DE1955023C3 - Gleitmittel für silicatische Werkstoffoberflächen - Google Patents

Gleitmittel für silicatische Werkstoffoberflächen

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DE1955023C3
DE1955023C3 DE1955023A DE1955023A DE1955023C3 DE 1955023 C3 DE1955023 C3 DE 1955023C3 DE 1955023 A DE1955023 A DE 1955023A DE 1955023 A DE1955023 A DE 1955023A DE 1955023 C3 DE1955023 C3 DE 1955023C3
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Description

[(CH3O)aSiiCH2)3N(^(CH3)!!CleH37]a(-) — QH4 — O — C6H4-,
nach Anspruch 1. ~~CeH4 ~~S ~~ Ce"4j _
3. Verwendung der quaternären Organosilicium- 25 — (CH2)3 — O — (CH2J3 ü (LH2J3-,
ammonium-Verbindungen in wäßriger Lösung nach — (CH2J4 — S — (CH2J3- und
Anspruch 1. _ CH2 — C6H4 — O — C6H4 — CH2-Reste.
4. Verwendung der quaternären Organosilicium-
ammonium-VerbindungeninFormvonTeilkonden- Beispiele für Alkylreste R und R" sind Methyl-,
säten nach Anspruch 1. 30 Äthyl-, Isopropyl-, Butyl- oder Hexylreste. Die
Reste R" in den quaternären Organosiliciumammo-
nium-Verbindungen können gleich oder verschieden
sein.
Silicatische Werkstoffe in Form von Glas-, Porzellan- Beispiele für Reste R'" sind Dodecyl-, Tetradecyl-,
und Glas-Keramik-Formkörpern sind wichtige Han- 35 Octadecyl-, Ceryl- und Myricylreste, die verzweigt
delsgüter. So werden beispielsweise Glasfasern und oder geradkettig sein können. Das Vorhandensein
-gewebe zur Verstärkung zahlreicher Kunststoffe ver- eines relativ langkettigen Alkylrestes in den erfindungs-
wendet, und Glas-Keramik-Kochgeschirre und Schalen gemäß verwendeten quaternären Organosilicium-
sind weit verbreitet. Diese silicatischen Werkstoffe sind ammonium-Verbindungen ist für die Wirksamkeit als
häufig rauhen Gebrauchsbedingungen ausgesetzt, wo- 40 Gleitmittel von entscheidender Bedeutung. Zur Erzie-
durch sie abgerieben, abgenutzt, verkratzt oder abge- lung der besten Ergebnisse ist es vorteilhaft, wenn R'"
splittert werden können. So werden beispielsweise in 18 oder mehr C-Atome enthält.
Großbetrieben, wie Kliniken, verwendete Schalen tag- Auf Grund der Kenntnis der deutschen Patentschrift
lieh mehrere Male gewaschen, gestapelt und in Be- 1105 870.worinAmmoniumorganosilan-Verbindungen
nutzung genommen. 45 mit ausschließlich kurzkettigen Alkylresten beschrie-
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Gleit- ben werden, war es jedoch nicht vorhersehbar, zur
überzüge für silicatische Werkstoffe, wodurch die Lösung der gestellten Aufgabe, die Gleitfähigkeit von
Lebensdauer von Glas- oder Glas-Keramik-Form- silicatischen Werkstoffoberflächen zu verbessern, aus
körpern beträchtlich verlängert und verbesserte Ver- derGruppederquaternärcnOrganosiliciumammonium-
arbeitungseigenschaften von Glasfasern erzielt werden. 50 Verbindungen solche mit einem langkettigen Alkylrest
Erfindungsgemäß werden als Gleitmittel für silica- am quaternären Stickstoffatom auszuwählen, deren
tische Werkstoff-Oberflächen quaternäre Organosiü- bevorzugte Vertreter zudem an ein und demselben
ciumammonium-VerbindungenderallgemeiiienFormel Stickstoffatom mit verschiedenen Alkylresten substi-
[XaR. «SiR'N<f>R "R"'lY<-> tuiert sind. Aus der dort unter anderem gegebenen
55 unspezifischen Verwendungsmöglichkeit der quater-
worin X Hydroxylgruppen oder hydrolysierbare nären Ammoniumorganosilane als Ausrüstungsmittel
Reste, für Glasfasern wäre indessen die Schlußfolgerung, daß
R Alkylreste mit weniger als 7 C-Atomen, derartige Verbindungen als Haftvermittler für die
R' zweiwertige Kohlenwasserstoffreste mit 3 Herstellung glasfaserverstärkter Kunststoffe oder für
bis 18 C-Atomen, die gegebenenfalls Äther- 60 die Finish-Behandlung textiler Glasseidengewebe ge-
oder Thioätherbindungen enthalten kön- eignet seien, naheliegender gewesen als die Annahme
nen, eines Gleiteffektes, der gerade das Gegenteil eines
R" Wasserstoffatome oder Alkylreste mit we- haftungsvermittelnden Effektes darstellt.
niger als 7 C-Atomen, Als Maß für die Prüfung der Gleiteigenschaften R'" Alkylreste mil 12 oder mehr C-Atomen, 65 gegenüber Glas dient beispielsweise der sogenannte Y Säureanionen bedeuten und »Ruhewinkel«, dessen Ermittlung im Beispiel 1 aus- a 2 oder 3 ist, ' . führlich beschrieben wird. Je kleiner dieser Ruheverwendet, winkel ist, um so größer ist die Gleitfähigkeit der
Glasoberfläche. Hierbei werden beispielsweise mit der erfindungsgemäß verwendeten Organoammoniumsilicium-Verbindung, die als langkettigen Alkylrest den Octadecylrest enthält, Ruhewinkdwerte von 3° bis 4° erzielt, während mit Organoammoniumsilicium-Verbindungen, die nur Methylreste gebunden enthalten, gemäß der deutschen Patentschrift 1105 870 nur ein Ruhewinkelwert von 14° erreicht wird, womit der mit den erfindungsgemäß verwendeten Verbindungen erzielte überlegene Gleiteffekt eindeutig bewiesen wird.
Beispiele für Säureanionen Y sind Chlor-, Bromoder Jod- sowie Carboxylat-, Phosphat- oder Sulfatanionen.
Die erfindungsgemäß verwendbaren quaternären Organosiliciumammonium-Verbindungen können am besten dadurch hergestellt werden, daß Organosilicium-Verbindungen der allgemeinen Formel
YR SiXoR3-Q
worin Y, X, R, R' und a die angegebene Bedeutung haben, mit einem Amin der allgemeinen Formel
R"2R'"N
worin R" und R'" die angegebene Bedeutung haben, in einem polaren Lösungsmittel wie Methanol, Äthanol, Isopropanol und Aceton umgesetzt werden. Weitere Herstellungsverfahren sind aus den Beispielen ersichtlich.
Durch das Aufbringen dieser quaternären Organosiliciumammwnium-Verbindungen wird der Reibungskoeffizient der silicatischen Werkstoffoberfiächen beträchtlich vermindert. Diese Verbindungen können nach üblichen Verfahren wie durch Tauch-, Bürstoder Sprühverfahren auf die Werkstoffoberflächen aufgetragen werden. Die Menge der quaternären Organosiliciumammonium-Verbindungen spielt keine entscheidende Rolle, unabhängig von der Art des Auftragens. Werden die Verbindungen in Form einer Lösung aufgetragen, ist es vorteilhaft, wenn die Konzentration der quaternären Organosiliciumammonium-Verbindungen in dem Lösungsmittel im Bereich von 0,1 bis 5°/0, vorzugsweise 0,5 bis 2%, jeweils bezogen auf das Gewicht der Lösung, liegt. Als Lösungsmittel können Methanol, Methylenchlorid, Wasser und Acetonitril verwendet werden. Die Auswahl des Lösungsmittels hängt von dem Verwendungszweck des behandelten Formkörpers ab.
Die silicatischen Werkstoffe, die erfindungsgemäß mit den quaternären Organosiliciumammonium-Verbindungen behandelt werden können, umfassen Glasformkörper wie Flaschen, Glasfasern wie Glasseidenstränge und -gewebe, Glas-Keramik-Formkörper wie Schalen und Kochgeschirr und Porzellan-Formkörper.
Beispiel 1
Ein 3-1-3-Hals-Kolben, der mit Rückflußkühler, Rührer, Thermometer und einer Kühlfalle ausgerüstet war, wurde mit 610 g (2,0MoI) Octadecyldimethylamin und 440 g (2,2 Mol) Chlorpropyltrimethoxysilan beschickt. Diese Lösung wurde mit 1050 g Äthylenglykolmonomethyläther versetzt.Das Gemisch wurde 20 Stunden auf Rückflußtemperatur erhitzt, wobei 201 g des Materials mit Siedepunkten unterhalb von 118°C, hauptsächlich Methanol, entfernt wurden. Dieses Material wurde durch eine gleiche Gewichtsmenge an 2-Methoxyäthanol ersetzt. Nach 20 Stunden war die Reaktion beendet.
Die Titration einer Probe dieses Produkts der Formel
ergab eine Chloridionenkonzentration von 3,42 °/n.
Die berechnete Chloridionenkonzentration dieses Produktes betrug 3,38%. Das Produkt war unbegrenzt mit Wasser mischbar. Zur Prüfung der Gleiteigpnschaften gegenüber Glas wurden Glasflaschen mit einem Fassungsvermögen von 226,8 g in eine 0,5gewichtsprozentige wäßrige Lösung des Produktes getaucht. Die Glasflaschen wurden dann luftgetrocknet. 3 Flaschen wurden auf ihren Seitenflächen in Form einer Pyramide au/ einem kippbaren flachen Brett geschichtet. Dann wurde eine Seite des Brettes hochgehoben, bis die oberste Flasche langsam über die zwei unteren Flaschen zu gleiten begann. Der Winkel, in welchem die oberste Flasche zu gleiten anfing, wurde als »Ruhewinkel« bezeichnet. Je kleiner dieser Ruhewinkel war, um so größer war die Gleitfähigkeit
ao der Glasoberfläche. Auf diese Weise wurde der Ruhewinkel von Oberflächen, die mit der Verbindung der Formel
[(CH3O)3Si(CH2)3N<H(CH3)2Ci8H37]C1< >
behandelt worden waren, mit 3 bis 4° bestimmt, während unbehandelte Flaschen einen Ruhewinkel von 24 bis 28° hatten.
Beispiel 2
Die Verbindung der Formel
[(CH3O)3S.'(CH2)3N<+>(CH3)2C18H3?]Cl<->
wurde ebenfalls durch Erhitzen einer Mischung aus 60 g Octadecyldimethylamin und 40 g Chlorpropyltrimethoxysilan in einem rostfreien Stahlautoklav hergestellt. Die Reaktionsteilnehmer wurden im Autoklav auf 100°C gehalten. Nach etwa 70 Stunden wurden 89,5 g eines orangefarbenen, flüssigen Produkts gewonnen. Durch Titration der Chloridionen wurde festgestellt, daß die Ausbeute an dem gewünschten Produkt 72°/o betrug. Das Produkt war wasserlöslich. Die Gleiteigenschaften des Produktes gegenüber Glas wurden durch den im Beispiel 1 beschriebenen Test festgestellt. Die behandelten Glasflaschen hatten einen Ruhewinkel von 4°, was bewies, daß das Produkt ein hervorragendes Gleitmittel für Glasoberflächen war.
Beispiel 3
jo Eine Lösung aus 121 g (0,55 Mol) Dodecyldimethylamin und 99 g (0,5 MoI) Chlorpropyltrimethoxysilan wurde 20 Stunden auf 120 bis 1250C erhitzt. Nach 20 Stunden zeigte die Titration der Chloridionen, daß die Ausbeute an dem gewünschten Produkt 93°/0 betrug. Das Reaktionsprodukt der Formel
[(CH3O)3Si(CH2)3N<+>(CH3)2(C12H25)]CI< >
war wasserlöslich.
Eine 0,5gewichtsprozentige wäßrige Lösung des Produktes wurde wie im Beispiel 1 geprüft. Der Ruhewinkel betrug 5°. Nach einstündigem Eintauchen in kochendes Wasser wurden die behandelten Flaschen erneut getestet; der Ruhewinkel betrug dann 7°.
B e i s ρ i e I 4
Ein Gemisch aus 80 g (0,4 Mol) Dodecyiamin und 40 g (0,2 MoI) Chlorpropyltrimethoxysilan wurde 24 Stunden auf 110 bis 1300C erhitzt. Die Analyse der
Chloridionen ergab, daß die Ausbeute an dem gewünschten Produkt 99°/0 betrug.
Das so erhaltene Produkt wurde mit 1 Mol (60 g) Äthylendiamin versetzt, und diese Aufschlämmung wurde mehrere Stunden gerührt. Nach Abtrennung der oberen Schicht (117 g) wurde diese von flüchtigen Bestandteilen bei 600C und 1 mm Hg befreit und 91 g eines nichtfiüchtigen Produktes gewonnen. Dieses Produkt war wasserunlöslich, jedoch als Säureadditionssalz der Formel
[(CH3O)3Si(CHa)3N(+)H2(C12H25)]CI<-)
in angesäuertem Wasser (HCl) löslich.
Mit diesem Produkt wurden Olasflaschen gemäß Beispiel 1 behandelt. Der Ruhewinkel betrug 12°.
Beispiel 5
Ein Gemisch aus 81,6 g Kokosnußamin (Coeo-Amin: Molekulargewicht etwa 204) und 40 g Chlorpropyltrimethoxysilan wurde 22 Stunden auf 1200C erhitzt. Die Chloridionenkonzentr.tion zeigte an, daß die Reaktion nach dieser Zeitspanne vollständig verlaufen war. 1 Mol (60 g) Äthylendiamin wurde in das Reaktionsgemisch eingerührt. Nach Abtrennen der oberen Schicht wurde diese bei 750C und O1Ji mm Hg von flüchtigen Bestandteilen befreit, wodurch 97,7 g einer Flüssigkeit der Formel
gewonnen wurden, in welcher R" der Kokosrest war. Das Produkt war nicht löslich in neutralem Wasser, jedoch löslich als Hydrochloridsalz.
Eine 0,5gewichtsprozentige wäßrige Lösung des
ίο löslichen Salzes wurde als Gleitmittel auf Glasflaschen aufgetragen und gemäß Beispiel 1 getestet, wobei der Ruhewinkel 6° betrug.
Nach diesem ersten Test wurden die Flaschen 1 Stunde in kochendes Wasser getaucht. Nach dem
Lufttrocknen wurden sie erneut hinsichtlich der Gleitfähigkeit des Glases geprüft. Der Ruhewinkel war unverändert, woraus geschlossen werden kann, daß diese Gleitfähigkeitswirkung bei Schalen und Kochgeschirr auch nach vielen Waschvorgängen erhalten
ao bleibt.
Beispiel 6
Wurden Glasseidenstränke durch ein Bad aus einer l.Ogewichtsprozentigen wäßrigen Lösung der Verbin- «5 dung der Formel
([CH3CH2J2 -C = N- O)3SiC2H4 - CH2Nf+)(C2H5WC26H53)
Br<->
geführt, Iiei3 sich das behandelte Glas leichter verarbeiten und zeigte eine geringere Bruchneigung als unbehandeltes Glas.
Beispiel 7
Das Produkt gemäß Beispiel 1 kann beim Spülvorgang in einer handelsüblichen Geschirrspülmaschine zugegeben werden, wodurch sich in dem Spülwasser eine wäßrige Lösung der Verbindung der Formel
[(CH3O)3Si(CH2)3N(+)(CH3)2CI8H37]Cl<-)
bildet. Dieses Spülwasser kann auch die handelsüblichen nichtionogenen oberflächenaktiven Mittel enthalten, die den Trocknungsvorgang des gewaschenen Geschirrs beschleunigen. Auf diese Weise kann Geschirr aus Glas und Glaskeramik in Verbindung mit dem Spülvorgang in handelsüblichen Geschirrspülmaschinen gleitfähig gemacht werden. Eine Probe aus einer 2gewichtsprozentigen wäßrigen Lösung des Produktesgemäß Beispiel 1, die die gleiche Volumenmenge eines handelsüblichen nichtionogenen oberflächenaktiven Mittels enthielt, wurde entsprechend dem bei einem Spülvorgang verwendeten Wasser hergestellt. Die Lösung wurde an handelsüblichen Glaskeramikschüsseln erprobt zur Feststellung ihrer Gleiteigenschaften. Sie war ein hervorragendes Gleitmittel.
Diese Probe wurde 3 Wochen gelagert und dann erneut geprüft. Die Gleiteigenschaften der Lösung waren dieselben. Die wäßrige Lösung zeigte nach 8 Wochen keine Verschlechterung ihrer Eigenschaften.
Beispiel 8
Eine Lösung aus 165 g (0,55 Mol) Octadecyldimethylamin und 92 g (0,5MoI) der Verbindung der Formel
(CH3O)2CH3Si(CH2)3Cl
in 257 g 2-Methoxyäthanol wurde 22 Stunden auf 110 bis 125°C erhitzt. Die Chloridanalyse des Pro-
' duktes zeigte, daß die Reaktion vollständig verlaufen war. Das Produkt der Formel
[(CH3O)2CH3Si(CH2)3N<+)(CH3).A8H3,)Cl<->
war wasserlöslich.
Eine 0,5gewichtsprozentige wäßrige Lösung des Produktes wurde gemäß Beispiel 1 getestet. Der Ausgangs-Ruhewinkcl betrug 6°. Nach einstündigem Eintauchen in kochendes Wasser hatten die Flaschen einen Ruhewinkel von 8".
Bei sp ie! 9
Eine Lösung aus 24,7 g (0,1 MoI) «-Chlortolyltrimethoxysilan und 29,8 g (0,1 Mol) Octadecyldimethylamin wurde zusammen mit 54,5 g Isopropanol 6,5 Stunden auf 86°C unter Rückfluß erhitzt. Titration der ChlorMionen zeigte, daß die Ausbeute an dem gewünschten Produkt 97°/o betrug. Das erhaltene Produkt der Formel
(CH3O)3Si
-CH2Nl+)(CH3Wn-C18H37) CK")
war wasserlöslich.
Eine 0.5gewichtsprozentige wäßrige Lösung des Produktes wurde pemäß den vorangegangenen Beispielen getestet. Der -RuhcWinkel betrug 6°.
Beispiel 10
Äquimolare Mengen «-Chlortolyltrimethoxysilan und Hexadecyldimethylamin wurden in Isopropanol
5 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Die Titration der . /=T\
liloridionen zeigte, daß die Ausbeute an dem ge- (CH3O)3Si—ζ^ ; — CH2NC(CH3]
iJnschten Produkt 93% betrug. ' *■-■'
Eine 0,5gewichtsprozentige wäßrige Lösung des Pro- wurde als Olasgleitmittel getestet. D
iktes der Formel 5 betrug 5°.

Claims (2)

1 2 Beispiele für hydrolysierbare Reste X sind Alkoxy- Patentunspruche: re,,te ^ Metnoxy.> ßutoxy- und Isobiitoxyreste, Aryl-
1. Verwendung von quaternären Organosilicium- oxyreste wie Phenoxyreste; Halogenatome wie Chior-, amrnonium-Verbindungen der alicemeinen Formel Brom- und Fluoratome; Acyloxyreste, wie Acetoxy-,
rv R SiR-N(HR »Β·»ιγ(-) s Propionoxy- und Decanoxyreste; Ketox.mreste, w.e
lXoK3-flt>iK N'HRj κ jyti der (CH3J5C = N — O-Rest; und Arrunreste, wie
worin X Hydroxylgruppen oder hydrolysierbare CH3NH-, NHS- und (QH5J2N-ReStC
Reste., Allgemein sind unter der hier verwendeten Bezeich-R Alkylreste mit weniger als 7 C-Atomen, nung ,»Hydrolysierbare Reste« solche zu verstehen, die R' zweiwertige Kohlenwasserstoffreste mit io mit Wasser bei Raumtemperatur abhydrolysiert wer-3 bis 18 C-Atomen, die gegebenenfalls den können. Die quaternären Organosihciumammo-Äther- oder Thioätherbindungen ent- nium-Verbindungen können auch in Form von Teilhalten können, kandensaten verwendet werden, worunter Hydrolyse-R" Wasserstoff atome oder Alkylreste mit Produkte zu verstehen sind, die noch nachweisbare weniger als 7 C-Atomen, 15 Mengen an Hydroxyl- oder hydrolysierbaren Gruppen R'" Alkylreste mit 12 oder mehr C-Atomen, enthalten, vorzugsweise mindestens eine derartige Y Säureanionen bedeuten und Gruppe auf jeweils 4 Si-Atome.
a 2 oder 3 ist, Beispiele für zweiwertige Kohlenwasserstoffreste R',
als Gleitmittel für silicalische Werkstoff oberflächen. die gegebenenfalls Äther- oder Thioätherbindungen
2. Verwendung der quaternären Organosilicium- ao enthalten können, sind Propylen-, Hexylen-, Phenylen-, ammonium-Verbindung der Formel Biphenylen-,
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