CN117597173A - 包含硅氧烷阳离子表面活性剂和胶态二氧化硅的泡沫稳定组合物 - Google Patents

包含硅氧烷阳离子表面活性剂和胶态二氧化硅的泡沫稳定组合物 Download PDF

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刘南国
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Abstract

本发明公开了一种泡沫稳定组合物，该泡沫稳定组合物包含a)胶态二氧化硅和b)硅氧烷阳离子表面活性剂。该硅氧烷阳离子表面活性剂包含具有式Z1‑D1‑N(Y)a(R)2‑a的阳离子部分，其中Z1是硅氧烷部分，D1是二价连接基团，R是H或具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团，下标a是1或2，并且每个Y具有式‑D‑NR1 3 +，其中D是二价连接基团并且每个R1独立地为具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团。灭火包括该泡沫稳定组合物和水。还提供了制备和使用该泡沫稳定组合物的方法。

Description

包含硅氧烷阳离子表面活性剂和胶态二氧化硅的泡沫稳定组 合物
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2021年7月7日提交的美国临时专利申请序列号63/218,940的权益。美国临时专利申请序列号63/218,940以引用方式并入本文。
技术领域
提供了一种泡沫稳定组合物和用于制备该泡沫稳定组合物的方法。泡沫稳定组合物适用于形成可以用于灭火应用的水性泡沫。
背景技术
水性泡沫对于扑灭B类(可燃液体)火是非常有效的，并且已经用于此目的40年至50年。用于灭火的大多数水性泡沫中的活性成分是全氟烷基表面活性剂。用全氟烷基表面活性剂制备的水性泡沫可以以小于30秒的扑灭时间(即，完全扑灭火所需的时间)熄灭火。另外，一旦火被扑灭，用全氟烷基表面活性剂制备的水性泡沫可以防止火再次点燃。
由于期望性质中的许多性质，诸如高耐化学性、高疏水性和高疏脂性，全氟烷基物质(PFAS)已得到广泛使用。然而，PFAS诸如全氟烷基表面活性剂已示出在环境条件下分解或以其他方式降解，从而产生许多含氟化合物，已发现这些含氟化合物中的一些含氟化合物具有环境持久性。因此，PFAS越来越多地从生产和使用中淘汰，从而导致许多广泛使用的全氟烷基表面活性剂和含有这些全氟烷基表面活性剂的组合物变得不可用于继续使用。
到目前为止，灭火泡沫配制人员还没有发现一种不含PFAS的产品，其在灭火方面可以提供与含有全氟烷基表面活性剂的基准水性泡沫相同的性能。市场上不含PFAS的产品要么太慢以至于不能在火上蔓延，要么泡沫在燃料之上不够稳定以有效灭火。在燃料油之上工作的一些泡沫不适于涉及可燃溶剂诸如醇类的灭火应用。
工业上需要提供不含PFAS的灭火泡沫。更具体地，工业上需要不含PFAS并且在极性和非极性燃料之上均稳定的灭火泡沫。
发明内容
本文提供了一种泡沫稳定组合物和用于制备该泡沫稳定组合物的方法。泡沫稳定组合物包含：a)胶态二氧化硅，b)硅氧烷阳离子表面活性剂，和水。还提供了包含泡沫稳定组合物的灭火泡沫，以及制备和使用该灭火泡沫的方法。
具体实施方式
泡沫稳定组合物(组合物)包含a)胶态二氧化硅，和b)硅氧烷阳离子表面活性剂，和水。此组合物还可以任选地包含一种或多种选自由以下组成的组的附加的起始材料：c)有机阳离子表面活性剂；d)载体媒剂(即，除水之外)；e)附加的表面活性剂(即，可以是阳离子、非离子或两性的表面活性剂，条件是e)附加的表面活性剂不同于起始材料b)和c))；f)流变改性剂；g)pH控制剂；以及h)泡沫增强剂。载体媒剂d)可以包含水，并且泡沫稳定组合物通常包含a)胶态二氧化硅、b)硅氧烷阳离子表面活性剂和d)水。泡沫稳定组合物可以用于泡沫组合物(即，泡沫)中，包含水性泡沫组合物、膨胀泡沫组合物、浓缩泡沫组合物和/或泡沫浓缩物，这些可以被配制和/或用于各种最终使用应用中。例如，本文所描述的泡沫稳定组合物可以用于制备适用于灭火应用(即，灭火、抑制火和/或防火)的泡沫或发泡组合物。
a)胶态二氧化硅
泡沫稳定组合物包含a)胶态二氧化硅。胶态二氧化硅由二氧化硅(SiO2)粒子构成，该等粒子当分散在碱性水中时，主要通过质子与末端硅烷醇(SiOH)基团的解离获得负表面电荷。此类粒子可从各种来源购得，例如以商标名NALCOTM自艺康(Ecolab)；以商标名LUDOXTM自美国马里兰州哥伦比亚W·R·格雷斯公司(W.R.Grace&Co.of Colombia,Maryland,USA)或美国密苏里州圣路易斯西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich,Inc.ofSt.Louis,Missouri,USA)购得。可使用大小为至少1nm，可替代地至少2nm，可替代地至少3nm，可替代地至少5nm，且可替代地至少10nm的胶态二氧化硅粒子，而同时，胶态二氧化硅粒子的大小可为至多100nm，可替代地至多75nm，可替代地至多50nm，可替代地至多25nm，且可替代地至多20nm。可替代地，粒度可以是1nm至100nm，可替代地1nm至20nm，可替代地2nm至20nm，并且可替代地10nm至20nm。可经由激光衍射测量胶态二氧化硅的粒度，激光衍射为根据国际标准ISO 13320适合于测量0.01μm至3,500μm的粒度的球形粒子的标准化方法。
不受理论的束缚，认为如果粒度>100nm，那么胶态二氧化硅将不能够快速扩散到灭火泡沫的空气-水界面，且使用组合物制备的灭火泡沫将具有较差的发泡性，但如果粒度<1nm，那么认为界面将不够刚性，且灭火泡沫可能具有较差的泡沫稳定性。
组合物中的胶态二氧化硅的量足以提供1:10-4至1:1的胶态二氧化硅重量份:阳离子表面活性剂重量份(即，阳离子表面活性剂的重量份是指b)硅氧烷阳离子表面活性剂和(当存在时)c)有机阳离子表面活性剂的合并重量)。不受理论的束缚，认为如果胶态二氧化硅的量过高(例如，按上述基础>1重量份)，那么可能形成凝胶，且可能难以使用组合物形成泡沫，和/或使用组合物制备的灭火泡沫可能不稳定。然而，如果胶态二氧化硅的量过低(例如，按上述基础<10-4重量份)，那么灭火泡沫的空气-水界面可具有不足的胶态二氧化硅粒子，导致灭火泡沫的刚度和/或稳定性不足。
b)硅氧烷阳离子表面活性剂
泡沫稳定组合物还包含起始材料b)硅氧烷阳离子表面活性剂。硅氧烷阳离子表面活性剂可以包含具有一个或多个硅氧烷链(直链、支链、多分支、耙式、侧接、末端架构)的水溶性/可分散的鎓化合物或含胺化合物。
硅氧烷阳离子表面活性剂可以是包含与抗衡离子电荷平衡的阳离子有机硅化合物的络合物。硅氧烷阳离子表面活性剂b)可以包含硅氧烷部分和一个或多个季铵部分。硅氧烷阳离子表面活性剂可具有通式(b-I)：[Z1-D1-N(Y)a(R)2-a]+y[X-x]n，其中Z1为硅氧烷部分；D1为二价连接基团；R是H或具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团；每个Y具有式-D-NR1 3 +，其中D为二价连接基团并且每个R1独立地为具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团；下标a是1或2；1≤y≤3；X是阴离子；下标n是1、2或3；并且1≤x≤3，前提条件是(x*n)＝y。
关于式(b-I)，如上所述，Z1表示硅氧烷部分。一般来说，硅氧烷部分Z1包含硅氧烷并且在其他方面不受特别限制。如本领域中所理解的，硅氧烷包含无机硅-氧-硅基团(即，-Si-O-Si-)，其中有机硅和/或有机侧基团连接至硅原子。因此，硅氧烷可由以下通式表示：
([Rx iSiO(4-i)/2]h)j(Rx)3-jSi-，其中下标i在由下标h指示的每个部分中独立地选自1、2和3，下标h是至少1，下标j是1、2或3，并且每个Rx独立地选自烃基基团、烷氧基基团和/或芳氧基基团和甲硅烷氧基基团。
适用于Rx的烃基基团包含单价烃部分，该等部分可以独立地是取代或未取代的、直链、支链、环状或它们的组合以及饱和或不饱和的。关于此类烃基基团，术语“未取代的”描述由碳和氢原子构成的烃部分，即，不含杂原子取代基。术语“取代的”描述其中至少一个氢原子被除了氢之外的原子或基团(例如，烷氧基基团或胺基团)(即，作为侧接取代基或末端取代基)替代、烃的链/主链内的碳原子被除了碳之外的原子(例如，杂原子，诸如氧、硫或氮)(即，作为链/主链的一部分)替代或同时满足这两种条件的烃部分。因此，合适的烃基基团可以包含或是在其碳链/主链中和/或其碳链/主链上具有一个或多个取代基(即，附加到其碳链/主链和/或与其碳链/主链成一体)的烃部分，使得烃部分可以包含或是例如醚或酯。直链和支链烃基基团可独立地为饱和或不饱和的，并且当不饱和时，可以是共轭或非共轭的。环状烃基基团可以独立地是单环或多环的，并且涵盖环烷基基团、芳基基团和杂环，其可以是例如芳香族的或饱和的和非芳香族的和/或非共轭的。直链和环状烃基基团的组合的示例包括烷芳基基团和芳烷基基团。适用于烃基基团中或用作烃基基团的烃部分的一般示例包括烷基基团、芳基基团、烯基基团、炔基基团以及它们的组合。烷基基团的示例包括甲基、乙基、丙基(例如异丙基和/或正丙基)、丁基(例如异丁基、正丁基、叔丁基和/或仲丁基)、戊基(例如异戊基、新戊基和/或叔戊基)、己基以及其他直链或支链饱和烃基团，例如具有超过6个碳原子。芳基基团的示例包括苯基、甲苯基、二甲苯基、萘基、苄基、二甲基苯基，它们可以与烷芳基基团(例如苄基)和芳烷基基团(例如甲苯基和二甲基苯基)重叠。烯基基团的示例包括乙烯基、烯丙基、丙烯基、异丙烯基、丁烯基、异丁烯基、戊烯基、庚烯基、己烯基和环己烯基基团。
适用于Rx的烷氧基和芳氧基基团包括具有通式-ORxi的那些，其中Rxi是上文关于Rx所阐述的烃基基团之一。烷氧基基团的示例包括甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基和苄氧基。芳氧基基团的示例包括苯氧基和甲苯氧基。
适用于Rx的合适的甲硅烷氧基基团的示例包括[M]、[D]、[T]和[Q]单元，这些单元，如本技术领域中所了解的，各自表示存在于硅氧烷诸如有机硅氧烷或有机聚硅氧烷中的单独官能的结构单元。更具体地，[M]表示通式Rxii 3SiO1/2的单官能单元；[D]表示通式Rxii 2SiO2/2的双官能单元；[T]表示通式RxiiSiO3/2的三官能单元；并且[Q]表示通式SiO4/2的四官能单元，如以下一般结构部分所示出的：
在这些一般结构部分中，每个Rxii独立地为一价或多价的取代基。如本领域中所了解的，适用于每个Rxii的具体取代基不受限制，并且可以是单原子或多原子的、有机或无机的、直链或支链的、取代或未取代的、芳族的、脂族的、饱和或不饱和的，以及它们的组合。通常，每个Rxii独立地选自烃基基团、烷氧基基团和/或芳氧基基团和甲硅烷氧基基团。因此，每个Rxii可以独立地是式-Rxi的烃基基团或式-ORxi的烷氧基或芳氧基基团(其中Rxi如上文所定义)或由上文所描述的[M]、[D]、[T]和/或[Q]单元的任何一者或组合表示的甲硅烷氧基基团。
硅氧烷部分Z1可以是直链的、支链的或它们的组合，例如基于其中存在的[M]、[D]、[T]和/或[Q]甲硅烷氧基单元的数量和排列。当呈支链形式时，硅氧烷部分Z1可以是分支度最低的，可替代地可以是多分支的和/或树枝形的。
可替代地，硅氧烷部分Z1可以是具有式-Si(R3)3的支链硅氧烷部分，其中至少一个R3是-OSi(R4)3并且其他每个R3独立地选自R2和-OSi(R4)3，其中每个R4独立地选自R2、-OSi(R5)3和-[OSiR2 2]mOSiR2 3。关于R4的这些选择，每个R5独立地选自R2、-OSi(R6)3和-[OSiR2 2]mOSiR2 3，并且每个R6独立地选自R2和-[OSiR2 2]mOSiR2 3。在每个选择中，R2是独立选择的取代或未取代的烃基基团，例如上文关于Rx所描述的那些中的任一个，并且单独选择每个下标m，使得0≤m≤100(即，在适用时的每个选择中)。
如上文所介绍的，每个R3选自R2和-OSi(R4)3，前提条件是至少一个R3具有式-OSi(R4)3。可替代地，R3中的至少两个可以具有式-OSi(R4)3。可替代地，每个R3可以具有式-OSi(R4)3。应当理解，越多的R3是-OSi(R4)3，硅氧烷部分Z1中的分支度越高。例如，当每个R3为-OSi(R4)3时，每个R3所键结的硅原子为T甲硅烷氧基单元。可替代地，当两个R3为式OSi(R4)3时，每个R3所键结的硅原子为[D]甲硅烷氧基单元。此外，当R3具有式-OSi(R4)3时，并且当R4具有式-OSi(R5)3时，在硅氧烷部分Z1中存在其他硅氧烷键和支链。当R5具有式-OSi(R6)3时，也是这种情况。因此，本领域技术人员将理解，硅氧烷部分Z1中的每个后续R3+n部分可引起产生其他支链，这取决于其具体选择。例如，R4可具有式-OSi(R5)3，并且R5可具有式-OSi(R6)3。因此，取决于每个取代基的选择，在硅氧烷部分Z1中可能存在可归因于[T]和/或[Q]甲硅烷氧基单元的其他支链(即除上述其他取代基/部分的支链以外)。
每个R4选自R2、-OSi(R5)3和-[OSiR2 2]mOSiR2 3，其中0≤m≤100。根据R4和R5的选择，硅氧烷部分Z1中可存在其他支链。例如，当每个R4为R2时，那么每个-OSi(R4)3部分(即式-OSi(R4)3的每个R3)是末端[M]甲硅烷氧基单元。换句话讲，当每个R3为-OSi(R4)3时，并且当每个R4为R2时，则每个R3可被描述为-OSiR2 3(即，[M]甲硅烷氧基单元)。可替代地，硅氧烷部分Z1可以包含键结至式(I)中的基团D的[T]甲硅烷氧基单元，其中[T]甲硅烷氧基单元由三个[M]甲硅烷氧基单元封端。此外，当为式-[OSiR2 2]mOSiR2 3时，R4包含任选的[D]甲硅烷氧基单元(即，由下标m指示的每个部分中的那些甲硅烷氧基单元)以及[M]甲硅烷氧基单元(即，由OSiR2 3表示)。因此，当每个R3具有式-OSi(R4)3并且每个R4具有式-[OSiR2 2]mOSiR2 3时，则每个R3包含[Q]甲硅烷氧基单元。可替代地，每个R3可以具有式-OSi([OSiR2 2]mOSiR2 3)3，使得当每个下标m是0时，每个R3是用三个[M]甲硅烷氧基单元封端的[Q]甲硅烷氧基单元。同样地，当下标m大于0时，每个R3包括直链部分(即，二有机基硅氧烷部分)，其中聚合度取决于下标m。
如上文所示出，每个R4也可为式-OSi(R5)3。可替代地，当一个或多个R4具有式-OSi(R5)3时，取决于R5的选择，硅氧烷部分Z1中可存在其他支链。更具体地，每个R5可以选自R2、-OSi(R6)3和-[OSiR2 2]mOSiR2 3，其中每个R6可以选自R2和-[OSiR2 2]mOSiR2 3，并且其中每个下标m是上文所定义的。
下标m是0至100、可替代地0至80、可替代地0至60、可替代地0至40、可替代地0至20、可替代地0至19、可替代地0至18、可替代地0至17、可替代地0至16、可替代地0至15、可替代地0至14、可替代地0至13、可替代地0至12、可替代地0至11、可替代地0至10、可替代地0至9、可替代地0至8、可替代地0至7、可替代地0至6、可替代地0至5、可替代地0至4、可替代地0至3、可替代地0至2、可替代地0至1，并且可替代地m可以是0。可替代地，每个下标m可以为0，使得硅氧烷部分Z1不含[D]甲硅烷氧基单元。
R2、R3、R4、R5和R6中的每一者都是独立选择的。因此，上文关于这些取代基中的每一个取代基的描述并不意味着意指或暗示每个取代基是相同的。实际上，上文与R4有关的任何描述例如可以涉及硅氧烷部分Z1中的仅一个R4或任何数目的R4等。另外，R2、R3、R4、R5和R6的不同选择可产生相同的结构。例如，如果R3为-OSi(R4)3，并且如果每个R4为-OSi(R5)3，并且如果每个R5为R2，则R3可写为-OSi(OSiR2 3)3。类似地，如果R3为-OSi(R4)3，并且如果每个R4为-[OSiR2 2]mOSiR2 3，当下标m为0时R3可以写为-OSi(OSiR2 3)3。如所示出的，基于R4的不同选择，这些具体选择产生相同的R3的最终结构。可替代地，可以选择R3、R4、R5和R6使得硅氧烷阳离子表面活性剂每分子平均具有3至10个硅原子；可替代地每分子3至6个硅原子。为此，对硅氧烷部分Z1的最终结构的任何限制条件应被视为可由产生该限制条件中要求的相同结构的替代选择满足。
可替代地，每个R2可以是独立选择的烷基基团。可替代地，每个R2可以是具有1至10个、可替代地1至8个、可替代地1至6个、可替代地1至4个、可替代地1至3个、可替代地1至2个碳原子的独立地选择的烷基基团。可替代地，每个R2可以是甲基。
可替代地，每个下标m可以是0并且每个R2可以是甲基，并且硅氧烷部分Z1可以具有以下结构(i)-(iv)之一：
进一步关于硅氧烷阳离子表面活性剂和式(I)，如上文所介绍，D1为二价连接基团。二价连接基团D1不受具体限制。通常，二价连接基团D1选自二价烃基团。此类烃基团的示例包括上文所描述的烃基和烃基团的二价形式，诸如上文关于Rx所阐述的任何二价形式。因此，应当理解，二价连接基团D1的合适的烃基团可以是取代或未取代的，并且是直链的、支链的和/或环状的。
可替代地，二价连接基团D1可以包含，可替代地二价连接基团D1可以是直链或支链烷基和/或亚烷基基团。可替代地，二价连接基团D1可以包含，可替代地二价连接基团D1是C1-C18烃部分，诸如具有式-(CH2)d-的直链烃部分，其中下标d是1至18。可替代地，下标d可以是1至16、可替代地1至12、可替代地1至10、可替代地1至8、可替代地1至6、可替代地2至6、可替代地2至4。可替代地，下标d可以为3，使得二价连接基团D1包含亚丙基(即，具有3个碳原子的链)。如本领域技术人员将理解的，由下标d表示的每个单元是亚甲基单元，使得直链烃部分可被定义或以其他方式称为亚烷基基团。还应当理解，每个亚甲基基团可独立地是未取代和未分支的，或取代的(例如，氢原子被非氢原子或基团替代)和/或分支的(例如，氢原子被烷基基团替代)。可替代地，二价连接基团D1可以包含，可替代地二价连接基团D1是未取代的亚烷基基团。可替代地，二价连接基团D1可以包含，可替代地二价连接基团D1是取代的烃基团，诸如取代的亚烷基基团。可替代地，例如，二价连接基团D1可以包含具有至少2个碳原子和至少一个杂原子(例如O、N、S或P)的碳主链，使得主链包含醚部分、胺部分、巯基部分或磷部分。
可替代地，二价连接基团D1可以包含，可替代地二价连接基团D1是被氨基取代的烃基团(即，包含被氮取代的碳链/主链的烃)。举例来说，二价连接基团D1可为具有式-D3-N(R7)-D3-的被氨基取代的烃，以使得硅氧烷阳离子表面活性剂b)可由以下式表示：[Z1-D3-N(R7)-D3-N(Y')a(R)2-a]+y[X-x]n，其中每个D3为独立地选择的二价连接基团，Z1如上文所定义和描述，R7为Y'或H，且每个R、下标a、X、上标y、上标x和下标n如上文所定义且如下文所描述。Y'是独立选择的式-D-NR1 3 +的基团，如上文针对Y所描述的。
如上文所介绍，被氨基取代的烃二价连接基团的每个D3是独立选择的。通常，每个D3包含独立选择的亚烷基基团，诸如上文关于二价连接基团D1所描述的任何亚烷基基团。例如，每个D3可以独立地选自具有1至8个碳原子、可替代地2至8个、可替代地2至6个、可替代地2至4个碳原子的亚烷基基团。可替代地，每个D3可以是亚丙基(即，-(CH2)3-)。然而，应当理解，一个或两个D3可以是或包含另一个二价连接基团(即，除上文所描述的亚烷基基团之外)。此外，每个D3可以是取代或未取代的、直链的或支链的，以及它们的各种组合。
还如上文所介绍，被氨基取代的烃的R7是H或季铵部分Y'(即，具有式-D-NR1 3 +，如上文所述)。例如，R7可以是H，使得硅氧烷阳离子表面活性剂b)可以由以下式表示：[Z1-D3-NH-D3-N(Y')a(R)2-a]+y[X-x]n，其中每个D3和Z1如上文所定义和描述，并且每个Y'、R、下标a、X、上标y、上标x和下标n如上文所定义和下文所描述。可替代地，上标y可以是1或2，其由下标a控制。更具体地，季铵部分Y'的数目将由下标a控制为1或2，分别提供+1或+2的总阳离子电荷。因此，上标x还可以为1或2，使得硅氧烷阳离子表面活性剂b)将是电荷平衡的。
可替代地，被氨基取代的烃的R7可以是季铵部分Y'，使得硅氧烷阳离子表面活性剂b)可由以下式表示：
[Z1-D3-NY-D3-N(Y')a(R)2-a]+y[X-x]n，其中每个D3和Z1如上文所定义和描述，并且每个Y'、R、下标a、X、上标y、上标x和下标n如上文所定义和下文所描述。可替代地，y＝a+1，使得上标y为2或3。更具体地，季铵部分的数目将包括R7的Y'以及由下标a控制的1个或2个季铵部分Y'，分别提供+2或+3的总阳离子电荷。因此，上标x可以为1、2或3，使得硅氧烷阳离子表面活性剂b)将是电荷平衡的。
可替代地，R7可以是Y'并且硅氧烷部分Z1可以是上文所描述的支链硅氧烷部分，使得硅氧烷阳离子表面活性剂b)可以由以下式表示：
[(R3)3Si-D3-N(-D-NR1 3 +)-D3-N(-D-NR1 3 +)a(R)2-a]+y[X-x]n，其中每个D3和R3如上文所定义和描述，并且每个D、R、R1、下标a、X、上标y、上标x和下标n如上文所定义和下文所描述。
下标a是1或2。如本领域技术人员将理解，下标a指示由子式-N(Y')a(R)2-a表示的硅氧烷阳离子表面活性剂b)的被季铵取代的氨基部分是否具有季铵基团Y'中的一个或两个(即，子式(-D-NR1 3 +)的基团)。同样，如每个这样的季铵基团Y'一样，下标a还指示平衡来自由部分a指示的季铵基团Y'的阳离子电荷所需的抗衡阴离子的数目(即，如下文所描述的阴离子X的数目)。例如，下标a可以是1，并且硅氧烷阳离子表面活性剂b)可以具有以下式：[Z1-D1-N(R)-D-NR1 3]+y[X-x]n，其中Z1和D1如上文所定义和描述，并且每个D、R、R1、X、上标y、上标x和下标n如上文所定义和下文所描述。
应理解，虽然下标a在硅氧烷阳离子表面活性剂b)的每个阳离子分子中是1或2，但是硅氧烷阳离子表面活性剂b)可包含对应于式(b-I)但彼此不同(例如相对于下标a)的阳离子分子的混合物。因此，虽然下标a是1或2，但是包含硅氧烷阳离子表面活性剂b)的混合物可具有1至2的a的平均值，诸如1.5的平均值(例如来自其中a＝1的硅氧烷阳离子表面活性剂b)的阳离子分子和其中a＝2的硅氧烷阳离子表面活性剂b)的分子的50:50混合物)。
当存在时(例如当下标a为1时)，每个R独立地表示H或具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团。可替代地，R可以为H。可替代地，R可以为具有1至4个碳原子，诸如1至3个，可替代地1至2个碳原子的烷基基团。例如，R可以是甲基基团、乙基基团、丙基基团(例如正丙基基团或异丙基基团)或丁基(基团例如正丁基、仲丁基、异丁基或叔丁基)。可替代地，每个R可以为甲基。
每个R1表示独立选择的具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团。例如，每个R1可以独立地选自具有1至4个碳原子，诸如1至3个、可替代地1至2个碳原子的烷基基团。可替代地，每个R1可以选自甲基基团、乙基基团、丙基基团(例如正丙基基团和异丙基基团)和丁基基团(例如正丁基基团、仲丁基基团、异丁基基团和叔丁基基团)。虽然独立地选择，但每个R1可以与阳离子表面活性剂中的其他R1彼此相同。例如，每个R1可以是甲基或乙基。可替代地，每个R1可以是甲基。
每个D表示独立选择的二价连接基团("连接基团D")。通常，连接基团D选自取代的和未取代的二价烃基团。此类烃基团的示例包括上述烃基和烃基团的二价形式，诸如上文关于Rx、D1和D3所阐述的任何二价形式。因此，应理解，用于或用作连接基团D的合适的烃基团可以是直链的或支链的，并且可以与任何其他二价连接基团相同或不同。
可替代地，连接基团D包含亚烷基基团，诸如上文关于二价连接基团D1所描述的亚烷基基团之一。例如，连接基团D可以包含具有1至8个碳原子，诸如1至6个，可替代地2至6个，可替代地2至4个碳原子的亚烷基基团。可替代地，连接基团D的亚烷基基团可以是未取代的。此类亚烷基基团的示例包括亚甲基基团、亚乙基基团、亚丙基基团和亚丁基基团。
可替代地，连接基团D可以包含，可替代地二价连接基团D是取代的烃基团，诸如取代的亚烷基基团。例如，连接基团D可以包含碳主链，该碳主链具有至少2个碳原子和主链中的或键结至其碳原子中的一个碳原子的至少一个杂原子(例如O)(例如作为侧接取代基)。例如，连接基团D可以包含具有式-D'-CH(-(CH2)e-OH)-D'-的被羟基取代的烃，其中每个D'独立地是共价键或二价连接基团，并且下标e是0或1。可替代地，至少一个D'可以包含独立选择的亚烷基基团，诸如上文所描述的那些亚烷基基团中的任何亚烷基基团。例如，每个D'可以独立地选自具有1至8个碳原子，诸如1至6个、可替代地1至4个、可替代地1至2个碳原子的亚烷基基团。可替代地，每个D'可以是亚甲基(即，-CH2-)。然而，应当理解，一个或两个D'可以是或可以包含另一个二价连接基团(即，除上文所描述的亚烷基基团之外)。
可替代地，每个连接基团D可以是独立选择的羟基亚丙基基团(即，其中每个D'独立地选自共价键和亚甲基，前提条件是当下标e是1时，至少一个D'是共价键，并且当下标e是0时，每个D'是亚甲基)。因此，每个连接基团D可以独立地具有以下式之一：和
可替代地，硅氧烷部分Z1可以是支链硅氧烷部分，二价连接基团D可以是被氨基取代的烃，其中每个D3是亚丙基并且R7是H，下标a是1，R是H，每个连接基团D是(2-羟基)亚丙基基团，每个R1是甲基，并且X是单价阴离子，使得式(b-I)的硅氧烷阳离子表面活性剂b)具有以下式：
其中每个R3为如上文所定义和描述的，并且X如上文所定义并且如下文所描述。可替代地，硅氧烷阳离子表面活性剂b)可以与上文刚刚描述的相同地配置，但其中下标a＝2，使得式(b-I)的硅氧烷阳离子表面活性剂b)具有以下式：其中每个R3如上文所定义和描述，并且每个X如上文所定义并且如下文所描述。可替代地，硅氧烷阳离子表面活性剂b)可以与上文刚刚描述的相同地配置，但其中R7为季铵部分Y'，使得式(b-I)的硅氧烷阳离子表面活性剂b)具有以下式：其中每个R3如上文所定义和描述，并且每个X如上文所定义并且如下文所描述。可替代地，硅氧烷阳离子表面活性剂b)可以与上文刚刚描述的相同地配置，但其中下标a＝1并且R为H，使得式(b-I)的硅氧烷阳离子表面活性剂b)具有以下式：
其中每个R3如上文所定义和描述，并且每个X如上文所定义并且如下文所描述。
每个X是具有由上标x表示的电荷的阴离子。因此，如本领域技术人员将理解的，X不受特别限制并且可以是适合于离子配对/电荷平衡一个或多个阳离子季铵部分Y和Y'的任何阴离子。因此，每个X可以是独立选择的单阴离子或聚阴离子(例如双阴离子或三阴离子)，使得一个X可以足以平衡两个或更多个阳离子季铵部分Y'。因此，阴离子X的数目(即，下标n)将基于阳离子季铵部分Y'的数目和所选X的电荷(即，上标x)而容易地选择。
合适的阴离子的示例包括有机阴离子、无机阴离子以及它们的组合。通常，每个阴离子X独立地选自不与阳离子表面活性剂的其他部分反应的单阴离子。此类阴离子的示例包括介质和强酸的共轭碱，诸如卤化物离子(例如氯化物、溴化物、碘化物、氟化物)、硫酸根(例如烷基硫酸根)、磺酸根(例如苄基磺酸根或其他芳基磺酸根)以及它们的组合。还可以利用其他阴离子，诸如磷酸根、硝酸根、有机阴离子诸如羧酸根(例如乙酸根)以及它们的组合。应当理解，此类阴离子的衍生物包括包含对于以上示例提及的两个或更多个官能团的聚阴离子化合物。例如，上述阴离子涵盖聚羧酸根(例如柠檬酸)的单阴离子和/或聚阴离子。阴离子的其他示例包括甲苯磺酸根阴离子。
可替代地，每个阴离子X可以是具有一至三个化合价的无机阴离子。此类阴离子的示例包括单阴离子，诸如氯、溴、碘、具有六至18个碳原子的芳基磺酸根、硝酸根、亚硝酸根和硼酸根阴离子、二阴离子诸如硫酸根和亚硫酸根、以及三阴离子诸如磷酸根。可替代地，每个X可以是卤化物阴离子，可替代地每个X可以是氯化物(即，Cl-)或碘化物(即，I-)；可替代地每个X可以是氯化物。
可替代地，b)硅氧烷阳离子表面活性剂可具有通式(b-II)：其中Z1为二价硅氧烷部分，D1、Y、R、a、n、x和y如上文所描述。可替代地，在通式(b-II)中，Z1可基本上为线性的；可替代地，Z1可以是直链的。Z1可包含以下，可替代地基本上由以下组成，可替代地由以下组成：通式Rxii 2SiO2/2的双官能单元，如上文所描述。
二价硅氧烷部分Z1包含无机硅-氧-硅基团(即，-Si-O-Si-)，其中有机硅和/或有机侧基团连接至硅原子。因此，二价硅氧烷部分可以由通式表示，其中每个下标i独立地选自0、1或2；下标h≥1，并且每个Rx独立地选自如上定义和描述的烃基基团、烷氧基基团和/或芳氧基基团以及甲硅烷氧基基团。可替代地，二价硅氧烷部分Z1可包含具有下式的直链硅氧烷部分：其中R2为Rxii如上文所描述，并且下标jj≥1同时下标jj≤20。可替代地，每个R2可为独立地选择的烃基基团，可替代地每个R2可为独立地选择的烷基基团。可替代地，下标jj可以是2至15；可替代地3至14。可替代地，每个R2可以是具有1至10个、可替代地1至8个、可替代地1至6个、可替代地1至4个、可替代地1至3个、可替代地1至2个碳原子的独立地选择的烷基基团。可替代地，二价硅氧烷部分Z1可具有式：可替代地，下标jj可为3或14，且每个R2可为甲基，且硅氧烷部分Z1具有以下结构(i)-(ii)之一：
可替代地，在上文针对硅氧烷阳离子表面活性剂(b-II)的式中，当D1为如上文所描述的亚烷基基团时，硅氧烷阳离子表面活性剂(b-II)可具有通式：其中Z1和下标d如上文所定义和描述，且每个Y、Y'、R、下标a、X、上标y、上标x和下标n在上文描述。此外，下标a'、下标n'、上标x'、上标y'、Y'、R'和X'各自独立地选择。下标a'可如上文针对下标a所描述。下标n'可如上文针对下标n所描述。上标x可如上文针对上标x'所描述。上标y'可如上文针对上标y所描述。R'如上文针对R所描述。X'为如针对X所描述的阴离子。可替代地，如将从以下进一步描述了解，上标y独立地为1或2，这由下标a控制；并且类似地，上标y'独立地为1或2，这由下标a'控制。更具体地说，季铵部分Y和Y'的数字将由每个下标a为1或2和下标a'为1或2控制，提供+2至+4的总阳离子电荷。每个上标x也将为1或2，且每个上标x'也将为1或2，使得硅氧烷阳离子表面活性剂(A)将为电荷平衡的。可替代地，在以上通式中，当下标a＝1且下标a'＝1)时，硅氧烷阳离子表面活性剂(b-II)可具有下式：其中Z1、R1、R、R'和D和下标d如上文所定义和描述。可替代地，在这个式中，每个D可以是被取代的烃基团，诸如被羟基取代的上文所描述的烃基团。可替代地，每个D可独立具有下式之一：可替代地，在以上通式中，当下标a＝2并且下标a'＝2时，硅氧烷阳离子表面活性剂(b-II)可具有下式：其中Z1、D、R1和下标d如上文所定义和描述。可替代地，在这个式中，每个D可以是被取代的烃基团，诸如被羟基取代的上文所描述的烃基团。可替代地，每个D可独立具有下式之一：
可替代地，在硅氧烷阳离子表面活性剂(b-II)的通式中，二价连接基团D1可以包含，可替代地可以是被氨基取代的烃基团(即，包含被氮取代的碳链/主链的烃)。例如，二价连接基团D1可以是具有式-D3-N(R7)-D3-的被氨基取代的烃，使得硅氧烷阳离子表面活性剂(b-II)可以由以下式表示：
其中D3、Z1、R7、Y、Y'、R、R'、下标a、下标a'、X、X'、上标y、上标y'、上标x、上标x'、下标n和下标n'如上所述。在这个式中，当每个R7为H时，硅氧烷阳离子表面活性剂(b-II)可以由下式表示：
其中D3、Z1、R7、Y、Y'、R、R'、下标a、下标a'、X、X'、上标y、上标y'、上标x、上标x'、下标n和下标n'如上所述。可替代地，当被氨基取代的烃的R7是季铵部分Y，使得硅氧烷阳离子表面活性剂(b-II)可由以下式表示：
其中D3、Z1、Y、Y'、R、R'、下标a、下标a'、X、X'、上标y、上标y'、上标x、上标x'、下标n和下标n'如上所述。可替代地，y＝a+1，使得上标y为2或3。可替代地，y'＝a'+1，使得上标y'为2或3。更具体地，季铵部分的数目将包含R7的Y以及由分别下标a和下标a'控制的1个或2个季铵部分Y和Y'，提供+4至+6的总阳离子电荷。因此，在此类实施方案中，上标x将为1、2或3且下标x'将为1、2或3，使得硅氧烷阳离子表面活性剂(A)将是电荷平衡的。
可替代地，b)通式(b-II)的硅氧烷阳离子表面活性剂可具有诸如下式：
其中R2、下标a和下标a'如上所述，且下标DP表示二价硅氧烷部分Z1的聚合度。下标DP可具有0至20，可替代地2至15，可替代地2至13的值。可替代地，硅氧烷阳离子表面活性剂可具有诸如下式：
其中R2、下标a、下标a'和下标DP如上文所描述。
可替代地，组合物可包含具有下式(b-i)-(b-x)之一的硅氧烷阳离子表面活性剂b)：
可替代地，硅氧烷阳离子表面活性剂b)可具有式
硅氧烷阳离子表面活性剂b)可包含上文组合或两种或更多种不同的硅氧烷阳离子表面活性剂，该组合或两种或更多种不同的硅氧烷阳离子表面活性剂在至少一种性质，诸如结构、分子量、分支度、硅和/或碳含量、阳离子季铵基团Y和/或Y'的数目(例如，当下标a(和下标a')表示平均值时)方面有所不同。硅氧烷阳离子表面活性剂可以通过2019年12月30日提交的美国临时专利申请序列号62/955192(其特此通过引用并入)中所描述的方法，通过改变合适的起始材料来制备，如下文用于制备硅氧烷阳离子表面活性剂的参考实施例中所例示的。方法包括：使(a)氨基官能化聚有机硅氧烷与(b)季铵化合物反应，得到所述硅氧烷阳离子表面活性剂。氨基官能化聚有机硅氧烷(a)包含式：Z1(-D5-NHR)a，其中Z1为上述硅氧烷部分，D5为上述共价键或未取代的二价烃基基团，R为H或上述具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团，并且下标a为1或更大，这取决于Z1的官能度。例如，当Z1是二价硅氧烷部分时，下标a＝2。
可替代地，上述氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的式中的D5可为二价连接基团，使得氨基官能化聚有机硅氧烷(a)具有式([Rx iSiO(4-i)/2]h)j(Rx)3-jSi-D5-NHR，其中Rx D5、R、下标h、下标i和下标j独立选择并且如上所定义。可替代地，硅氧烷部分Z1可以是支链硅氧烷部分，使得氨基官能化聚有机硅氧烷(a)是具有式(R3)3Si-D5-NHR的支链氨基硅氧烷，其中R、二价连接基团D5和由子式(R3)3Si-表示的支链有机硅部分为如上文关于硅氧烷阳离子表面活性剂(b)的相同部分所定义和描述。更具体地，R为H或未取代的C1-C4烃基基团，D5为二价连接基团，并且每个R3通常选自R2和-OSi(R4)3，前提条件在于至少一个R3为-OSi(R4)3，其中每个R4独立地选自R2、-OSi(R5)3和-[OSiR2 2]mOSiR2 3，其中每个R5独立地选自R2、-OSi(R6)3和-[OSiR2 2]mOSiR2 3，并且其中每个R6独立地选自R2和-[OSiR2 2]mOSiR2 3。在每种情况下，每个R2为独立地选择的取代或未取代的烃基基团，并且每个下标m被单独选择为使得0≤m≤100。尽管有以上描述，但本领域中技术人员根据上述阳离子表面活性剂的相同部分的描述将容易理解对支链有机硅部分(R3)3Si-的限制的具体变型。
可替代地，上述氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的通式中的硅氧烷部分Z1是支链有机硅部分，并且二价连接基团D5是具有式-D2-NH-D2-的氨基取代的烃，使得胺化合物(A)具有式(R3)3Si-D2-NH-D2-NHR，其中每个D2是独立地选择的二价连接基团并且每个R和R3为如上文所定义的。
可替代地，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)可具有下式：
其中每个R、R2、R5和D2独立地选择并在上文定义。可替代地，每个R5为R2，并且每个R2为甲基。可替代地，每个R为H。
可替代地，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)可具有以下结构：
其中每个R、R2、R5和D2独立地选择并在上文定义。可替代地，每个R5为R2，并且每个R2为甲基。可替代地，每个R为H。
可替代地，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)可具有以下结构：
其中每个R、R2、R5和D2独立地选择并在上文定义。在某些此类实施方案中，每个R5为R2，并且每个R2为甲基。在一些此类实施方案中，每个R为H。
在上文所阐述的关于硅氧烷部分Z1为支链有机硅部分的示例性结构中，每个R5可为R2并且每个R2可为甲基。然而，应当理解，当R5不是R2时，即当R5选自OSi(R6)3和-[OSiR2 2]mOSiR2 3时，其中每个R6选自R2和-[OSiR2 2]mOSiR2 3并且每个R2和下标m为独立地选择的并且为如上文所定义的，可以将进一步的生成支链引入到支链有机硅部分中。
可替代地，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)可以是式HRN-D5-Z1-D5NHR的双氨基官能化聚有机硅氧烷，其中R、D5和Z1如上所述，例如，以制备上述式(b-II)的硅氧烷阳离子表面活性剂。双氨基官能化聚有机硅氧烷可以是式：HRN-D5-(R2 2SiO)jjSi(R2 2)-D5-NR的双氨基官能封端的聚二有机硅氧烷，其中R、D5、R2和下标jj如上文关于式(b-II)的硅氧烷阳离子表面活性剂所述。可替代地，双氨基官能封端的聚二有机硅氧烷可以是氨丙基封端的聚二甲基硅氧烷。适合的氨基丙基封端的聚二有机硅氧烷为本领域中已知的并且可通过已知方法制备，诸如以下中所公开的：Hupfield等人的美国专利7,238,768；Suthiwangcharoen等人的美国专利11,028,229；和Suthiwangcharoen等人的美国专利11,028,233。
如本领域的技术人员鉴于本文中的描述将理解，在制备方法中利用的氨基官能化聚有机硅氧烷(a)形成阳离子表面活性剂的对应于式(b-I和b-II)中的子式Z1(-D5-NHR)a、Z-D5-N(R)-表示的氨基部分的一部分。同样地，制备方法中使用的季铵化合物(b)形成阳离子表面活性剂的对应于由式(b-I和b-II)中的子式-NR1 3 +表示的季铵部分的一部分。如下文进一步详细描述，连接基团D1通常通过氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)的反应形成，下标a受氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的性质/类型和所使用的氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)的相对量控制，且阴离子X受所使用的季铵化合物(b)的性质/类型控制。因此，应了解，除非另有说明，否则上述硅氧烷阳离子表面活性剂的描述同样适用于制备方法(例如，其起始材料)。
在制备方法中，起始材料(b)为季铵化合物，其具有式：[R9NR1 3]+[X]-，其中R9为胺反应性基团；每个R1为独立选择的上述具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团；并且X是上述关于硅氧烷阳离子表面活性剂(b)的阴离子。
胺反应性基团R9不受特定限制，并且可包括适合于由氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)制备硅氧烷阳离子表面活性剂(b)的任何基团。更具体地说，R9是能够与氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的可烷基化胺反应(例如在偶合反应中)以形成季铵化合物(b)与氨基官能化聚有机硅氧烷(a)之间的共价键的基团。具体地说，如本领域技术人员根据本文的描述将理解的，胺反应性基团R9形成硅氧烷阳离子表面活性剂的连接基团D1。氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)的偶合反应可以基于胺反应性基团R9的特定选择以及同样地氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的可烷基化胺与其反应来分类、表征或以其他方式描述。合适的偶合反应的示例包括亲核取代、开环加成、缩合、亲核加成(例如迈克尔加成)、烷基化等以及它们的组合。本领域技术人员将容易理解，此类偶合反应可以在范围内重叠，使得可以类似地分类/表征不同的偶合反应。
因此，胺反应性基团R9可以包含，可替代地可以是可缩合(例如羟基基团、羧基基团或酸酐基团，或可水解且随后可缩合的基团)、可置换(例如，如本领域所理解的“离去基团”，诸如卤素原子，或一旦置换就以离子形式稳定的其他基团，或包含此类离去基团的官能团，诸如酯、酸酐、酰胺或环氧化物)、亲电子(例如，异氰酸酯或环氧化物)或它们的各种组合的官能团。可替代地，胺反应性基团R9可包含环氧化物基团或卤素原子，可替代地环氧基团。
可替代地，季铵化合物(b)的式中的胺反应性基团R9是具有式CH(O)CH-D4-的环氧化物官能团，使得季铵化合物(b)的四(有机)铵阳离子部分具有下式：
其中每个R1被独立地选择并且为如上文所定义，并且D4是二价连接基团。
一般来讲，D4选自二价取代或未取代的烃基团，其可任选地例如被烷氧基、甲硅烷氧基、甲硅烷基、氨基、酰氨基、乙酰氧基和氨氧基基团改性或取代。D4可以是直链或支链的。在一些实施方案中，D4为C1-C20烃基团。然而，D4可以是包含具有至少一个杂原子(例如O、N或S，可替代地O或N)的主链的烃基团。例如，D4可为具有包含醚部分的主链的烃。可替代地，可选择D4，使得胺反应性基团R9包含缩水甘油醚。可替代地，D4可以为亚烷基基团，诸如亚甲基或亚乙基。可替代地，D4可以是亚甲基，使得胺反应性基团R9是环氧丙基基团。
可替代地，季铵化合物(b)的四(有机)铵阳离子部分可具有式：其中每个R1独立选择并且如上所定义；可替代地，每个R1可以是甲基。
可替代地，季铵化合物(b)的通式中的胺反应性基团R9可是具有式X'”-D4-的卤代烷基基团，其中D4为如上文所定义的，并且X'”是氯或溴。举例来说，胺反应性基团R9可包含，可替代地可为卤代乙基基团、卤代丙基基团、卤代丁基基团、卤代戊基基团、卤代己基基团、卤代庚基基团或卤代辛基基团，诸如此类基团的氯或溴形式(例如，5-溴戊基或2-氯乙基、2-溴乙基)以及它们的被取代的衍生物(例如3-氯-2-羟丙基)。
也考虑适合用作季铵化合物(b)的化合物的具体示例包括缩水甘油三甲基氯化铵、(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵、(5-溴戊基)三甲基溴化铵、(2-溴乙基)三甲基溴化铵、(2-氯乙基)三甲基氯化铵，以及它们的组合(可替代地盐形式、可替代地卤代形式(例如溴与氯、氯与溴))。可替代地，其他化合物也可以用于季铵化合物(b)中或用作季铵化合物(b)，诸如(3-羧丙基)三甲基氯化铵、[3-(甲基丙烯酰基氨基)丙基]三甲基氯化铵、[2-(丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵，以及它们的组合。
季铵化合物(b)可以以任何量使用，其将由本领域技术人员取决于各种因素选择，包括选择用于反应的特定胺官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)、采用的反应参数、反应规模(例如待反应的季铵化合物(b)，和/或待制备的硅氧烷阳离子表面活性剂的总量)。
季铵化合物(b)可作为该方法的一部分制备，或以其他方式获得(即，作为所制备的化合物)。制备适于用于季铵化合物(b)中或用作季铵化合物(b)的化合物的方法是本领域中熟知的，并且此类化合物中的一些可从各种供应商商购获得。另外，当作为制备方法的一部分时，制备季铵化合物(b)可在氨基官能化聚有机硅氧烷(a)与季铵化合物(b)的反应之前进行，或原位进行(即，在(a)与(b)的反应期间)，使得(b)在形成时被消耗，例如经由将季铵化合物(b)与氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和任选的(c)催化剂的组分组合。
可获得或形成组分(a)和(b)中的每一者。更具体地，如上文所介绍，可以“原样”提供氨基官能化聚有机硅氧烷(a)、季铵化合物(b)中的每一者，即准备好反应以制备阳离子表面活性剂。可替代地，组分(a)和(b)中的任一者或两者可以在反应之前或期间形成。因此，在一些实施方案中，制备方法包括制备氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和/或季铵化合物(b)。在具体实施方案中，制备方法包括制备氨基官能化聚有机硅氧烷(a)。
氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)中的每一者可以以任何形式使用，诸如纯形式(即，不存在载体媒剂诸如溶剂和/或稀释剂)，或置于载体媒剂中。例如，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)的反应可在载体媒剂(例如溶剂、稀释剂和/或分散剂)的存在下进行。载体媒剂可以包含，可替代地可为溶剂、流体、油(例如有机油和/或硅油)或它们的组合。如上所述用于起始材料(d)的载体媒剂适用于制备方法中。可替代地，可使用与水不混溶的溶剂或流体。
当使用时，载体媒剂将基于各种因素来选择，包括考虑到期望的偶合反应，所选择的特定氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)。可替代地，可基于偶合反应中胺反应性基团R9的性质和类型和/或涉及载体媒剂的偶合反应的类型来选择载体媒剂。例如，制备方法可在存在包含极性组分，诸如水、醇、醚、乙腈、二甲基甲酰胺、二甲亚砜或它们的组合的载体媒剂的情况下进行。同样地，应当理解，载体媒剂的部分可以被添加到氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)和/或其他组分(如果使用/使用时)中或以其他方式离散地与这些组分组合，共同地与组分的混合物组合，或与作为整体的反应混合物组合。同样，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和/或季铵化合物(b)可在与反应混合物的任何一种或多种其他组分组合之前、期间或之后与载体媒剂(如果使用的话)组合。存在于反应混合物中的载体媒剂/溶剂的总量将由本领域技术人员例如基于包括所选择的特定组分和所采用的反应参数的各种因素选择。
可替代地，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)可以不含，可替代地基本上不含载体媒剂。在一些此类实施方案中，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)可不含，可替代地基本上不含与氨基官能化聚有机硅氧烷(a)、季铵化合物(b)、所制备的硅氧烷阳离子表面活性剂和/或反应混合物的任何一种或多种其他组分具有反应性的载体媒剂/挥发物。例如，制备方法可包括在将氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)与反应混合物的任何一种或多种其他组分组合之前，从氨基官能化聚有机硅氧烷和季铵化合物中除去挥发物和/或溶剂。用于去除挥发物的技术是本领域已知的，并且可以包括伴随加热的反萃取和/或蒸馏、干燥、施加减压/真空、与溶剂的共沸、以及利用例如分子筛的吸附、以及它们的组合。可替代地，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)的反应可以在不存在任何载体媒剂或溶剂的情况下进行，即，使得在反应过程中反应混合物中不存在载体媒剂或溶剂(例如，反应混合物不含、可替代地基本上不含溶剂)。尽管上文如此描述，但氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)中的一者或两者可以是载体，例如当以足以携带、溶解或分散反应混合物的任何其他组分的量而作为流体使用时。
所使用的氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)的相对量可以例如基于所选择的特定氨基官能化聚有机硅氧烷(a)、特定季铵化合物(b)和所使用的反应参数(例如是否使用催化剂或其他组分)变化。通常，使用过量(例如摩尔量和/或化学计量)的氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)之一以完全转化或消耗氨基官能化聚有机硅氧烷(a)或季铵化合物(b)，例如以简化由此形成的反应产物的纯化。例如，在某些实施方案中，季铵化合物(b)以氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的相对过量使用，以使氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的烷基化最大化，以由其制备硅氧烷阳离子表面活性剂。应当理解，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)可以替代地过量于季铵化合物(b)使用(例如，当需要最大消耗季铵化合物(b)，和/或氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的有限烷基化是期望的时)。
如本领域技术人员所理解的，基于氨基官能化聚有机硅氧烷(a)内的可烷基化氨基基团(例如N-H基团)数目，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)与季铵化合物(b)的烷基化/偶合以理论最大值发生。具体地，参考上述氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的通式，当R为未取代的烃基基团时，式-NHR的胺部分可以被烷基化一次，并且当R为H时，可以被烷基化两次。此外，当二价连接基团D5为式-D2-NH-D2-的氨基取代的烃部分时，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)包含另一个可烷基化氨基基团。因此，取决于R和二价连接基团D5的选择，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)可包含一个、可替代地两个、可替代地三个可烷基化氨基基团。这些可烷基化氨基基团中的每一个可以与胺反应性基团R9中的一个反应，使得氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的每个可烷基化氨基基团需要一个摩尔当量的季铵化合物(b)，以实现理论上完全(即最大)烷基化反应。同样地，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)与季铵化合物(b)的反应的理论最大化学计量比为1:1[N-H]:[R9]，其中[N-H]表示氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的可烷基化氨基基团的数目，并且[R9]表示季铵化合物(b)的胺反应性基团R9的数目，其通常固定为1。因此，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)通常以10:1至1:10、可替代地8:1至1:8、可替代地6:1至1:6、可替代地4:1至1:4、可替代地2:1至1:2、可替代地1:1[N-H]:[R9]的化学计量比反应，其中[N-H]和[R9]为如上文所定义的。可替代地，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)以10:1至1:10、可替代地8:1至1:8、可替代地6:1至1:6、可替代地4:1至1:4、可替代地2:1至1:2、可替代地1:1.5(a):(b)的摩尔比反应。
然而，应当理解，也可以使用上述特定范围之外的比率。例如，诸如当季铵化合物(b)在反应期间用作载体(即，溶剂或稀释剂)时，季铵化合物(b)可以显著过量(例如，以氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的化学计量或摩尔量的≥5倍、可替代地≥10倍、可替代地≥15倍、可替代地≥20倍的量)使用。可替代地，诸如当氨基官能化聚有机硅氧烷(a)在反应期间用作载体(即，溶剂或稀释剂)时，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)可以显著过量(例如，以季铵化合物(b)的化学计量或摩尔量的≥5倍、可替代地≥10倍、可替代地≥15倍、可替代地≥20倍的量)使用。无论如何，本领域技术人员将容易地选择各种组分的特定量和比率以制备如本文所述的硅氧烷阳离子表面活性剂，包括上文所描述的理论最大反应率、任何载体媒剂的存在和所利用的特定组分。
可替代地，制备方法可包括使氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)在存在(c)催化剂的情况下反应。包含催化剂(c)通常基于季铵化合物(b)的胺反应性基团R9的选择。同样，本领域技术人员将基于所选择的特定氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)容易地选择被选择用于或用作催化剂(c)的特定类型或特定化合物。更具体地说，选择催化剂(c)以催化氨基官能化聚有机硅氧烷(a)与季铵化合物(b)的偶合，并且因此将基于所使用的季铵化合物(b)的特定胺反应性基团R9和所期望的偶合反应的类型来选择。因此，催化剂(c)不受特别限制，并且可包含或为适合于促进氨基官能化聚有机硅氧烷(a)与季铵化合物(b)偶合(例如，通过氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的可烷基化胺和季铵化合物(b)的胺反应性基团R9的反应/包括它们)的任何化合物，如本领域技术人员根据本文的描述将理解。例如，催化剂(c)可选自促进包括开环加成、亲核取代、亲核加成、烷基化、缩合的反应以及此类反应的组合的那些。
可替代地，催化剂(c)可以包含，可替代地可以是酸或碱催化剂，诸如无机或有机碱或酸(即，酸型或碱型催化剂)、路易斯酸(Lewis acid)或路易斯碱。可替代地，催化剂(c)可包含金属原子，可替代地可基本上不含金属原子，可替代地可不含金属原子。如本领域技术人员所理解的，酸/碱型催化剂可以用于通过开环反应、亲核取代、亲核加成或缩合使氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)偶合。
适用于或用作催化剂(c)的酸/碱型催化剂的示例包括氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化铯(CsOH)、氢氧化四甲基铵((CH3)4NOH)、1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)、磺酸、硫酸(H2SO4)、羧酸、无机酸以及它们的组合。可替代地，催化剂(c)可包含，可替代地可是无机酸，诸如盐酸(HCl)、硝酸(HNO3)、磷酸(H3PO4)、硫酸(H2SO4)、硼酸(H3BO3)、氢氟酸(HF)、氢溴酸(HBr)、高氯酸(HClO4)，或它们的组合。可替代地，可基于阴离子X(或X')来选择无机酸。例如，在某些实施方案中，阴离子是Cl-，并且催化剂(c)包含，可替代地是盐酸。
制备适合使用于或用作催化剂(c)的化合物的方法在本领域中是熟知的，并且本文中所列出的许多化合物可从各种供应商那里购得。因此，催化剂(c)可作为制备方法的一部分而制备或以其他方式获得(即，作为制备的化合物)。另外，制备催化剂(c)可在氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)的反应之前进行，或原位进行(即，在(a)和(b)的反应期间，例如通过将催化剂的组分(c)与(a)和/或(b)组合)。
催化剂(c)可以任何形式利用，诸如纯形式(即，不存在载体媒剂，诸如溶剂或稀释剂)，或置于载体媒剂，诸如溶剂或稀释剂(例如，诸如上文所列出的那些中的任一者)中。可替代地，催化剂(c)可以不存在与氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)、催化剂(c)本身(即，至少直到与(a)和(b)组合)和/或所制备的硅氧烷阳离子表面活性剂具有反应性的水和/或载体媒剂/挥发物的形式使用。例如，制备方法可以包括从催化剂(c)中去除挥发物和/或溶剂(例如水或有机溶剂)。用于去除挥发物的技术是本领域已知的，并且可以包括加热、干燥、施加减压/真空、与溶剂的共沸、利用分子筛的吸附、以及它们的组合。可替代地，催化剂(c)可用作载体媒剂中的溶液或悬浮液。例如，催化剂(c)可包含无机酸的水性溶液，诸如HCl(水溶液)。
催化剂(c)可以以任何量使用，该量将由本领域技术人员选择，例如取决于所选择的特定催化剂(c)(例如其活性组分的浓度/量、所使用的催化剂的类型和所进行的偶合反应的类型)、所采用的反应参数、反应规模(例如氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)的偶合总量)。在反应中使用的用于偶合氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和/或季铵化合物(b)的催化剂(c)的摩尔比可影响它们的偶合以制备硅氧烷阳离子表面活性剂的速率和/或量。因此，与偶合氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和/或季铵化合物(b)相比，催化剂(c)的量，以及它们之间的摩尔比可以变化。通常，选择这些相对量和摩尔比以最大化(a)和(b)的反应，同时最小化催化剂(c)的负载(例如，以增加反应的经济效率和/或增加所形成的反应产物的纯化容易度)。然而，基于所使用的氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的偶合总量(即，wt./wt.)，催化剂(c)的用量可为0.000001％至50％。例如，基于所使用的氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的偶合总量，催化剂(c)的用量可为0.000001％至40％、可替代地0.000001％至20％、可替代地0.000001％至10％、可替代地0.000002％至5％、可替代地0.000002％至2％、可替代地0.000002％至0.5％、可替代地0.00001％至0.5％、可替代地0.0001％至0.5％、可替代地0.001％至0.5％且可替代地0.01％至0.5％。可替代地，基于所使用的季铵化合物(b)的偶合总量(即，wt./wt.)，催化剂(c)的反应用量可为0.000001％至50％。例如，基于所使用的季铵化合物(b)的总量，催化剂(c)的用量可为0.000001％至40％、可替代地0.000001％至20％、可替代地0.000001％至10％、可替代地0.000002％至5％、可替代地0.000002％至2％、可替代地0.000002％至0.5％、可替代地0.00001％至0.5％、可替代地0.0001％至0.5％、可替代地0.001％至0.5％、可替代地0.01％至0.5％。应当理解的是，也可以采用在这些范围之外的比。
可替代地(例如，当交联反应的类型指示化学计量负载时)，可以基于反应的一种或多种组分的摩尔比对所利用的催化剂(c)的量进行选择和/或确定，如本领域技术人员将理解的。基于所使用的氨基官能化聚有机硅氧烷(a)或季铵化合物(b)的总量，可在反应混合物中使用催化剂(c)的量为0.001mol％至50mol％。例如，基于所利用的(a)的总量，所利用的(b)的总量，或所利用(a)和(b)的总(即，合并)量，催化剂(c)的用量可为0.005mol％至40mol％、可替代地0.005mol％至30mol％、可替代地0.005mol％至20mol％、可替代地0.01mol％至20mol％。然而，应当了解，可以利用这些范围之外的比率。
使氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)反应通常包括合并氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)。换句话说，除了合并(a)和(b)之外，通常不需要反应还原的主动步骤，尽管本文描述了各种任选步骤。
通常，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)以及任选的(c)在反应器中反应以制备硅氧烷阳离子表面活性剂。当反应在如下所述的升高或降低的温度下进行时，反应器可以以任何合适的方式加热或冷却，例如经由夹套、罩、交换器、浴或盘管。
氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)以及任选的催化剂(c)可以一起或分开地进料到反应器中，或者可以以任何添加顺序和任何组合方式置于反应器中。例如，(b)和(c)可以添加到含有(a)的反应器中，并且(b)和(c)可以任选地在加入之前首先合并，或者可以依序添加到反应器中(例如(c)然后(b))。可替代地，可以将(c)作为预制催化剂或作为单独组分添加到含有(a)和(b)的反应器中，以原位形成催化剂(c)。一般来讲，本文中对“反应混合物”的提及通常是指包含(a)、(b)以及任选的(c)(如果使用的话)的混合物(例如，通过组合这些组分而获得，如上文所述)。
制备方法还可包括搅拌反应混合物。当例如在它们的反应混合物中组合时，搅拌可增强(a)、(b)以及任选的(c)一起的混合和接触。此类接触独立地可以采用其他条件，伴有搅拌(例如同时或依序地)或没有搅拌(即，独立于搅拌，可替代地代替搅拌)。可定制其他条件以增强氨基官能化聚有机硅氧烷(a)与季铵化合物(b)的接触并因此增强它们的反应，以形成硅氧烷阳离子表面活性剂。其他条件可以是用于提高反应产率或使伴随硅氧烷阳离子表面活性剂包含在反应产物内的特定反应副产物的量最小化的结果有效的条件。
氨基官能化聚有机硅氧烷(a)与季铵化合物(b)可以在均相或非均相条件下，诸如在均相溶液或多相(例如双相)反应中反应。(a)和(b)的反应的特定形式和条件任选地在催化剂(c)存在下被独立地选择，如将从本文的实施例理解的。
可替代地，取决于所利用的特定季铵化合物(b)，(a)和(b)的反应可以产生副产物。一旦产生，这些副产物就可从反应混合物中去除。如本领域所理解的，一些偶合反应是可逆反应，使得从反应混合物中去除副产物在有利于硅氧烷阳离子表面活性剂的选择性和/或硅氧烷阳离子表面活性剂总产率方面影响反应(例如，通过选择性地驱动反应的平衡朝向该产物)。去除副产物可以包括蒸馏、加热、施加减压/真空、与溶剂共沸、例如利用分子筛的吸附，以及它们的组合，甚至在反应期间。
可替代地，反应可在高温下进行。将根据各种因素来选择和控制高温，包括所选择的特定氨基官能化聚有机硅氧烷(a)、所选择的特定季铵化合物(b)和所选择的反应器(例如，是否对环境压力开放、密封或在减压下)。因此，鉴于所选择的反应条件和参数以及本文的描述，本领域技术人员将容易地选择升高的温度。然而，高温可为高于25℃(环境温度)至300℃，可替代地30℃至260℃、可替代地30℃至250℃、可替代地35℃至250℃、可替代地35℃至225℃、可替代地35℃至200℃、可替代地40℃至200℃、可替代地40℃至180℃、可替代地40℃至160℃、可替代地45℃至140℃、可替代地45℃至120℃、可替代地40℃至120℃。
应当理解，高温也可以不同于上述范围，尤其是当组合利用高温和另一种条件(例如减压)二者时。同样地，还应理解的是，在(a)和(b)的反应期间可修改反应参数。例如，在反应期间可独立选择或修改温度、压力和其他参数。这些参数中的任一个参数可独立地是环境参数(例如，室温和/或大气压)和/或非环境参数(例如，低温或高温以及/或者低压或高压)。也可动态地修改、实时地修改即在该反应期间修改任何参数，或者任何参数可为不变的(例如，在反应的持续时间内，或在其任何部分内)。
进行(a)和(b)反应以制备硅氧烷阳离子表面活性剂的时间随各种因素而变，包括规模、反应参数和条件以及特定组分的选择。在相对较大的规模(例如大于1kg、可替代地5kg、可替代地10kg、可替代地50kg、可替代地100kg)下，反应可进行数小时，诸如2小时至240小时、可替代地2小时至120小时、可替代地2小时至96小时、可替代地2小时至72小时、可替代地2小时至48小时、可替代地3小时至36小时、可替代地4小时至24小时、可替代地6小时、12小时、18小时、24小时、36小时或48小时，如本领域技术人员将容易确定(例如通过监测氨基官能化聚有机硅氧烷(a)的转化或硅氧烷阳离子表面活性剂的产生，诸如通过色谱和/或光谱方法)。在某些实施方案中，在(a)和(b)任选地在催化剂(c)的存在下组合之后，反应进行的时间是大于0小时至240小时、可替代地1小时至120小时、可替代地1小时至96小时、可替代地1小时至72小时、可替代地1小时至48小时、可替代地1小时至36小时、可替代地1小时至24小时、可替代地1小时至12小时、可替代地2小时至12小时、可替代地2小时至8小时。在具体实施方案中，进行反应的时间为大于0小时至10小时、诸如1分钟至8小时、可替代地5分钟至6小时、可替代地10分钟至4小时、可替代地30分钟至3小时。
通常，氨基官能化聚有机硅氧烷(a)和季铵化合物(b)的反应制备包含硅氧烷阳离子表面活性剂的反应产物。具体地讲，在反应过程中，包含(a)和(b)的反应混合物包含增加量的硅氧烷阳离子表面活性剂和减少量的(a)和(b)。一旦反应完成(例如(a)和(b)之一被耗尽，和/或没有制备附加的硅氧烷阳离子表面活性剂)，反应混合物可以被称为包含硅氧烷阳离子表面活性剂的反应产物。这样，反应产物通常包含任何剩余量的(a)和(b)和任选的(c)，以及它们的降解产物和/或反应产物(例如，先前未经由任何蒸馏、反萃取和/或吸附去除的副产物和/或其他材料)。如果该反应是在任何载体媒剂中进行，则反应产物也可包含此类载体媒剂。
可替代地，制备方法还可任选地包括调节反应产物的pH。如本领域技术人员将理解的，调节反应产物的pH包括分别添加酸或碱以增加或降低pH。例如，调节pH可包括以足以将反应产物的pH调节到≥8、可替代地≥9的量添加酸(例如HCl)。可替代地，制备方法包括以足以使硅氧烷阳离子表面活性剂的一些但并非全部胺基团质子化的量添加酸，使得反应产物被制备为缓冲溶液(即，具有游离胺基团以及其质子化形式(例如铵阳离子)两者)。
可替代地，制备方法还可包括从反应产物中分离和/或纯化硅氧烷阳离子表面活性剂。如本文所用，分离硅氧烷阳离子表面活性剂通常定义为相比于与其组合的其他化合物(例如在反应产物或其纯化形式中)增加硅氧烷阳离子表面活性剂的相对浓度。因此，如本领域所理解的，分离/纯化可以包括从这种组合中除去其他化合物(即，降低与硅氧烷阳离子表面活性剂组合的杂质的量，例如在反应产物中)和/或从该组合中除去硅氧烷阳离子表面活性剂本身。可采用任何合适的分离技术和/或方案。合适的分离技术的示例包括蒸馏、反萃取/蒸发、萃取、过滤、洗涤、分配、相分离、色谱、吸附和它们的组合。如本领域技术人员将理解的，这些技术中的任一种可与任何其他技术组合(即，依序地)使用以分离硅氧烷阳离子表面活性剂。应理解，分离可包括并因此可称为纯化硅氧烷阳离子表面活性剂。然而，与用于分离硅氧烷阳离子表面活性剂的那些相比，纯化阳离子表面活性剂可包括替代和/或附加的技术。无论所选择的具体技术如何，硅氧烷阳离子表面活性剂的分离和/或纯化可以与反应本身依次(即，按顺序)进行，并因此可以自动化。在其他情况下，纯化可以是包含硅氧烷阳离子表面活性剂的反应产物经受的独立程序。
可替代地，分离硅氧烷阳离子表面活性剂可包括例如通过向其中添加附加的有机或水性溶剂来改变载体媒剂的溶解度特征，例如以对反应产物进行分配和/或相分离。可替代地，分离硅氧烷阳离子表面活性剂可包括过滤除去反应产物的其他组分(即，其中硅氧烷阳离子表面活性剂存在于残余物/固体中。可替代地，分离硅氧烷阳离子表面活性剂可包括从硅氧烷阳离子表面活性剂(例如用有机和/或水性溶剂)洗去反应产物的其他组分。可替代地，分离硅氧烷阳离子表面活性剂可包括从其中反萃取溶剂和/或其他挥发性组分，这包括干燥硅氧烷阳离子表面活性剂b)。
用于泡沫稳定组合物中的上述制备的硅氧烷阳离子表面活性剂b)的量取决于各种因素，包括所制备的组合物的形式、其期望的用途以及其中存在的其他起始材料。例如，本领域技术人员将理解，当组合物配制为浓缩物时，与非浓缩形式相比，硅氧烷阳离子表面活性剂b)将以更高的相对量存在。因此，硅氧烷阳离子表面活性剂b)可以以足以提供胶态二氧化硅:硅氧烷阳离子表面活性剂的如下重量比的量存在于泡沫稳定组合物中：即，a):b)重量比(wt:wt)为1:10-4至1:1，可替代地当起始材料c)有机阳离子表面活性剂不存在时，1:10-4至1:0.1。可替代地，起始材料b)和c)，即a:(b+c)为1:10-4至1:1，可替代地1:10-4至1:0.1。
c)有机阳离子表面活性剂
如上文所介绍，起始材料c)是任选的有机阳离子表面活性剂，即，包含与抗衡离子电荷平衡的阳离子有机季铵化合物的络合物。有机阳离子表面活性剂c)包含烃部分和一个或多个季铵部分，并且符合通式(c-I)：[Z2-D2-N(Y')b(R)2-b]+y[X-x]n，其中Z2是未取代的烃基基团；D2是共价键或二价连接基团；下标b是1或2；并且每个R、Y、上标y、X、下标n和上标x是独立选择并且如上文所定义的。
关于有机阳离子表面活性剂c)和式(c-I)，每个R、Y'、上标y、X、下标n和上标x是独立选择并且如上文关于硅氧烷阳离子表面活性剂b)所定义的。因此，虽然下文举例说明了关于表示有机阳离子表面活性剂c)的式(c-I)中的这些变量的具体选择，但是应理解，此类选择不是限制性的，而是所有描述R、Y'、上标y、X、下标n和上标x以及它们的变量(例如，季铵部分Y'的二价连接基团D、基团D'和二价连接基团D的下标e)。
在式(c-I)中，Z2是未取代的烃基基团，并且在其他方面不受具体限制。合适的此类烃基基团的示例包括上文关于Rx所描述的未取代的单价烃部分。因此，应了解，烃基基团Z2可以包含，可替代地可以是直链、支链、环状或它们的组合。同样，烃基基团Z2可包含脂族不饱和，包括烯属和/或乙炔属不饱和(即，C-C双键和/或三键，也分别称为烯烃和炔烃)。烃基基团Z2可以仅包含一个此类不饱和基团，或可替代地可以包含多于一个不饱和基团，该不饱和基团可以是非共轭的或共轭的(例如，当烃基基团Z2包含例如二烯、烯炔或二炔时)和/或芳香族的(例如，当烃基基团Z2包含例如苯基基团或苄基基团时)。
可替代地，烃基基团Z2可以是具有3至18个碳原子的未取代的烃基部分。可替代地，烃基基团Z2可以包含，可替代地烃基基团Z2可以是烷基基团。合适的烷基基团包括饱和烷基基团，其可以是直链的、支链的、环状的(例如，单环或多环)或它们的组合。此类烷基基团的示例包括具有通式CfH2f-2g+1的那些，其中下标f为5至20(即，存在于烷基基团中的碳原子的数目)，下标g为独立环/环状圈的数目，并且由下标f指定的至少一个碳原子键结至以上通式(c-I)中的基团D2。此类烷基基团的直链和支链异构体的示例(即，其中烷基基团不含环基基团，使得下标f＝0)包括具有通式CfH2f+1的那些，其中下标f如上文所定义并且由下标f指定的至少一个碳原子键结至以上通式(c-I)中的基团D2。单环烷基基团的示例包括具有通式CfH2f-1的那些，其中下标f如上文所定义，并且由下标f指定的至少一个碳原子键结至以上通式(c-I)中的基团D2。
此类烷基基团的具体示例包括戊基基团、己基基团、庚基基团、辛基基团、壬基、癸基基团、十一烷基基团、十二烷基基团、十三烷基基团、十四烷基基团、十五烷基基团、十六烷基基团、十七烷基基团、十八烷基基团、十九烷基基团和二十烷基基团，包括它们的直链、支链和/或环状异构体。例如，戊基基团涵盖正戊基(即，直链异构体)和环戊基(即，环状异构体)，以及支链异构体，诸如异戊基(即，3-甲基丁基)、新戊基(即，2,2-二甲基丙基)、叔戊基(即，2-甲基丁-2-基)、仲戊基(即，戊-2-基)、仲异戊基(即，3-甲基丁-2-基))、3-戊基(即，戊-3-基)和活性戊基(即，2-甲基丁基)。
可替代地，烃基基团Z2可以包含，可替代地可以是式-(CH2)f-1CH3的未取代的直链烷基基团，其中下标f为5至20，如上文所描述。可替代地，烃基基团Z2可以是其中下标f是7至19的未取代的直链烷基基团，使得烃基基团Z2是具有6至18个碳原子的未取代的直链烷基基团。可替代地，下标b可以为7、9、11或13，使得烃基基团Z2可以分别为具有6、8、10或12个碳原子的未取代的直链烷基基团。
下标b为1或2。根据与硅氧烷阳离子表面活性剂b)的下标a有关的描述，本领域技术人员将理解，下标b指示由子式-N(Y')b(R)2-b表示的有机阳离子表面活性剂c)的被季铵取代的氨基部分是否具有季铵基团Y'(即子式(-D-NR1 3 +)的基团)中的一个或两个。同样地，关于每个此类季铵基团Y'，下标b还指示平衡来自由部分b指示的季铵基团Y'的阳离子电荷所需的抗衡阴离子的数目(即，如下文所描述的阴离子X的数目)。
应理解，虽然有机阳离子表面活性剂c)的每个阳离子分子中的下标b为1或2，但有机阳离子表面活性剂c)可包含对应于式(c-I)但彼此不同(例如相对于下标b)的阳离子分子的混合物。因此，虽然下标b是1或2，但包含有机阳离子表面活性剂c)的混合物可以具有1至2的b的平均值，例如1.5的平均值(例如来自其中b＝1的有机阳离子表面活性剂c)的阳离子分子和其中b＝2的有机阳离子表面活性剂c)的分子的50:50混合物。
进一步关于有机阳离子表面活性剂c)和式(c-I)，如上文所介绍，D2表示共价键或二价连接基团。为了清楚和便于参考，D2可以更具体地称为“共价键D2”或“二价连接基团D2”，例如当D2分别是共价键或二价连接基团时。在下文描述和说明两个选择。
可替代地，D2可以是共价键(即，有机阳离子表面活性剂c)包含共价键D2)，使得烃基部分Z2直接键结至氨基N原子，并且有机阳离子表面活性剂c)可以由以下式表示：[Z2-N(Y')b(R)2-b]+y[X-x]n，其中每个Z2、Y'、R、X、下标b、上标y、上标x和下标n如上文所定义和描述。可替代地，烃基部分Z2可以是直接键结至有机阳离子表面活性剂c)的氨基N原子的烷基基团，使得有机阳离子表面活性剂c)具有以下式：
[(CfH2f+1)-N(Y')b(R)2-b]+y[X-x]n，其中下标b、下标f、Y'、R、X、上标y、上标x和下标n如上文所定义和描述。可替代地，下标f可以是6至18，诸如6至14，可替代地6至12。
可替代地，D2可以是二价连接基团键(即，有机阳离子表面活性剂c)包含二价连接基团D2)。二价连接基团D2不受具体限制，并且通常选自上文关于二价连接基团D1所描述的相同基团。因此，二价连接基团D2可以选自二价烃基团。此类烃基团的示例包括上文所描述的烃基和烃基团的二价形式，诸如上文关于Rx所阐述的任何二价形式。因此，应当理解，二价连接基团D2的合适的烃基团可以是取代的或未取代的、直链的、支链的和/或环状的，并且与有机阳离子表面活性剂c)和/或硅氧烷阳离子表面活性剂b)中的任何其他连接基团相同或不同。
可替代地，二价连接基团D2可以包含，可替代地可以是直链或支链烷基和/或亚烷基基团。可替代地，二价连接基团D2可以包含，可替代地可以是C1-C18烃部分，诸如上文关于D1定义的具有式-(CH2)d-的直链烃部分(即，其中下标d是1至18)。可替代地，下标d可以是1至16、可替代地1至12、可替代地1至10、可替代地1至8、可替代地1至6、可替代地2至6、可替代地2至4。可替代地，下标d可以是3，使得二价连接基团D2包含亚丙基(即，具有3个碳原子的链)。还应理解，适用于D2的每个烷基和/或亚烷基基团可独立地为未取代和未分支的，或取代和/或分支的。可替代地，二价连接基团D2可以包含，可替代地可以是未取代的亚烷基基团。可替代地，二价连接基团D2可以包含，可替代地可以是取代的烃基团，诸如取代的亚烷基基团。例如，二价连接基团D2可以包含具有至少2个碳原子和至少一个杂原子(例如O、N、S或P)的碳主链，使得主链包含例如醚部分或胺部分。
可替代地，二价连接基团D2可以包含，可替代地可以是被氨基取代的烃基团(即，包含被氮取代的碳链/主链的烃)。例如，二价连接基团D2可以是具有式-D4-N(R8)-D4-的被氨基取代的烃，使得有机阳离子表面活性剂c)可以由以下式表示：
[Z2-D4-N(R8)-D4-N(Y')b(R)2-b]+y[X-x]n，其中每个D4是独立选择的二价连接基团，R8是Y'或H，并且每个Z2、Y'、R、下标b、X、上标y、上标x和下标n如上文所定义和描述。
如上文所介绍，被氨基取代的烃二价连接基团的每个D4是独立选择的。通常，每个D4包含独立选择的亚烷基基团，诸如上文关于硅氧烷阳离子表面活性剂b)的二价连接基团D3所描述的那些亚烷基基团中的任何亚烷基基团。例如，每个D4可以独立地选自具有1至8个碳原子，诸如2至8个、可替代地2至6个、可替代地2至4个碳原子的亚烷基基团。可替代地，每个D4可以是亚丙基(即，-(CH2)3-)。然而，应当理解，一个或两个D4可以是或包含另一个二价连接基团(即，除上文所描述的亚烷基基团之外)。此外，每个D4可以是取代或未取代的、直链的或支链的，以及它们的各种组合。
还如上文所介绍，被氨基取代的烃的R8是H或季铵部分Y'(即，具有式-D-NR1 3 +，如上文所述)。例如，R8可以是H，使得有机阳离子表面活性剂c)可以由以下式表示：[Z2-D4-NH-D4-N(Y')b(R)2-b]+y[X-x]n，其中每个Z2、D4、Y'、R、下标b、X、上标y、上标x和下标n如上文所定义和描述。可替代地，上标y可以是1或2，其由下标b控制。更具体地，季铵部分Y'的数目将由下标b控制为1或2，分别提供+1或+2的总阳离子电荷。因此，上标x还将是1或2，使得有机阳离子表面活性剂c)将是电荷平衡的。
可替代地，R8可以是Y'，使得有机阳离子表面活性剂c)可以由以下式表示：[Z2-D4-NY-D4-N(Y')b(R)2-b]+y[X-x]n，其中每个Z2、D4、Y、Y'、R、下标b、X、上标y、上标x和下标n如上文所定义和描述。可替代地，y＝b+1，使得上标y为2或3。更具体地，季铵部分的数目将包括R8的Y'以及由下标b控制的1个或2个季铵部分Y'，分别提供+2或+3的总阳离子电荷。因此，上标x将是1、2或3，使得有机阳离子表面活性剂c)将是电荷平衡的。例如，下标b可以是1并且X可为单阴离子的，使得有机阳离子表面活性剂c)具有以下式：其中每个Z2、D4、R、D、R1和X如上文所定义和描述。可替代地，有机阳离子表面活性剂c)可以如上文刚刚描述的配置，但其中b＝2，使得有机阳离子表面活性剂c)具有以下式：
其中每个Z2、D4、D、R1和X如上文所定义和描述。
可替代地，D2可以是共价键，Z2可以是直链烷基基团，下标b可以是1，R可以是H，每个连接基团D可以是(2-羟基)亚丙基基团，每个R1可以是甲基，并且X可以是单价阴离子，使得有机阳离子表面活性剂c)具有以下式：
其中下标f是5至17(例如，可替代地5至11，可替代地5至9)，并且X如上文所定义和描述。可替代地，有机阳离子表面活性剂c)可以与上文刚刚描述的相同地配置，但其中下标b＝2，使得有机阳离子表面活性剂c)具有以下式：
其中每个X如上文所定义并且如下文所描述。
可替代地，Z2可以是具有3至13个碳原子的直链烷基基团，二价连接基团D2可以是被氨基取代的烃，其中每个D4可以是亚丙基并且R8可以是H，下标b可以是1，R可以是H，每个连接基团D可以是(2-羟基)亚丙基基团，每个R1可以是甲基，并且X可以是单阴离子，使得有机阳离子表面活性剂c)具有以下式：
其中下标f和X如上文所定义和描述。可替代地，有机阳离子表面活性剂c)可以与上文刚刚描述的相同地配置，但其中下标b＝2，使得有机阳离子表面活性剂c)具有以下式：
其中下标f和每个X如上文所定义和描述。可替代地，有机阳离子表面活性剂c)可以与上文刚刚描述的相同地配置，但其中R8是季铵部分Y'，使得有机阳离子表面活性剂c)具有以下式：其中下标f和每个X如上定义和描述。可替代地，有机阳离子表面活性剂c)可以与上文刚刚描述的相同地配置，但其中下标b＝1并且R是H，使得有机阳离子表面活性剂c)具有以下式：其中下标f和每个X如上定义和描述。
可替代地，有机阳离子表面活性剂c)的每个阴离子X是具有一个至三个化合价的无机阴离子。此类阴离子的示例包括单阴离子，诸如氯、溴、碘、具有六至18个碳原子的芳基磺酸根、硝酸根、亚硝酸根和硼酸根阴离子、二阴离子诸如硫酸根和亚硫酸根、以及三阴离子诸如磷酸根。可替代地，每个X可以是卤化物阴离子。可替代地，每个X可以是氯化物(即，Cl-)
和具有以下式(c-i)-(c-iii)之一的有机阳离子表面活性剂c)：
有机阳离子表面活性剂c)可以包含由以上通式(c-I)表示的组合或两种或更多种不同的有机阳离子表面活性剂，该组合或两种或更多种不同的有机阳离子表面活性剂在至少一种性质，诸如结构、分子量、分支度和阳离子季铵基团Y'的数目(例如当下标b表示平均值时)方面有所不同。有机阳离子表面活性剂可以通过2019年12月30日提交的美国临时专利申请序列号62/955192中所描述的方法制备，该美国临时专利申请特此通过引用并入。有机阳离子表面活性剂的制备方法可以如上针对硅氧烷阳离子表面活性剂所述，通过使用有机胺化合物代替氨基官能化聚有机硅氧烷来制备。
有机阳离子表面活性剂c)是任选的并且可以在泡沫稳定组合物中以任何量使用，这取决于各种因素，包括所制备的组合物的形式、其期望的用途以及其中存在的其他起始材料。例如，本领域技术人员将理解，当泡沫稳定组合物配制为浓缩物时，与非浓缩形式(例如水性成膜泡沫组合物)相比，有机阳离子表面活性剂c)将以更高的相对量存在。因此，有机阳离子表面活性剂c)可以任何量存在于组合物中，诸如基于组合物的总重量0.001％至60％的量。当存在有机阳离子表面活性剂c)时，组合物可以包含以下量的有机阳离子表面活性剂c)，该量足以提供具有基于最终使用组合物(即，任何包含即用型泡沫稳定组合物的完全配制的组合物)的总重量0.01％至1％％的有机阳离子表面活性剂c)的最终使用组合物(即，有机阳离子表面活性剂c)的活性量为0.01％至1％)。例如，基于组合物或包含该组合物的最终使用组合物的总重量，有机阳离子表面活性剂c)可以0.05％至1％，诸如0.1％至1％、可替代地0.1％至0.9％、可替代地0.1％至0.7％、可替代地0.2％至0.7％、可替代地0.2％至0.5％的活性量使用。可替代地，有机阳离子表面活性剂c)可以足以在组合物中提供10-4:1至0.1:1的有机阳离子表面活性剂:胶态二氧化硅(c:a)的重量比的量使用。
硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)(当存在时)中的每一者都是独立选择的，并且因此即使在表示相同基团/部分和/或具有相同定义的情况下，式(b-I)、(b-II)和(c-I)中的每个变量也是独立选择的。然而，在式(b-I)、(b-II)和(c-I)中的一个或多个变量方面，硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)可以是以类似方式配置的。例如，硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)的每个R1可以是甲基。可替代地，硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)的每个D可以独立地是以下式之一的羟基亚丙基基团： 可替代地，硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)的每个阴离子X可以相同。例如，硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)的每个X都可以是卤化物阴离子、可替代地氯化物(Cl-)。
用于组合物中的硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)(当存在时)的相对量可以变化，例如取决于各种因素，包括所选具体硅氧烷阳离子表面活性剂b)、所选具体有机阳离子表面活性剂c)以及组合物中是否使用另一种起始材料。
当存在有机阳离子表面活性剂c)时，硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)可以10:1至1:10，诸如8:1至1:8、可替代地6:1至1:6、可替代地4:1至1:4、可替代地2:1至1:2、可替代地1:1的b):c)比率使用。例如，组合物可以包含相对于硅氧烷阳离子表面活性剂b)过量的有机阳离子表面活性剂c)，使得硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)以小于1:1的b):c)，诸如1:1.1至1:10、可替代地1:1.5至1:10、可替代地1:2至1:10、可替代地1:3至1:10、可替代地1:4至1:10、可替代地1:5至1:10的b):c)的重量比(即，wt:wt.)使用。
可替代地，组合物可以包含相对于有机阳离子表面活性剂c)过量的硅氧烷阳离子表面活性剂b)，使得硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)以大于1:1的b):c)，诸如1.1:1至10:1、可替代地1.5:1至10:1、可替代地2:1至10:1、可替代地2:1至8:1、可替代地2:1至6:1、可替代地2:1至5:1的b):c)的重量比(即，wt.:wt.)使用。然而，应当理解，也可以使用上述特定范围之外的比率。例如，硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)中的一者可以相对于另一者整体过量的方式使用(例如，以是另一者的量≥5、可替代地≥10、可替代地≥15、可替代地≥20倍的量使用)。
附加起始材料
泡沫稳定组合物还包含水，并且可任选地还包含除水之外的附加载体媒剂(例如溶剂、稀释剂或分散剂)。当使用时，载体媒剂将根据各种因素来选择，诸如硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)(如果存在的话)的种类、组合物中的任何其他起始材料以及组合物的期望最终使用。
溶剂的示例包括水性溶剂、水可混溶的有机溶剂以及它们的组合。水性溶剂的示例包括水和与水可混溶的极性和/或带电(即，离子)溶剂。有机溶剂的示例包括包含以下各者的溶剂：醇，诸如甲醇、乙醇、异丙醇、1-丙醇、2-丙醇、丁醇、2-甲基-2-丙醇和正丙醇；二醇，诸如乙二醇、丙二醇；二醇醚，诸如丙二醇甲醚、二丙二醇甲醚、丙二醇正丁醚、丙二醇正丙醚和乙二醇正丁醚。
可替代地，该组合物可以包含(d-1)溶剂。溶剂(d-1)可以促进将某些起始材料引入到组合物中、起始材料的混合和/或均化。同样，具体溶剂(d-1)将基于起始材料b)和/或组合物中使用的其他起始材料的溶解度、溶剂的挥发性(即，蒸汽压)和组合物的最终使用来选择。溶剂可以包含水。溶剂(d-1)应足以分散胶态二氧化硅a)，并且溶解或分散硅氧烷阳离子表面活性剂b)和任何附加起始材料以形成均匀组合物。因此，用于组合物中的溶剂通常可以选自上文描述的适用于流化和/或起始材料a)和b)和/或组合物的另一起始材料的载体媒剂中的任何载体媒剂。如本领域技术人员将理解，虽然有机溶剂可用于组合物中，但是在使用组合物或包含该组合物的最终使用组合物之前，特别是在有机溶剂易燃的情况下，通常将去除此类有机溶剂。
可替代地，载体媒剂可以是水性溶剂，并且包含水，可替代地基本上由水组成，或可替代地是水。水不受特别限制。例如，可以使用纯化水诸如蒸馏水和离子交换水、盐水、磷酸缓冲水溶液、或含有足以使水的pH为7至10、可替代地9至10的碱的水、或它们的组合。可替代地，载体媒剂可以包含水和至少一种其他溶剂(即，共溶剂)，诸如水可混溶的溶剂。此类共溶剂的示例可包括上文描述的任何水可混溶的载体媒剂。共溶剂的具体示例包括甘油、山梨醇、乙二醇、丙二醇、己二醇、聚乙二醇(PEG)、二甘醇和二丙二醇的醚(例如，甲基、乙基、丙基和丁基醚)以及它们的组合。
所用载体媒剂的量不受限制，并且取决于各种因素，包括所选溶剂的类型、所用胶态二氧化硅a)、硅氧烷阳离子表面活性剂b)的量和类型以及组合物的形式(即，是浓缩物、中间体还是最终使用组合物)。通常，基于组合物的总重量，或胶态二氧化硅a)和硅氧烷阳离子表面活性剂b)和载体媒剂和(当存在时)有机阳离子表面活性剂c)的总合并重量，使用的载体媒剂的量可为0.1％至99.9％。可替代地，载体媒剂可包含水，并且组合物可包含1:1至100:1的水与胶态二氧化硅的重量比(wt:wt)(d:a)。可替代地，基于胶态二氧化硅a)、硅氧烷阳离子表面活性剂b)和载体媒剂和(当存在时)有机阳离子表面活性剂c)的合并重量，载体媒剂的使用量可为50％至99.9％、可替代地60％至99.9％、可替代地70％至99.9％、可替代地80％至99.9％、可替代地90％至99.9％、可替代地95％至99.9％、可替代地98％至99.9％、可替代地98.5％至99.9％、可替代地98.5％至99.7％、可替代地98.7％至99.7％。本领域技术人员将了解，这些范围的上限大体上反映所用胶态二氧化硅a)和硅氧烷阳离子表面活性剂b)的活性量(即，在最终使用组合物中)。因此，也可以使用在这些范围以外的量。
在组合物中，胶态二氧化硅a)、硅氧烷阳离子表面活性剂b)和水可以单独使用或与至少一种附加的起始材料(诸如上文所描述的有机阳离子表面活性剂c)或下文所描述的其他附加的起始材料)组合使用。因此，组合物还可包含一种或多种附加的起始材料。应了解，此类起始材料可以按照不同领域的术语分类，并且仅因为按照这类术语分类的起始材料不意指其因此限于该功能。此外，这些起始材料中的一些起始材料可以存在于组合物的具体组分中，或者替代地可以在形成组合物时并入。通常，组合物可以包含任何数目的起始材料，例如取决于组合物中的起始材料的具体类型和/或功能。
例如，组合物可以包含一种或多种起始材料，该一种或多种起始材料包含以下、可替代地基本上由以下组成、可替代地由以下组成：e)不同于上文所描述的硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)的附加的表面活性剂；f)流变改性剂；g)pH控制剂；以及h)泡沫增强剂。
该组合物还可以任选地包含附加的表面活性剂e)。附加的表面活性剂e)是阳离子表面活性剂b)和c)(当存在时)之外的表面活性剂。附加的表面活性剂e)不是阴离子的。附加的表面活性剂e)可以包含一种或多种阳离子、非离子和/或两性表面活性剂，诸如以下描述的那些中的任一者或多者。通常，选择附加的表面活性剂e)来赋予、改变和/或促进组合物和/或包含该组合物的最终使用组合物的某些性质，诸如相容性、发泡性、泡沫稳定性、泡沫扩散和/或排放(例如，蒸汽密封/封闭)。可替代地，表面活性剂e)可以选自水溶性表面活性剂。
可替代地，附加的表面活性剂e)可以包含，可替代地可以是上文所描述的阳离子表面活性剂b)和c)之外的附加的阳离子表面活性剂。此类阳离子表面活性剂的示例包括各种脂肪酸胺和酰胺以及它们的衍生物，以及脂肪酸胺和酰胺的盐。脂族脂肪酸胺的示例包括乙酸十二烷基胺、乙酸十八烷基胺和牛油脂肪酸胺的乙酸盐、具有脂肪酸的芳族胺的同系物诸如十二烷基苯胺、衍生自脂族二胺的脂肪酰胺诸如十一烷基咪唑啉、衍生自脂族二胺的脂肪酰胺诸如十一烷基咪唑啉、衍生自双取代的胺的脂肪酰胺诸如油烯基氨基二乙胺、乙二胺的衍生物、季铵化合物和其盐(例如牛油三甲基氯化铵、双十八烷基二甲基氯化铵、双十二烷基二甲基氯化铵、双十六烷基氯化铵)、烷基三甲基氢氧化铵诸如辛基三甲基氢氧化铵、十二烷基三甲基氢氧化铵和十六烷基三甲基氢氧化铵、二烷基二甲基氢氧化铵诸如辛基二甲基氢氧化铵、癸基二甲基氢氧化铵、双十二烷基二甲基氢氧化铵、双十八烷基二甲基氢氧化铵、牛油三甲基氢氧化铵、椰子油、三甲基氢氧化铵、甲基聚氧乙烯椰油氯化铵和二棕榈酰基羟基乙基甲基硫酸铵、氨基醇的酰胺衍生物诸如β-羟基乙基硬脂酰胺、长链脂肪酸的胺盐以及它们的组合。
可替代地，表面活性剂e)可以包含，可替代地可以是非离子表面活性剂。非离子表面活性剂的示例包括聚氧乙烯烷基醚(诸如月桂基、鲸蜡基、硬脂基或辛基)、聚氧乙烯烷基酚醚、聚氧乙烯月桂基醚、聚氧乙烯脱水山梨糖醇单油酸酯、聚氧乙烯烷基酯、聚氧乙烯脱水山梨糖醇烷基酯、聚乙二醇、聚丙二醇、二乙二醇、乙氧基化三甲基壬醇、烷基糖苷、烷基聚葡糖苷、聚亚氧烷基二醇改性的聚硅氧烷表面活性剂、聚亚氧烷基取代的有机硅(耙型或ABn型)、有机硅烷醇酰胺、有机硅酯、有机硅糖苷、聚二甲基硅氧烷共聚多元醇、多元醇的脂肪酸酯，例如单-、二-、三-和倍半油酸和硬脂酸山梨糖醇酯和甘油酯、月桂酸甘油酯和月桂酸聚乙二醇酯；聚乙二醇的脂肪酸酯(诸如聚乙二醇单硬脂酸酯和单月桂酸酯)、山梨糖醇的聚氧乙烯化脂肪酸酯(诸如硬脂酸酯和油酸酯)以及它们的组合。聚氧化烯硅酮表面活性剂是本领域已知的并且可商购获得，例如DOWSILTM502W和DOWSILTM67添加剂可从美国密歇根州米德兰的陶氏硅酮公司(Dow Silicones Corporation of Midland,Michigan,USA)商购获得。
可替代地，表面活性剂e)可以包含，可替代地可以是两性表面活性剂。两性表面活性剂的示例包括氨基酸表面活性剂、甜菜碱酸表面活性剂、N-烷基酰胺甜菜碱和它们的衍生物、蛋白质和它们的衍生物、甘氨酸衍生物、磺基甜菜碱、聚氨基羧酸烷酯和烷基两性基乙酸酯(alkylamphoacetate)和它们的组合。这些表面活性剂也可以以不同商品名从其他供应商处获得。
附加的表面活性剂e)可以各种浓度包含在组合物中，例如取决于其具体形式、针对附加的表面活性剂e)选择的具体物类、胶态二氧化硅a)、硅氧烷阳离子表面活性剂b)和有机阳离子表面活性剂c)(如果存在的话)的负载量/活性量。然而，附加的表面活性剂e)可以每1重量份硅氧烷阳离子表面活性剂b)0重量份至10重量份的量使用。
该组合物还可以任选地包含流变改性剂f)。流变改性剂f)不受具体限制，并且通常被选择以改变组合物或包含该组合物的最终使用组合物的粘度、流动性质和/或发泡性质(即，泡沫形成能力和/或泡沫稳定性)。因此，流变改性剂f)不受具体限制，并且可包括增稠剂、稳定剂、粘度改性剂、触变剂或它们的组合，该增稠剂、稳定剂、粘度改性剂、触变剂或它们的组合通常将选自天然或合成增稠化合物。可替代地，流变改性剂f)可以包含一种或多种水溶性和/或水相容性增稠化合物(例如，水溶性有机聚合物)。
适用于或用作流变改性剂f)的化合物的示例包括丙烯酰胺共聚物、丙烯酸酯共聚物及其盐(例如聚丙烯酸钠等)、纤维素(例如甲基纤维素、甲基羟丙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、聚丙基羟乙基纤维素和羧甲基纤维素)、淀粉(例如淀粉和羟乙基淀粉)、聚氧乙烯(例如PEG、PPG和PEG/PPG共聚物)、卡波姆(carbomer)、藻酸盐(例如藻酸钠)、各种胶(例如阿拉伯胶、决明子胶、角豆胶、硬葡聚糖胶、黄原胶、结冷胶、鼠李糖胶、刺梧桐树胶、角叉菜胶和瓜尔豆胶)、椰油酰胺衍生物(例如椰油酰胺丙基甜菜碱)、中长链烷基和/或脂肪醇(例如鲸蜡醇和硬脂醇)、明胶、糖类(例如果糖、葡萄糖和PEG-120甲基葡萄糖二酸盐)以及它们的组合。
可替代地，组合物可以包含pH控制剂g)。pH控制剂g)不受具体限制，并且可以包含或为适于调节或调整组合物的pH和/或将组合物的pH维持(例如调节)在具体范围内的任何化合物。因此，如本领域技术人员将理解，pH控制剂g)可以包含，可替代地可以是pH调节剂(例如酸和/或碱)、pH缓冲剂或它们的组合，诸如以下描述的那些中的任何一者或多者。
酸的示例通常包括矿物酸(例如盐酸、磷酸和硫酸)、有机酸(例如柠檬酸)以及它们的组合。碱的示例通常包括碱金属氢氧化物(例如，氢氧化钠和氢氧化钾)、碳酸盐(例如，碱金属碳酸盐，诸如碳酸钠)、磷酸盐以及它们的组合。
在某些实施方案中，pH控制剂g)包含，可替代地是pH缓冲剂。合适的pH缓冲剂不受具体限制，并且可以包含，可替代地可以是任何能够调整组合物的pH和/或将组合物的pH维持(例如调节)在具体范围内的缓冲化合物。如本领域技术人员将理解，由于添加剂之间的功能重叠，合适的缓冲剂和缓冲化合物的示例可与某些pH调节剂重叠，包括上述那些。因此，当两者均用于或用作pH控制剂g)时，pH缓冲剂和pH调节剂可以相对于彼此独立地或共同地选择。
通常，合适的pH缓冲剂选自包括酸、碱或盐(例如包含酸/碱的共轭碱/酸)的缓冲化合物。缓冲化合物的示例通常包括碱金属氢氧化物(例如，氢氧化钠和氢氧化钾)、碳酸盐(例如，倍半碳酸盐、碱金属碳酸盐(诸如碳酸钠)等)、硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐、咪唑、柠檬酸、柠檬酸钠等，以及它们的衍生物、改性物和组合。一些pH缓冲剂的示例包括柠檬酸盐缓冲剂、甘油缓冲剂、硼酸盐缓冲剂、磷酸盐缓冲剂以及它们的组合(例如，柠檬酸-磷酸盐缓冲剂)。因此，适用于或用作pH控制剂g)的pH缓冲剂的具体缓冲化合物的一些示例包括乙二胺四乙酸(例如乙二胺四乙酸二钠)、三乙醇胺(例如三(2-羟乙基)胺)、柠檬酸盐和其他基于聚羧酸的化合物以及它们的组合。
该组合物还可以任选地包含泡沫增强剂h)。适用于或用作泡沫增强剂h)的具体化合物/组合物不受限制，并且通常包含能够赋予、增强和/或改性组合物或包含该组合物的最终使用组合物的发泡性质(例如，发泡性、泡沫稳定性、泡沫排水性、泡沫扩散性和/或泡沫密度)的化合物/组合物。因此，本领域技术人员将容易理解，适用于或用作泡沫增强剂h)的化合物/组合物可以与本文关于组合物的其他添加剂/起始材料描述的那些化合物/组合物重叠。
例如，在某些实施方案中，泡沫增强剂h)包含选自以下的稳定剂：电解质(例如碱金属和/或各种阴离子的碱土金属盐，诸如钠、钾、钙和/或镁的氯化物、硼酸盐、柠檬酸盐和/或硫酸盐和氢氯酸铝)、聚电解质(例如透明质酸盐，诸如透明质酸钠)、多元醇(例如甘油、丙二醇、丁二醇和山梨糖醇)、水解胶体以及它们的组合。
可替代地，泡沫增强剂h)可以包含糖化合物，即包含至少一个糖部分的化合物。应当理解，在一般情况下，术语“糖(saccharide)”可与术语“碳水化合物”同义使用，并且在更具体的情况下，可以与如“糖(sugar)”的术语同义使用。因此，对于用于或用作泡沫增强剂h)的合适的糖化合物，任何具体糖的命名都不是排斥性的。相反，如本领域技术人员将理解，合适的糖化合物可以包含，可替代地可以是任何包含可以被描述为糖(saccharide)、碳水化合物、糖(sugar)、淀粉、纤维素或它们的组合的部分的化合物。同样，可以使用更具描述性的术语来描述糖化合物中多于一个糖部分的任何组合。例如，术语“多糖”可以与术语“糖苷”同义使用，其中两个术语通常是指多于一个糖部分的组合(例如，糖部分的组合通过糖苷键连接在一起并且共同形成糖苷部分)。本领域技术人员将理解，诸如“淀粉”和“纤维素”等术语可以用于指在具体情况下(例如，当糖化合物中的多于一个糖部分的组合符合本领域中称为“淀粉”或“纤维素”等的结构时)糖部分的此类组合。
适用于或用作泡沫增强剂h)的糖化合物的示例可以包括常规地被称为以下各者的化合物或包含至少一个被称为以下各者的部分的化合物：单糖和/或糖(例如，戊糖(即，呋喃糖)，诸如核糖、木糖、阿拉伯糖、来苏糖、果糖和己糖(即，吡喃糖)，诸如葡萄糖、半乳糖、甘露糖、古洛糖、艾杜糖、塔罗糖、阿洛糖和阿卓糖)、二糖(例如，蔗糖、乳糖、麦芽糖和海藻糖)、寡糖(例如，麦芽-寡糖，诸如麦芽糊精、阿拉维糖、水苏糖和低聚果糖)、多糖(例如，纤维素、半纤维素、果胶、肝糖、水胶体、淀粉诸如直链淀粉和支链淀粉)或它们的组合。
适用于或用作泡沫增强剂h)的泡沫增强剂的其他示例在本领域中是已知的。例如，泡沫增强剂h)可以包含聚合物稳定剂，诸如包括聚丙烯酸盐、改性淀粉、部分水解蛋白质、聚乙烯亚胺、聚乙烯树脂、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羧乙烯聚合物、脂肪酸诸如肉豆蔻酸或棕榈酸或它们的组合的那些聚合物稳定剂。可替代地，泡沫增强剂h)可以包含增稠剂，诸如包含以下的那些增稠剂：一种或多种胶(例如黄原胶)、胶原、半乳甘露聚糖、淀粉、淀粉衍生物和/或水解产物、纤维素衍生物(例如甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素)、聚乙烯醇、乙烯基吡咯烷酮-乙酸乙烯酯共聚物、聚乙二醇、聚丙二醇或它们的组合。
组合物可以包含一种或多种附加的组分/添加剂，即，除了上文所描述的那些之外，该一种或多种附加的组分/添加剂在本领域中是已知的，并且将基于该组合物中使用的具体起始材料和其期望的最终使用来选择。例如，组合物可包含：填料(除胶态二氧化硅a)外)；填料处理剂；表面改性剂；粘结剂；相容剂；着色剂(例如，颜料或染料)；抗老化添加剂；阻燃剂；缓蚀剂；UV吸收剂；抗氧化剂；光稳定剂；热稳定剂；以及它们的组合。然而，上文所描述的组合物可以不含全氟烷基表面活性剂。可替代地，该组合物可以不含全氟烷基物质。此外，该组合物可以不含阴离子表面活性剂。
制备组合物的方法
该组合物可以通过以下来制备：将包含胶态二氧化硅a)和硅氧烷阳离子表面活性剂b)的起始材料以及任何任选的起始材料(例如上文所描述的c)-h))以任何添加顺序、任选地与母料并且任选地在混合下进行组合。
可替代地，该组合物可以通过以下来制备：将硅氧烷阳离子表面活性剂b)与任选的起始材料预混合以制备中间组合物，该中间组合物随后与胶态二氧化硅a)组合以制备该组合物。可替代地，该组合物可以通过以下来制备：将胶态二氧化硅a)与任选的起始材料预混合以制备中间组合物，该中间组合物随后与硅氧烷阳离子表面活性剂b)组合以制备该组合物。例如，硅氧烷阳离子表面活性剂b)可以与pH控制剂组合以制备硅氧烷阳离子表面活性剂组合物，该硅氧烷阳离子表面活性剂组合物随后与胶态二氧化硅a)组合以制备组合物。可替代地，pH控制剂是矿物酸(例如HCl)并且以足以质子化硅氧烷阳离子表面活性剂b)中的一些但并非所有胺基团的量来使用，由此将硅氧烷阳离子表面活性剂组合物制备为缓冲溶液。可替代地，当使用有机阳离子表面活性剂c)时，可以将c)与pH控制剂组合以制备有机阳离子表面活性剂组合物，该有机阳离子表面活性剂组合物随后与胶态二氧化硅a)和硅氧烷阳离子表面活性剂b)(例如独立地或以硅氧烷阳离子表面活性剂组合物的形式)组合以制备组合物。pH控制剂可以是矿物酸(例如HCl)，其以足以质子化有机阳离子表面活性剂c)中的一些但并非所有胺基团的量来使用，由此将有机阳离子表面活性剂组合物制备为缓冲溶液。本领域技术人员应理解，pH控制剂可以包含多种功能，诸如调节组合物的一种或多种单独起始材料的pH、缓冲一种或多种中间组合物和/或单独地或与一种或多种其他起始材料组合以调节、控制和/或缓冲组合物的pH。
泡沫稳定组合物可以制备为浓缩物，例如通过将胶态二氧化硅a)和硅氧烷阳离子表面活性剂b)，任选地与起始材料c)至h)中的任一者一起组合，但使用极少量水或不使用水。如果使用溶剂来促进起始材料a)和b)的混合和/或分散，则可以除去全部或部分溶剂以制备浓缩物。可替代地，组合物可以包含以下量的水：每1重量份胶态二氧化硅a)，1重量份至100重量份水。
泡沫稳定组合物可以被配制为泡沫形成组合物(例如，如上文所描述的，通过用包含水(其可以如上文作为载体媒剂所描述，或可替代地具有替代来源)，例如海水的起始材料稀释组合物的浓缩物)或用作添加剂以制备泡沫形成组合物(例如，通过将泡沫稳定组合物与基础配制物，即，包含发泡剂、溶剂/载体、添加剂或它们的组合的配制物组合)。例如，泡沫形成组合物可以通过提供水(例如，以来自软管或管道或在反应容器/反应器中的主动水流形式)，任选地与一种或多种泡沫添加剂组合，并且将泡沫稳定组合物与水组合(例如，以预先形成的混合物形式，通过添加单独的起始材料a)、b)以及c)至h)中的一者或多者(当存在时))来制备。在此类情况中的任一种中，在制备包含泡沫稳定组合物的泡沫形成组合物后，可将其充气或以其他方式膨胀(例如，经由发泡设备或施用于被充气的水流)以形成泡沫组合物(即，“泡沫”)。
用泡沫稳定组合物制备的泡沫适于在各种应用中使用。例如，如上文所介绍，该组合物可以用于灭火应用，例如灭火、抑制火和/或防火。具体地，由于组合物所提供的增加的稳定性，由该组合物制备的泡沫可以用于扑灭涉及具有低沸点、高蒸汽压力和/或有限水溶性的化学品(例如，汽油和/或有机溶剂)的火，这些化学品通常极易燃和/或难以扑灭和/或防止再次点燃。例如，这种火可以通过使火与泡沫接触(例如，通过将泡沫喷洒到火上或将泡沫形成组合物喷洒在火之上以在其上产生泡沫)来扑灭。以类似的方式，泡沫可用于通过将泡沫施加到溢出物/泄漏物的顶部或以其他方式在其上形成泡沫来保护化学品(例如，避免其溢出或泄漏)，由此限制蒸汽泄漏和/或点燃。
可替代地，可以通过机械搅拌或将与最终泡沫具有相同组成的水性混合物施以其他常规泡沫生产方法来生产泡沫。可替代地，用以上a)至h)所列的起始材料生产泡沫浓缩物，将该泡沫浓缩物用足量的水(例如海水)稀释并搅拌以生产具有期望质量的水性泡沫。可替代地，胶态二氧化硅a)(例如，以粉末形式或作为水性分散液)可以单独与硅氧烷阳离子表面活性剂b)和任选地上文所描述的起始材料d)至h)中的一者或多者的浓缩物混合，然后用足量的水稀释并搅拌以产生具有期望质量的水性泡沫。不受理论的束缚，认为有利的是将胶态二氧化硅a)的浓缩物与含有硅氧烷阳离子表面活性剂b)的浓缩物分开储存，并且在施用点混合分开的浓缩物以使泡沫形成组合物的贮存期最大化。然后可以在极性燃料和/或烃燃料着火时分配成品泡沫。
实施例
这些实施例旨在向本领域的技术人员举例说明本发明，并且不解释为限制权利要求书中所述的本发明的范围。下文概述了这些示例中使用的起始材料。
表1-起始材料
CTAC具有式：
在此参考实施例1中，如下制备式：
的Si4PrN-QUAB：将3-氨基丙基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷(95.41g)、缩水甘油基三甲基氯化铵(61.2g；72.7％水溶液)、乙醇(89.35g)和HCl(0.58g；2N)在3颈圆底烧瓶中混合，搅拌并且加热至65℃。将反应在温度下保持约2.5小时。将溶液冷却至<40℃，然后添加HCl(46.22g；2N)并混合。然后将DI水(107.6g)添加到反应溶液中并且混合约3小时。最终产物为34.94％表面活性剂、42.74％水和22.32％乙醇。
在此参考实施例2中，如下制备式：
的Si4PrPDA-(QUAB)2：添加3-(丙基)丙烷-1,3-二胺三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷(3.34g)、缩水甘油基三甲基氯化铵(3.69g，2.0当量；72.7％水溶液)和乙醇(3.23g)，并且在2oz样品瓶中混合。将反应溶液加热至60℃并且在温度下保持约10小时。然后将样品冷却至室温。通过1HNMR确认最终产物结构，并且溶液的浓度为58.69％表面活性剂、9.83％水和31.48％乙醇。
在此参考实施例3中，如下制备式：
的Si10PrPDA-(QUAB)：添加式
Si10PrPDA(8.138g)、缩水甘油基三甲基氯化铵(2.54g，0.58当量；72.7％水溶液)和乙醇(4.54g)，并且在2oz样品瓶中混合。将反应溶液加热至60℃并且在温度下保持约4小时。然后将样品冷却至室温。通过1H NMR确认最终产物结构，并且溶液的浓度为65.69％表面活性剂、4.53％水和29.78％乙醇。
如下制备Si10PrPDA：
向200mL接收烧瓶中装入Si10PrCl(50g)、1,3-二氨基丙烷(25g)和ZnO(2.62g)，并且然后使用油浴加热并保持在140℃下9小时。然后将混合物冷却至室温，过滤以去除固体，并且分离各相。收集顶层并用旋转蒸发器浓缩(120℃；<1mmHg；60分钟)，得到产物(Si10PDA；几乎无色)。
在此参考实施例4中，如下制备式：
的Si10PrPDA-(QUAB)2：添加Si10PrPDA(6.846g，如上制备)、缩水甘油基三甲基氯化铵(3.68g，1.08当量；72.7％水溶液)和乙醇(4.54g)，并且在2oz样品瓶中混合。将反应溶液加热至60℃并且在温度下保持约4.5小时。然后将样品冷却至室温。通过1H NMR确认最终产物结构，并且溶液的浓度为63.23％表面活性剂、6.64％水和30.13％乙醇。
在此参考实施例5中，如下制备式：
的阳离子封端Dp 4硅氧烷：添加二甲基丙胺封端硅氧烷(3.64g)、缩水甘油基三甲基氯化铵(3.86g，1.08当量；72.7％水溶液)和乙醇(4.03g)，并且在2oz样品瓶中混合。将反应溶液加热至60℃并且在温度下保持约2小时。然后将样品冷却至室温。在室温下，溶液中存在少量的白色固体。将反应溶液通过5μm注射器式过滤器过滤并收集。通过1H NMR确认最终产物结构，并且溶液的浓度为55.94％表面活性剂、9.11％水和34.95％乙醇。
在此参考实施例6中，如下制备式：
的阳离子封端Dp 4硅氧烷：添加二甲基丙胺封端硅氧烷(2.42g)、缩水甘油基三甲基氯化铵(5.00g，1.08当量；72.7％水溶液)和乙醇(4.01g)，并且在2oz样品瓶中混合。将反应溶液加热至60℃并且在温度下保持约7小时。然后将样品冷却至室温。在室温下，溶液中存在少量的白色固体。将反应溶液通过5μm注射器式过滤器过滤并收集。通过1H NMR确认最终产物结构，并且溶液的浓度为52.97％表面活性剂、11.95％水和35.08％乙醇。
在此参考实施例7中，如下制备式：
的阳离子封端Dp 15硅氧烷：添加二甲基丙胺封端硅氧烷(3.98g)、缩水甘油基三甲基氯化铵(1.06g，1.08当量；72.7％水溶液)和乙醇(5.05g)，并且在2oz样品瓶中混合。将反应溶液加热至60℃并且在温度下保持约2.5小时。然后将样品冷却至室温。在室温下，溶液中存在少量的白色固体。将反应溶液通过5μm注射器式过滤器过滤并收集。通过1H NMR确认最终产物结构，并且溶液的浓度为47.07％表面活性剂、2.87％水和50.06％乙醇。
在此参考实施例8中，如下制备式：
的阳离子封端Dp 15硅氧烷：添加二甲基丙胺封端硅氧烷(3.98g)、缩水甘油基三甲基氯化铵(1.06g，1.08当量；72.7％水溶液)和乙醇(5.05g)，并且在2oz样品瓶中混合。将反应溶液加热至60℃并且在温度下保持约2.5小时。然后将样品冷却至室温。在室温下，溶液中存在少量的白色固体。将反应溶液通过5μm注射器式过滤器过滤并收集。通过1H NMR确认最终产物结构，并且溶液的浓度为47.07％表面活性剂、2.87％水和50.06％乙醇。
在此参考实施例9中，如下制备式：
的阳离子三硅氧烷：阳离子三硅氧烷的合成是三步反应。第一反应是氢化硅烷化，其中将1,1,1,3,5,5,5-七甲基三硅氧烷(62.22g)和烯丙基缩水甘油醚(3.74g)在3颈圆底烧瓶中加热至75℃。一旦达到温度，添加来自Karstedt催化剂的1％Pt于IPA中的溶液。将剩余的烯丙基缩水甘油醚(47.60g)计量添加到该反应溶液中，保持反应温度<90℃。将过量的烯丙基缩水甘油醚通过真空蒸馏除去。将所得环氧官能三硅氧烷(7.93g)、二乙胺(5.17g)和异丙基醇(3.65g)添加到2oz样品瓶中，混合并且加热至75℃。将反应混合物在温度下保持约2小时，然后使用旋转蒸发器和真空泵将IPA和过量的二乙胺除去。将所得叔胺官能三硅氧烷(7.10g)和甲基碘(3.12g)添加到2oz样品瓶中并且在室温下混合。反应溶液变为棕色，并且样品的粘度增加。将样品在室温下混合约30分钟。然后使用旋转蒸发器和真空泵将过量的甲基碘除去。将乙醇(2.02g)添加到剩余的高粘度棕色溶液中以降低粘度，并且产生阳离子三硅氧烷溶液，该阳离子三硅氧烷溶液为79.8％阳离子三硅氧烷表面活性剂和20.2％乙醇。
在此参考实施例10中，如下制备式的C6-QUAB：将1-己胺(2.82g)、缩水甘油基三甲基氯化铵(6.21g；72.7％水溶液)、乙醇(5.02g)和HCl(1.35g；0.1N)在1oz小瓶中混合并在60℃加热块上搅拌，得到混合物，其在约2分钟内变得澄清。将混合物搅拌2.5小时，然后添加pH控制剂(4.69g)，并且将溶液在室温下搅拌1小时以得到包含阳离子表面活性剂的组合物(C6-QUAB；36.7％浓度)。
在此参考实施例11中，如下制备式的C8-QUAB：将1-辛胺(3.60g)、缩水甘油基三甲基氯化铵(6.21g；72.7％水溶液)、乙醇(5.04g)和HCl(1.35g；0.1N)在1oz小瓶中混合并在60℃加热块上搅拌，得到混合物，其在约3分钟内变得澄清。将混合物搅拌2.5小时，然后添加pH控制剂(4.76g)，并且将溶液在室温下搅拌1小时以得到包含阳离子表面活性剂的组合物(C8-QUAB；38.6wt.％浓度)。
在此参考实施例12中，如下制备式的C10-QUAB：将1-癸胺(4.38g)、缩水甘油基三甲基氯化铵(6.19g；72.7％水溶液)、乙醇(5.00g)和HCl(1.35g；0.1N)在1oz小瓶中混合并在60℃加热块上搅拌，得到混合物，其在约4分钟内变得澄清。将混合物搅拌2.5小时，然后添加pH控制剂(4.72g)并且将溶液在室温下搅拌1小时以得到包含阳离子表面活性剂的组合物(C10-QUAB；40.8wt.％浓度)。
在此参考实施例13中，如下制备灭火泡沫样品。将起始材料以表2中的量(重量份)组合，并使用IKA Ultra Turrex匀化器进行匀化以制备泡沫。在6000RPM下操作匀化器并将100ml泡沫配制物剪切5分钟以产生足够用于单个实验的泡沫。对于热庚烷和异丙醇的测量，使用直径为100mm且高度为50mm的平底结晶皿。使用具有18mm-55mm透镜的数码相机(CanonRebel T3i)以固定的时间间隔从容器的侧面捕获泡沫的图像以可视化泡沫塌陷的动态。根据需要手动调节光源、焦距、光圈和快门速度。
表2-根据参考实施例13中的程序制备的泡沫配制物
表2(续)
其中R是配制物中所有表面活性剂与胶态二氧化硅的比率。
在这个参考实施例14中，对如上所述制备的泡沫进行评估。为了在60℃下用庚烷测量，将40ml庚烷倒入皿中。将该皿在热板上加热以使庚烷达到60℃并且保持在该温度下。然后将2cm厚的泡沫层施配到热庚烷的顶部，随后关闭加热板。每2秒1帧记录图像系列。将记录的图像输入到ImageJ图像分析软件中。使用ImageJ中的“线工具(Line tool)”计算图像系列的每个图像中的泡沫高度。从在随后的图像中测量的高度减去在时间＝0(第一图像)时的泡沫高度，以计算随时间变化的泡沫高度的变化％。
从顶部和侧面观察泡沫。当在泡沫毯中观察到孔，从而暴露下方燃料时，泡沫被宣布完全坍塌。在35℃下使用40ml异丙醇在皿中重复此程序。结果在下方示出于表3、4和5中
表3-泡沫评估：泡沫在60℃庚烷上的稳定性(泡沫高度下降100％的时间)
表4-庚烷上的泡沫评估(续)
表5-35℃异丙醇(IPA)上的泡沫稳定性
本发明实施例(IE)的泡沫具有优于所有比较实施例(CE)的稳定性(在60℃庚烷和35℃IPA两者上>15分钟)。本发明实施例1在60℃庚烷上具有优于所有比较实施例的稳定性。此外，在测试条件下，比较实施例泡沫均未显示出在异丙醇上的任何稳定性；每例都立即塌陷了。然而，在相同条件下测试的本发明实施例1的泡沫在异丙醇上稳定超过20分钟。
比较实施例1不含起始材料a)胶态二氧化硅。比较实施例2、3和4不含起始材料b)，即本文所述的硅氧烷阳离子表面活性剂。比较实施例2和3)不含任何硅氧烷。比较实施例2根据Ultrastable Particle-Stabilized Foams,Gonzenbach等人，Angew.Chem.Intl.Ed.,2006,45,3526-3530制备。比较实施例3根据GB1175760制备。比较实施例4含有非离子有机硅化合物。比较实施例4根据美国专利3,655,554制备。比较实施例1、2、3和4在测试条件下在IPA(极性醇燃料)上的稳定性都极差。比较实施例1、3和4在庚烷(非极性燃料)上的稳定性也较差。
上述实施例显示，可如本文所述制备在庚烷和IPA两者上具有优良稳定性的泡沫，这表明由本文所述的组合物制备的泡沫可在极性(例如，含醇)燃料(诸如甲醇、IPA和/或乙醇)上具有优于先前组合物的稳定性，并且在非极性(例如，烃，诸如庚烷)燃料上具有优良稳定性。泡沫还显示出优异的自立稳定性(与没有胶态二氧化硅制备的泡沫相比)。
待解决的问题：工业上需要水可稀释并且不含PFAS(全氟烷基物质)的灭火泡沫。所制备的灭火泡沫应当能够在不同燃料(包括可燃油和溶剂)的表面上扩散。灭火泡沫应当在热的燃料表面上是稳定的并且能够熄灭可燃液体(B类)火。灭火泡沫应当能够防止燃料在熄灭后再次点燃。
解决方案：由本文所述的组合物制备的灭火泡沫可能够在测试条件下在热燃料表面上灭火并且防止再次点燃。不受理论的束缚，认为硅氧烷阳离子表面活性剂与胶态二氧化硅粒子在水中的组合在燃料表面的顶部上产生坚固的水性泡沫毯状物，有效地抑制燃料蒸气与氧气接触以形成可燃混合物。因此，在不使用全氟化表面活性剂的情况下实现了快速的降温、快速的灭火和优异的抗再燃性。
如本文所述，由组合物制备的灭火泡沫可在热燃料(包括汽油、喷气燃料和/或庚烷)的表面上具有优异的稳定性，并且在含醇的极性燃料(诸如甲醇、乙醇和/或异丙醇)上具有良好的稳定性。此外，如本文所述制备的灭火泡沫可显示出优异的自立能力。与由不使用胶态二氧化硅的其他表面活性剂产生的泡沫相比，如本文所述制备的灭火泡沫可具有缓慢的液体排出和良好的保水性。本文所述的灭火泡沫可具有良好的灭火性能。
术语的定义和用法
除非另外指明，否则全部量、浓度、比率和百分比均按重量计。组合物中所有起始材料的量按重量计总计为100％。发明内容和说明书摘要据此以引用方式并入。除非另外指明，否则词语“一个”、“一种”和“所述”各指一个(一种)或多个(多种)。除非另外指明，否则单数包括复数含义。缩写在下表6中定义。
表6-缩写
用于分析合成实施例的1H NMR分析方法如下：通过将期望的化合物添加到样品瓶中并且将其在氘代NMR溶剂诸如氘代氯仿或氧化氘中稀释约10X来制备用于分析的1H NMR样品。然后将溶液用涡旋混合器混合并且移液到5mm NMR管中。在装备有5mm OneNMR探针的Agilent 400-MRNMR光谱仪上在400MHz下分析1H NMR样品。使用来自Mestrelab研究公司(Mestrelab Research)的MNova(版本12.0.4-22023)进行1H NMR数据分析。

Claims (24)

1.一种泡沫稳定组合物，所述泡沫稳定组合物包含：
a)具有1nm至100nm的粒度的胶态二氧化硅；
b)选自由以下组成的组的硅氧烷阳离子表面活性剂：
通式(b-I)：[Z1-D1-N(Y)a(R)2-a]+y[X-x]n，
通式(b-II)：
以及
(b-I)与(b-II)两者的组合；其中
Z1为硅氧烷部分；
D1为二价连接基团；
每个R和每个R'独立地选自由H或具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团组成的组；
每个Y和每个Y'具有式-D-NR1 3 +，其中
D为二价连接基团，并且
每个R1独立地为具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团；
下标a为1或2；
下标a'为1或2；
1≤y≤3；
1≤y'3；
X和X'各自为独立选择的阴离子；
下标n为1、2或3；
1≤x≤3；
前提条件是(x*n)＝y；
下标n'为1、2或3；
1≤x'≤3；并且
前提条件是(x'*n')＝y'；
任选的c)具有通式(c-I)的有机阳离子表面活性剂：[Z2-D2-N(Y)b(R)2-b]+y[X-x]n，
其中Z2是未取代的烃基基团；
D2是共价键或二价连接基团；
下标b为1或2；并且
每个R、Y、上标y、X、下标n和上标x是独立选择并且如上文所定义的；以及
d)水；其中
所述胶态二氧化硅相对于所述硅氧烷阳离子表面活性剂和当存在时所述有机阳离子表面活性剂以1:10-4至1:1的重量比存在；并且
所述水相对于所述胶态二氧化硅以1:1至100:1的重量比存在。
2.根据权利要求1所述的泡沫稳定组合物，其中在通式(b-I)的所述硅氧烷阳离子表面活性剂中，所述硅氧烷部分Z1具有式：
其中每个R3独立地选自R2和-OSi(R4)3，前提条件是至少一个R3是-OSi(R4)3；其中每个R4独立地选自R2、-OSi(R5)3和-[OSiR2 2]mOSiR2 3；其中每个R5独立地选自R2、-OSi(R6)3和-[OSiR2 2]mOSiR2 3；其中每个R6独立地选自R2和-[OSiR2 2]mOSiR2 3；其中0≤m≤100；并且其中每个R2独立地是取代的或未取代的烃基基团。
3.根据权利要求2所述的泡沫稳定组合物，其中所述硅氧烷部分Z1具有以下结构(i)-(iv)之一：
4.根据权利要求1至3中任一项所述的泡沫稳定组合物，其中：(i)D1是支链或直链亚烷基基团；或(ii)D1具有式-D3-N(R7)-D3-，其中每个D3为独立选择的二价连接基团并且R7为H或Y，其中Y是独立选择并且如上文所定义的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的泡沫稳定组合物，其中在所述硅氧烷阳离子表面活性剂(A)中：(i)下标a是1；(ii)上标y是1；(iii)R是H；或者(iv)(i)-(iii)的任何组合。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的泡沫稳定组合物，其中：(i)每个D1选自-CH2CH(OH)CH2-和-HC(CH2OH)CH2-；(ii)每个R1是甲基；(iii)每个X是Cl，并且上标x是1；或者(iv)(i)-(iii)的任何组合。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的泡沫稳定组合物，其中在通式(b-II)的所述硅氧烷阳离子表面活性剂b)中，所述硅氧烷部分Z1具有式(R2 2SiO2/2)DP，其中每个R2为独立选择的烷基基团并且下标DP为2至15。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的泡沫稳定组合物，其中胶态二氧化硅相对于所述硅氧烷阳离子表面活性剂和当存在时所述有机阳离子表面活性剂的重量比为1:10-4至1:0.1。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的泡沫稳定组合物，其中所述胶态二氧化硅具有2nm至20nm的粒度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的泡沫稳定组合物，其中存在c)所述有机阳离子表面活性剂，并且在通式(c-I)中，Z2为具有6至18个碳原子的烷基基团；并且其中D2选自由以下组成的组：i)共价键；ii)支链或直链亚烷基基团；以及iii)式-D4-N(R8)-D4-的基团，其中每个D4是独立选择的二价连接基团并且R8是H或Y，其中Y是独立选择并且如上文所定义的。
11.根据权利要求10所述的泡沫稳定组合物，其中在通式(c-I)中：(i)下标b为1；(ii)上标y为1；(iii)R为H；或者(iv)(i)-(iii)的任何组合。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的泡沫稳定组合物，所述泡沫稳定组合物包含10-4:1至0.1:1(c:a)的c)所述有机阳离子表面活性剂与a)所述胶态二氧化硅的重量比。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的泡沫稳定组合物，所述泡沫稳定组合物还包含至少一种选自以下的添加剂：d)除水之外的载体媒剂；e)除所述硅氧烷阳离子表面活性剂b)和所述有机阳离子表面活性剂c)之外的附加的表面活性剂；f)流变改性剂；g)pH控制剂；以及h)泡沫增强剂。
14.一种pH为7至10的灭火泡沫，所述灭火泡沫包含根据权利要求1至13中任一项所述的泡沫稳定组合物和水。
15.一种灭火的方法，所述方法包括使所述火与根据权利要求14所述的灭火泡沫接触。
16.一种下式的硅氧烷阳离子表面活性剂：
其中
Z1为二价硅氧烷部分；
每个D1是独立地选择的二价连接基团；
R和R'各自独立地选自H和具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团；
每个Y和每个Y'具有式-D-NR1 3 +，其中
D为二价连接基团；并且
每个R1独立地为具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团；下标a为1或2；
1≤y≤3；
下标a'为1或2；
1≤y'≤3；
X和X'各自为独立选择的阴离子；
下标n为1、2或3；
1≤x≤3，
前提条件是(x*n)＝y；
下标n'为1、2或3；
1≤x'≤3，
前提条件是(x'*n')＝y'。
17.根据权利要求16所述的硅氧烷阳离子表面活性剂，其中每个X为卤离子。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的硅氧烷阳离子表面活性剂，其中Z1具有式：
其中每个下标i独立地选自0、1或2；下标h≥1，并且每个Rx独立地选自烃基基团、烷氧基基团和/或芳氧基基团以及甲硅烷氧基基团。
19.根据权利要求18所述的硅氧烷阳离子表面活性剂，其中Z1是线性的并且具有式：
其中每个R2为独立选择的具有1至10个碳原子的烷基基团，并且下标j为2至15。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的硅氧烷阳离子表面活性剂，其中每个D1为式-(CH2)d-的二价烃基基团，其中下标d为1至18。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的硅氧烷阳离子表面活性剂，其中每个D为具有式-D'-CH(-(CH2)e-OH)-D'-的羟基取代的烃，其中每个D'独立地为共价键或独立选择的具有1至8个碳原子的亚烷基基团，并且下标e为0或1。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的硅氧烷阳离子表面活性剂，其中所述硅氧烷阳离子表面活性剂具有选自由(b-II-i)至(b-II-iv)组成的组的式，其中(b-II-i)至(b-II-iv)的式为：
以及
23.一种用于制备根据权利要求16至22中任一项所述的硅氧烷阳离子表面活性剂的方法，其中所述方法包括：
使(a)氨基官能化聚有机硅氧烷与(b)季铵化合物反应，得到所述硅氧烷阳离子表面活性剂；其中
(a)所述氨基官能化聚有机硅氧烷包含式：Z1(-D4-NHR)a，其中
Z1为上述硅氧烷部分，
D4为共价键或未取代的二价烃基团，
R为H或具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团，并且
取决于Z1的官能度，下标a为1或更大；并且
(b)所述季铵化合物具有式：[R8NR1 3]+[X]-，其中
R8为胺反应性基团；
每个R1为独立选择的具有1至4个碳原子的未取代的烃基基团；并且
X为阴离子。
24.根据权利要求23所述的方法，其中：(i)R8为环氧基烷基基团；(ii)每个R1为烷基；(iii)每个X为卤离子；或者(iv)(i)至(iii)的任何组合。
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