130℃、135℃、140℃、145℃或150℃;所述反应的过程中回流脱水,待反应体系中无水分脱出后,结束反应。
在本发明提供的制备方法中,待MQ硅树脂、第一有机聚醚和催化剂在有机溶剂中反应结束后,降低反应体系的温度,然后加入终止剂。其中,降温后的反应体系的温度优选为115~130℃,具体可为115℃、120℃、125℃或130℃;所述终止剂为高沸点有机酸,包括但不限于酒石酸、草酸、苹果酸和柠檬酸中的一种或多种;所述MQ硅树脂与终止剂的质量比优选为(10~40):(0.01~0.5),更优选为(10~40):0.1,具体可为10:0.1、15:0.1、20:0.1、25:0.1、30:0.1、35:0.1或40:0.1。终止剂加入后,反应一段时间,得到中间产物。其中,所述反应的时间优选≥0.5h。
在本发明提供的制备方法中,得到中间产物后,将所述中间产物、第二有机聚醚和中和剂混合。其中,所述混合的具体过程优选包括:先将第二有机聚醚和中和剂混合,之后再与所述中间产物混合。在本发明中,所述第二有机聚醚在上文中已经介绍,在此不再赘述;所述中间产物与第二有机聚醚的质量比优选为(80~150):(20~120),更优选为100:(20~70),具体可为100:20、100:30、100:40、100:50、100:60、100:70、100:80、100:90、100:100、100:110或100:120;所述中和剂优选为磷酸;所述中间产物与中和剂的质量比优选为(80~150):(0.01~0.5),更优选为100:(0.01~0.5),具体可为100:0.01、100:0.05、100:0.1、100:0.15、100:0.2、100:0.25、100:0.3、100:0.35、100:0.4、100:0.45或100:0.5。在本发明中,所述混合的温度优选为15~35℃,具体可为15℃、20℃、25℃(室温)、30℃或35℃;所述混合的总耗时优选为0.5~2h,具体可为0.5h、1h、1.5h或2h,其中,所述第二有机聚醚和磷酸混合的耗时优选为0.5~1h,所述与中间产物混合的耗时优选为0.5~1h。混合结束后,除有机溶剂,即可得到本发明提供的有机硅乳化剂。其中,除有机溶剂的方式优选为减压蒸馏;减压蒸馏收集的有机溶剂优选循环使用。
本发明制备的有机硅乳化剂具有乳化高粘度聚硅氧烷的功能,乳化形成的聚硅氧烷乳液具有良好的稳定性。实验结果表明:添加有本发明有机硅乳化剂的聚硅氧烷乳液在室温下保存4~6个月不破乳,在60℃条件下1~3个月不破乳。
本发明还提供了一种聚硅氧烷乳液,所述聚硅氧烷乳液中含有上述技术方案所述的有机硅乳化剂或上述技术方案所述制备方法制得的有机硅乳化剂。
本发明提供的聚硅氧烷乳液包括聚硅氧烷、水和所述乳化剂。其中,所述聚硅氧烷为高粘度聚硅氧烷,包括但不限于107胶(室温硫化甲基硅橡胶)、甲基硅油和甲基乙烯基硅橡胶生胶中的一种或多种;所述聚硅氧烷的粘度优选为500~2000万CP,具体可为1000万CP或1500万CP。
在本发明提供的聚硅氧烷乳液中,以聚硅氧烷的含量为40重量份计,所述乳化剂的含量为10~50重量份,具体可为10重量份、15重量份、20重量份、25重量份、30重量份、35重量份、40重量份、45重量份或50重量份。
在本发明提供的聚硅氧烷乳液中,以聚硅氧烷的含量为40重量份计,所述水的含量为10~50重量份,具体可为10重量份、15重量份、20重量份、25重量份、30重量份、35重量份、40重量份、45重量份或50重量份。
在本发明提供的聚硅氧烷乳液中,所述聚硅氧烷乳液由聚硅氧烷、乳化剂和水高速搅拌制成,所述搅拌的转速优选为1000~5000rpm/min,更优选为2500~3000rpm/min;所述搅拌的时间优选为2~6h,具体可为2h、3h、4h、5h或6h。
本发明提供的聚硅氧烷乳液添加有本发明提供的有机硅乳化剂,具有良好的稳定性。实验结果表明:本发明提供的聚硅氧烷乳液在室温下保存4~6个月不破乳,在60℃条件下1~3个月不破乳。
为更清楚起见,下面通过以下实施例和对比例进行详细说明。
在本发明的下述实施例中,所采用的MQ硅树脂具有式(I)结构,M/Q摩尔比为1:3,羟基含量为5wt%,数均分子量为5000;
在本发明的下述实施例中,所采用的聚醚A为无规共聚物,具有式(II)结构,EO/PO摩尔比为1:1,数均分子量为5000;
在本发明的下述实施例中,所采用的聚醚B为无规共聚物,具有式(II)结构,EO/PO摩尔比为4:1,数均分子量为2000。
实施例1
(1)将20重量份MQ硅树脂、30重量份聚醚A和50重量份二甲苯加入到反应釜A中,搅拌混合均匀后升温至135~145℃,回流脱水1小时;之后加入0.1重量份SN8催化剂(辛酸亚锡),恒温回流进行脱水缩合反应;每小时从分水器中分水,并记录重量;无水分出后(反应约5~6h),釜温降至120~125℃,加入0.1重量份终止剂(酒石酸)反应半小时,得到半成品A;
(2)以半成品A的用量为100重量份计,将50重量份聚醚B和0.2重量份份磷酸加入到反应釜B中,搅拌0.5小时;然后将100重量份半成品A加入到反应釜B中,搅拌0.5小时;接着在120℃和0.098MPa条件下减压蒸馏出二甲苯;之后冷却至55~60℃,过滤,得到MQ改性的乳化剂;
(3)将30重量份MQ改性的乳化剂、40重量份1000万CP的107胶(室温硫化甲基硅橡胶)和30重量份水投入高速分散机中,以2500~3000rpm/min乳化4小时,制备得到107胶乳液。
实施例2
(1)将10重量份MQ硅树脂、30份重量聚醚A和49.8重量份二甲苯加入到反应釜A中,搅拌混合均匀后升温至135~145℃,回流脱水1小时;之后加入0.1重量份SN8催化剂,恒温回流进行脱水缩合反应;每小时从分水器中分水,并记录重量;无水分出后(反应约5~6h),釜温降至120~125℃,加入0.1重量份终止剂(酒石酸)反应半小时,得到半成品A;
(2)以半成品A的用量为100重量份计,将50重量份聚醚B和0.2重量份磷酸加入到反应釜B中,搅拌0.5小时;然后将100重量份半成品A加入到反应釜B中,搅拌0.5小时;接着在120℃和-0.098MPa条件下减压蒸馏出二甲苯;之后冷却至55~60℃,过滤,得到MQ改性的乳化剂;
(3)将30重量份MQ改性的乳化剂、40重量份1000万CP的甲基硅油和30重量份水投入高速分散机中,以2500~3000rpm/min乳化4小时,制备得到甲基硅油乳液。
实施例3
(1)将20重量份MQ硅树脂、60重量份聚醚A和49.8重量份二甲苯加入到反应釜A中,搅拌混合均匀后升温至135~145℃,回流脱水1小时;之后加入0.1份SN8催化剂,恒温回流进行脱水缩合反应;每小时从分水器中分水,并记录重量;无水分出后(反应约5~6h),釜温降至120~125℃,加入0.1重量份终止剂(酒石酸)反应半小时,得到半成品A;
(2)以半成品A的用量为100重量份计,将50重量份聚醚B和0.2重量份磷酸加入到反应釜B中,搅拌0.5小时;然后将100重量份半成品A加入到反应釜B中,搅拌0.5小时;接着在120℃和-0.098MPa条件下减压蒸馏出二甲苯;之后冷却至55~60℃,过滤,得到MQ改性的乳化剂;
(3)将30重量份MQ改性的乳化剂、40重量份67W数均分子量的甲基乙烯基硅橡胶生胶和30重量份水投入高速分散机中,以2500~3000rpm/min乳化,制备得到甲基乙烯基硅橡胶生胶乳液。
实施例4
(1)将20重量份MQ硅树脂、30重量份聚醚A和49.8重量份二甲苯加入到反应釜A中,搅拌混合均匀后升温至135~145℃,回流脱水1小时;之后加入0.1份SN8催化剂,恒温回流进行脱水缩合反应;每小时从分水器中分水,并记录重量;无水分出后(反应约5~6h),釜温降至120~125℃,加入0.1重量份终止剂(酒石酸)反应半小时,得到半成品A;
(2)以半成品A的用量为100重量份计,将100重量份聚醚B、0.2重量份磷酸加入到反应釜B中,搅拌0.5小时;然后将100份半成品A加入到反应釜B中,搅拌0.5小时;接着在120℃和-0.098MPa条件下减压蒸馏出二甲苯;之后冷却至55~60℃,过滤,得到MQ改性的乳化剂;
(3)将30份MQ改性的乳化剂、40重量份1500万CP的107胶和30重量份水投入高速分散机中,以2500~3000rpm/min乳化4小时,制备得到107胶乳液。
对比例1
将30重量份E-1310乳化剂(HLB值13.5;江苏海安石化)、40重量份1000万CP的107胶和30重量份水投入高速分散机中,以2500~3000rpm/min乳化4小时,制备得到107胶乳液。
产品稳定性测试
对实施例1~4和对比例1制备的乳液进行稳定性测试,结果见表1:
表1为不同乳液的稳定性测试结果
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的有机硅乳化剂,其特征在于,所述MQ硅树脂中单官能链节和四官能链节的摩尔比为1:(1~10),羟基含量为2~15wt%;所述MQ硅树脂的数均分子量为1000~50000。
3.一种有机硅乳化剂的制备方法,包括以下步骤:
a)将MQ硅树脂、第一有机聚醚和催化剂在有机溶剂中进行反应,反应结束后加入终止剂,得到中间产物;
b)将所述中间产物、第二有机聚醚和中和剂混合,之后除有机溶剂,得到有机硅乳化剂;
所述MQ硅树脂具有式(I)结构:
[(CH3)3SiO1/2]a[SiO4/2]b[HO-SiO3/2]c 式(I);
所述第一有机聚醚和第二有机聚醚具有式(II)结构:
所述第一有机聚醚的数均分子量为1000~50000,m与n的比为(0.1~10):1;
所述第二有机聚醚的数均分子量为100~10000,m与n的比为(0.1~10):1;
所述第一有机聚醚的数均分子量大于第二有机聚醚。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤a)中,所述催化剂为有机锡催化剂;所述有机溶剂包括二甲苯。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤a)中,所述MQ硅树脂、第一有机聚醚、催化剂和有机溶剂的质量比为(10~40):(10~60):(0.01~0.5):(20~70)。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤a)中,所述反应的温度为130~150℃;所述反应的过程中回流脱水,待反应体系中无水分脱出后,结束反应。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤a)中,所述终止剂包括酒石酸、草酸、苹果酸和柠檬酸中的一种或多种。
8.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤b)中,所述中间产物、第二有机聚醚和中和剂的质量比为(80~150):(20~120):(0.01~0.5)。
9.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤b)中,所述混合的温度为15~35℃;所述混合的时间为0.5~2h。
10.一种聚硅氧烷乳液,其特征在于,所述聚硅氧烷乳液中含有权利要求1~2任一项所述的有机硅乳化剂或权利要求3~9任一项所述制备方法制得的有机硅乳化剂。
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