Was sind Silikon-Tenside?

Silikon-Tenside sind eine Klasse von Tensiden mit Polydimethylsiloxan als hydrophobem Rückgrat und einer oder mehreren siliciumorganischen polaren Gruppen, die an deren Zwischen- oder Endpositionen gebunden sind. Die Si-O-Bindungsenergie der hydrophoben Gruppe in ihrer Struktur ist höher als die C-C- und C-O-Bindungsenergien traditioneller Kohlenstoffketten-Tenside, was sie hydrophober und stabiler macht; ihre große Molekülmasse und die mehrfach verzweigte Struktur verleihen ihr hervorragende Tieftemperatureigenschaften und Kompatibilität, und sie ist ein effizientes Tensid.

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Die allgemeine Formel ihrer Struktur lautet:

Durch Variation der m-, n- und R-Gruppen in der Formel können Silikon-Tenside mit unterschiedlichen Molmassen (Viskosität) und hydrophil-lipophilen Gleichgewichtswerten (HLB-Werten) für verschiedene Anwendungen hergestellt werden, wie z.B. Schaumgleichrichter für Polyurethanschaum, Emulgatoren, Kosmetikrohstoffe, Verlaufmittel für Beschichtungen, Entschäumer, Antistatika, Kunststoffmodifikatoren, Benetzungsmittel, Kraftstoffadditive, Textilausrüstungsmittel, wasserlösliche Schmiermittel, Trennmittel, Pestizidadditive, landwirtschaftliche Adjuvantien usw.

01 Eigenschaften von Silikontensiden

1. Hervorragende Leistung bei der Reduzierung der Oberflächenspannung.

2. Hervorragende Benetzungsleistung.

3. Entschäumungseigenschaft und Schaumstabilisierungseigenschaft.

4. Toxizität ist grundsätzlich physiologisch inert.

5. Große emulgierende Wirkung und gute Abstimmungseigenschaften.

02 Wie wird die Wirkung von Silikontensiden bewertet?

Die kritische Mizellkonzentration (CMC) ist ein Parameter, der verwendet wird, um das Minimum zu bestimmen, das benötigt wird, um die maximale Wasseroberflächenspannung zu reduzieren. Die oberhalb der CMC gebildeten Mizellen trennen die hydrophoben Verunreinigungen vom Boden und halten die Mizellen in ihren hydrophoben Kernen, wodurch sie in die wässrige Phase zurückgeführt werden. Der CMC-Wert bestimmt die Effizienz jegliches Biosurfactants; daher ist dieser Wert entscheidend für den Vergleich von Biosurfactants.

03 Klassifizierung von Silikontensiden

Silikon-Tenside können nach den chemischen Eigenschaften der hydrophilen Gruppe R in ihrer chemischen Struktur in vier Kategorien eingeteilt werden: nichtionisch, anionisch, kationisch und zwitterionisch. Darunter sind nichtionische Tenside die am meisten erforschten, die am weitesten verbreiteten.

1. Kationisches Silikontensid

Wenn die R-Gruppe Struktureinheiten wie Alkylquaternäre Ammoniumverbindungen, Amidquaternäre Ammoniumverbindungen und Imidazolinderivatquaternäre Ammoniumverbindungen enthält, wird es als kationisches Organosiliciumtensid bezeichnet. Unter den kationischen Tensiden ist das kationische Polysiloxanquaternäre Ammoniumsalztensid am weitesten verbreitet. Das kationische Polysiloxanquaternäre Ammoniumsalztensid hat eine große Molmasse, kann mit anionischen Tensiden kompatibel sein, ist nicht reizend für menschliche Haut und Augen und weist eine gewisse antibakterielle Fähigkeit auf. Stabil. Die Makromoleküle dieses Produkts enthalten hydrophobe langkettige Polysiloxanketten, die ihm hervorragende Glätte und Weichheit verleihen.

2. Anionisches Silikontensid

Wenn die R-Gruppe Struktureinheiten wie Phosphatester, Sulfat, Carboxylat, Sulfonat und Sulfosuccinamidester enthält, wird es als anionisches Silikontensid bezeichnet. Wenn R die in der folgenden Abbildung gezeigte Struktur ist, wird es als anionisches Polysiloxanphosphatsalztensid bezeichnet.

 

 

Wenn R’ eine Fettsäurefunktionalität ist, handelt es sich um ein Polysiloxanphosphobetain-amphoteres Tensid. Das Tensidmolekül hat sowohl die Struktur und Eigenschaften von Phosphobetain als auch die Struktur und Eigenschaften von Polysiloxan. Wenn ein Polysilan mit niedriger Molmasse gewählt wird, ist die Polysiloxan-Charakteristik schwach; umgekehrt, wenn ein Polysiloxan mit großer Molmasse gewählt wird, ist die Polysiloxan-Charakteristik ausgeprägt. Solche Silikonpolymerprodukte zeichnen sich durch geringe Toxizität, antibakterielle Eigenschaften, Härtewasserbeständigkeit und gute Verträglichkeit mit verschiedenen Tensiden aus.

3. Nichtionische Silikontenside

Wenn die R-Gruppe Einheiten wie Polyether, Alkanolamid, Ester und Glycosid enthält, handelt es sich um ein nichtionisches Tensid. Darunter sind Polyethersilikon-Tenside die am häufigsten verwendeten, wie z.B.:

Nichtionisches Polyethersilikon-Tensid besteht aus Polysiloxan-Segment (A) und Polyether-Segment (B). Die Kombinationsmethoden sind: AB-Typ, ABA-Typ, BAB-Typ und (AB)n-Typ, verzweigter Typ und Seitenkettentyp. Die Verbindung zwischen dem Polyether-Segment und dem Siloxan-Segment erfolgt auf zwei Arten, nämlich Si-O-C-Typ und Si-C-Typ. Ersteres ist instabil und gehört zum Hydrolysiertyp; letzteres ist wasserbeständig und wird als nicht-hydrolysierbarer Typ bezeichnet.

4. Amphotere Silikontenside

Wenn die R-Gruppe eine Struktur wie Phosphatbetain oder Betain enthält, spricht man von amphoteren Polysiloxantensiden.

04 Synthesemethoden für Silikontenside

1. Synthese kationischer Silikontenside

Die Reaktion wird in einem inerten Lösungsmittel wie Benzol, Aceton, Tetrachlorkohlenstoff, Xylol und Toluol durchgeführt.

2. Synthese anionischer Silikontenside

3. Synthese nichtionischer Silikontenside

Aus der Methode der Copolymerisationsherstellung und aus Hydrolyse und chemischer Stabilität kann man zwei Arten von Synthesemethoden unterscheiden: Copolymere, die durch Si-O-C-Ketten verknüpft sind, und Copolymere, die durch Si-C-Ketten verknüpft sind. Die Synthese kann in zwei Schritte unterteilt werden: Der erste Schritt ist die Synthese von Polysiloxan, und der zweite Schritt besteht darin, Polysiloxan in Form von Si-O-C/Si-C mit Polyoxoalkan zu Blockcopolymeren zu bilden.

05 Eigenschaften von Silikontensiden

1. Grenzflächeneigenschaften von Silikontensiden

Da die Hauptkette von Silikontensiden eine weiche Si-O-Bindung ist, ist sie weder hydrophil noch lipophil, wodurch sie in wässriger Lösung und nichtwässrigen Medien eingesetzt werden kann, wo herkömmliche Kohlenwasserstofftenside nicht anwendbar sind. Andererseits können an der Grenzfläche angeordnete Silikontenside mit Methylengruppen die Oberflächenspannung auf etwa 20 mN/m reduzieren, während herkömmliche Kohlenwasserstofftenside an der Grenzfläche mit Methylengruppen die Oberflächenspannung nur auf etwa 30 mN/m reduzieren können.

 

Das am häufigsten verwendete Silikontensid ist das EO/PO-modifizierte Silikontensid, dessen Leistung mit verschiedenen Faktoren wie dem EO/PO-Verhältnis und dem Polymerisationsgrad des Tensids zusammenhängt; EO ist der hydrophile Teil der Tensidmodifikationsgruppe und PO der lipophile Teil. Wenn sich das EO/PO-Verhältnis ändert, ändert sich die Leistung des Silikontensids.

 

It is found that if the EO/PO ratio becomes larger, the HLB value of the surfactant will increase, indicating enhanced hydrophilicity; a smaller EO/PO ratio will make the surfactant less hydrophilic. When grafted polyether-modified silicone oils have the same length of EO, their surface tension increases as the degree of polysiloxane polymerization decreases. This is due to the fact that the shorter the molecular chain of the polysiloxane, the tighter the build-up at the air/water interface and the more methyl groups on the surface. When PO is introduced, it increases the hydrophobicity of the silicone polyethers’ chain, thus increasing the surface tension of the polyether-modified silicone oil.

2. Superbenetzbarkeit von Silikontensiden

Trisiloxane surfactants can not only reduce the interfacial tension at the oil/water interface, but may also wettability expand on low-energy hydrophobic surfaces, an ability known as “super-wettability” or “super-spreadability”. This phenomenon is thought to be due to the presence of specific surfactant aggregates in the solution. Therefore, silicone surfactants can be used as wetting agent.

 

The reason why polydimethylsiloxane chains spread easily on polar surfaces (e.g. water, metals, fibres, etc.) is that the oxygen in the silicone chain can form oxygen bonds with polar molecules or groups of atoms, increasing the force between the silicone chain and the polar surface molecules and causing them to spread into a single molecular layer, thus causing the hydrophobic silicone to lie across the polar surface in a characteristic “stretched chain This results in the hydrophobic silicone lying across the polar surface in a characteristic “stretched chain” configuration, whereas the hydrophobic groups of ordinary surfactants lie upright on the polar surface.

 

Wenn die Methylgruppe in einem Polysiloxan durch andere Gruppen ersetzt wird (z.B. große Alkyl-, alicyclische, Aryl-, siliziumfunktionelle oder kohlenstofffunktionelle Gruppen), beeinflusst dies unweigerlich die Hydrophobizität des Polysiloxans sowie die Geschwindigkeit und den Zustand des Ausbreitens auf polaren Oberflächen aufgrund der Änderung der Polarität oder des räumlichen Platzbedarfs des Substituenten. Die Anzahl und Verteilung der Substituenten auf der Silikonkette kann den gleichen Effekt haben. Beispielsweise reduziert der Ersatz von Methylgruppen durch größere Alkyl- oder Arylgruppen die Ausbreitungsfähigkeit des Polysiloxans sowie seine Fähigkeit, sich auf polaren Oberflächen auszurichten, erheblich.

3. Die Fähigkeit von Silikontensiden, Emulsionen zu stabilisieren

Einige gepfropfte Silikontenside behalten die Emulsionsstabilität in Gegenwart von Salzen, Ethanol und organischen Lösungsmitteln, eine Fähigkeit, die traditionelle Kohlenwasserstofftenside nicht besitzen. Die Wechselwirkungskraft an der Grenzfläche von Silikontensiden wurde durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) ermittelt. Nichtionische Tenside verlieren ihre Oberflächenaktivität in 25%iger Ethanollösung, während Silikontenside die Oberflächenspannung noch reduzieren können, wenn der Volumenanteil von Ethanol 80% erreicht. Diese Eigenschaft von Silikontensiden spiegelt wider, dass Polydimethylsiloxan nicht nur hydrophob, sondern auch mit zunehmendem Polydimethylsiloxangehalt unlöslich in organischen Lösungsmitteln ist.

4. Die Rolle von Silikontensiden und CO2

Rocha et al. glaubten, dass Polyoxyethylenether-Trisiloxan-Tenside Emulsionen aus CO2 und Wasser bilden können. Durch Anpassen der Anzahl von EO und Ändern des “hydrophilen und CO2-philen Gleichgewichts (HCB)-Werts” der Tenside können die Emulsionen von CO2-in-Wasser (W/C) zu CO2-in-Wasser (C/W) umgewandelt werden. Sarbu et al. glauben, dass die Eigenschaften von Polysiloxan-Tensiden deren Verwendung in überkritischem CO2 ermöglichen. Fink et al. betrachteten das Phasenverhalten von Silikon-Tensiden in überkritischem CO2 und fanden heraus, dass das Phasenverhalten sehr empfindlich gegenüber CO2-phoben Gruppen, aber weniger empfindlich gegenüber der Größe des Siloxans war, und fanden eine zufällige flüssigkristalline Phase. Folk et al. stellten eine Reihe kationischer Silikon-Tenside her und untersuchten deren Verhalten in hochdichtem CO2. Die Änderung der Kettenlänge und des Gegenions von Polydimethylsiloxan verändert dessen Oberflächenaktivität in kritischem CO2 stark.

06 Anwendung von Silikontensiden

1. Körperpflege- und Kosmetikprodukte

erheblich. Da Silicon-Tenside viele Vorteile wie Ungiftigkeit, keine Hautreizung, antioxidative Wirkung, UV-Schutz, gute Biokompatibilität sowie ausgezeichnete wasserabweisende und atmungsaktive Eigenschaften aufweisen, finden sie breite Anwendung in Kosmetika, Shampoos und Haarpflegeprodukten, Cremes usw. Diese Produkte und Erzeugnisse finden in gewissem Umfang Anwendung. Aufgrund seiner niedrigen Oberflächenspannung und geeigneten Viskosität verbessert Silicon-Tensid das Ausbreiten von Kosmetika auf der Haut- und Haaroberfläche, steigert die Feuchtigkeitsbindung und -haltung von Kosmetika auf der Haut und bewahrt die normale Hautatmung. Das Haar wird glänzend, fügsam, glatt, antistatisch und weich.

 

2. Textilindustrie

Silicon-Tenside besitzen antistatische Eigenschaften, Weichheit sowie gute Sterilisations- und Desinfektionsfähigkeiten und können Fasern eine gute Weichmacherwirkung verleihen. Kationische Silicon-Tenside werden hauptsächlich als Antistatika und Weichmacher in der Textilindustrie eingesetzt. Quartäre Ammoniumsalz-kationische Silicon-Tenside werden in der hygienischen Ausrüstung von Faserprodukten verwendet und weisen eine gute keimtötende und schimmelresistente Wirkung auf, sind sicher und langlebig.

3. Pestizide

In der Pestizidverarbeitung kann die Zugabe von 0,05–0,1 % (Massenanteil) siliciumorganischem Tensid als Hilfsstoff die physikalischen Eigenschaften und die chemische Stabilität der Zubereitung optimieren, die Sortenvielfalt erhöhen und den Anwendungsbereich erweitern. Die Blatt- und Stängelepidermis von Pflanzen weist oft anti-benetzende Komponenten oder Strukturen auf und ist oft negativ geladen, was eine abstoßende Wirkung auf Pestizidflüssigkeiten hat. Die Zugabe von Silikon-Tensiden kann das reibungslose Anhaften, Verbleiben, Ausbreiten und Eindringen von Pestizidformulierungen auf Pflanzen fördern und spielt eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Wirksamkeit des Mittels. Silikon-Tenside können deren Oberflächenspannung senken, sodass Wasser in die Tracheen von Insekten eindringen kann, was sie als Insektizid-Hilfsstoffe tödlich macht.

 

• XJY-703 Bis(trimethylsiloxy)methylsiloxan/Heptamethyltrisiloxan enthält eine hochreaktive Silizium-Wasserstoff-Bindung und ist ein Grundmaterial für die Synthese von Polyalenoxid-modifiziertem Heptamentyltrisiloxan.

 

• XJY-207 Polyalkylenoxid-modifiziertes Heptamethyltrisiloxan ist ein modifiziertes Trisiloxan-Silicon-Tensid mit einer speziellen Struktur. Es besitzt überlegene Eigenschaften in Bezug auf Benetzung und Ausbreitung sowie eine stomatale Penetrationsrate, die normale Tenside nicht erreichen können. XJY-207 kann die Vorbeugungswirkung von Pestiziden verbessern und die Sprühmenge reduzieren. Es wird in den Bereichen von Pestiziden, Herbiziden, Insektiziden, Akariziden, Fungiziden, Pflanzenwachstumsregulatoren und anderen Anwendungen eingesetzt.

 

4. Lebensmittel und Medizin

Silikon-Entschäumer wird mit modifiziertem Polysiloxan als Hauptkomponente formuliert und enthält eine Vielzahl nichtionischer Tenside usw. Er hat hervorragende Entschäumungs- und Schaumkontrollleistung, geringe Dosierung, bequeme Verwendung und ist ungiftig, nicht korrosiv. Und er hat gute entschäumende und schaumhemmende Wirkungen auf den Schaum, der bei der Produktion von Mononatriumglutamat, Sojaprodukten und Antibiotika entsteht.

• XJY-706 1,1,3,3-Tetramethyldisiloxan kann als Medikamenten-Zwischenprodukt verwendet werden.

5. Lederchemikalien

Silikontenside werden aufgrund ihrer guten Schmiereigenschaften und Wasserabweisung hauptsächlich als Fettungs- und Weichmachungsmittel in Leder eingesetzt. Der durch Pfropfcopolymerisation hergestellte Organosilikon-Fettungsmittel löst das Problem der Auswanderung silikonhaltiger Tenside und reduziert den Fettungsmittelbedarf sowie die Kosten. Mit Silikontensid imprägnierte Lederfasern zeigen gute Dispergier- und Schmiereigenschaften; das fertige Leder ist weich und besonders geeignet für Bekleidungsleder und Schuhoberleder, ebenso für die Pelzherstellung. Aminopolyether co-modifizierte Silikontenside als Fettungsmittel erreichen zufriedenstellende Weichheit und Hydrophilie – glänzend und ölig.

 

6. Zerspanung

Bei der Herstellung, Nutzung und Wartung von Metallprodukten müssen verschiedene Verschmutzungen (wie Metallspäne, Kühlschmierstoffe, Schleifmittel, Fette, Staub, Elektrolyte, Säuren, Laugen, Salze und Handschweiß) entfernt werden, um Produktqualität und Lebensdauer zu gewährleisten. Silikontensid-Reiniger bieten ausgezeichnete Reinigungskraft, entfernen nicht nur Ölrückstände, sondern auch Handschweiß und anorganische Salze. Sie sind nicht brennbar, ungiftig, sicher in der Anwendung, zeigen gute Korrosionsinhibierung, sparen Energie, reduzieren Umweltbelastung und eignen sich für mechanisierte Reinigungsprozesse.

 

7. Kunststoffindustrie

Silikontenside spielen eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Polyurethanschaum – etwa bei Systemdispersion, Blasenwachstum, Blasenstabilisierung und Zellenöffnung. Sie dienen als effektive Schaumstabilisatoren für weiche, harte, halbharte und hoch-elastische Polyurethanschäume. Zudem gewinnt die Anwendung flammhemmender Silikonschaumstabilisatoren in Polyurethan zunehmend an Bedeutung.

 

07 Fazit

Silikon-Tenside haben die Vorteile von billigen und leicht verfügbaren Rohstoffen, milden und leicht kontrollierbaren Prozessen, breiter Anwendung und großer Nachfrage. Sie haben gute Feldeigenschaften, schnelle Entwicklung und großes Marktpotenzial. Die Forschung zu Silikon-Tensiden durch inländische Wissenschaftler macht große Fortschritte, um das internationale Niveau zu erreichen, und einige wegweisende Forschungsergebnisse wurden in Richtung eines strukturellen Zwillingsgrades der Forschung erzielt. Gleichzeitig gab es auch mehr Fortschritte bei der Forschung zu Reinigungs- und Begrünungsprozessen und -produkten.

 

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