¿Qué son los surfactantes de silicona?

Los tensioactivos de silicona son una clase de tensioactivos con polidimetilsiloxano como su columna vertebral hidrofóbica y uno o más grupos polares organosilícicos unidos a sus posiciones intermedias o finales. La energía del enlace Si-O del grupo hidrofóbico en su estructura es mayor que las energías de enlace C-C y C-O de los tensioactivos tradicionales de cadena de carbono, lo que lo hace más hidrofóbico y estable; su gran peso molecular y su estructura multiramificada le confieren un excelente rendimiento a baja temperatura y compatibilidad, y es un tensioactivo eficiente.

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La fórmula general de su estructura es:

Al cambiar los grupos m, n y R en la fórmula, se pueden producir tensioactivos de silicona con diferentes masas molares (viscosidad) y valores de equilibrio hidrofílico-lipofílico (valores HLB) para diversas aplicaciones, como agentes niveladores de espuma para espumas de poliuretano, emulsionantes, materiales de cuidado personal, agentes niveladores para recubrimientos, antiespumantes, agentes antiestáticos, modificadores de plásticos, agentes humectantes, aditivos para combustibles, agentes de acabado textil, lubricantes solubles en agua, agentes desmoldantes, aditivos para pesticidas, coadyuvantes agrícolas, etc.

01 Características del tensioactivo de silicona

1. Excelente rendimiento en la reducción de la tensión superficial.

2. Excelente rendimiento de humectación.

3. Propiedad antiespumante y propiedad estabilizadora de espuma.

4. La toxicidad es básicamente fisiológicamente inerte.

5. Gran efecto emulsionante y buen rendimiento de coincidencia.

02 ¿Cómo evaluar el efecto de los tensioactivos de silicona?

La concentración micelar crítica (CMC) es un parámetro utilizado para determinar el mínimo requerido para reducir la tensión superficial máxima del agua. Las micelas formadas por encima de la CMC separan los contaminantes hidrofóbicos del suelo y retienen las micelas dentro de sus núcleos hidrofóbicos, reciclándolos así en la fase acuosa. El valor de CMC determina la eficiencia de cualquier biosurfactante; por lo tanto, este valor es crítico para las comparaciones de biosurfactantes.

03 Clasificación de los tensioactivos de silicona

Los tensioactivos de silicona se pueden dividir en cuatro categorías: no iónicos, aniónicos, catiónicos y anfóteros, según las propiedades químicas del grupo hidrofílico R en su estructura química. Entre ellos, los tensioactivos no iónicos son los más estudiados, los más utilizados.

1. Tensioactivo de silicona catiónico

Si el grupo R contiene unidades estructurales como compuestos de amonio cuaternario alquílico, compuestos de amonio cuaternario amídico y compuestos de amonio cuaternario derivados de imidazolina, se denomina tensioactivo de silicona catiónico. Entre los tensioactivos catiónicos, el tensioactivo de sal de amonio cuaternario de polisiloxano catiónico es el más utilizado. El tensioactivo de sal de amonio cuaternario de polisiloxano catiónico tiene una gran masa molar, puede ser compatible con tensioactivos aniónicos, no es irritante para la piel y los ojos humanos, y tiene cierta capacidad antibacteriana. Estabilizar. Las macromoléculas de este producto contienen cadenas de polisiloxano hidrofóbicas de cadena larga, que le confieren una excelente suavidad y tersura.

2. Tensioactivo de silicona aniónico

Cuando el grupo R contiene unidades estructurales como sal de éster fosfórico, sal de sulfato, sal de carboxilato, sal de sulfonato y éster de sulfosuccinamida, se denomina tensioactivo de silicona aniónico. Cuando R tiene la estructura que se muestra en la siguiente figura, se denomina tensioactivo de sal de fosfato de polisiloxano aniónico.

 

 

Cuando R’ es un grupo funcional de ácido graso, es un tensioactivo anfótero de fosfobetaína de polisiloxano. La molécula del tensioactivo tiene tanto la estructura y propiedades de la fosfobetaína como la estructura y propiedades del polisiloxano. Si se selecciona un polisilano de baja masa molar, la característica del polisiloxano es débil; por el contrario, si se selecciona un polisiloxano con una masa molar grande, la característica del polisiloxano es notable. Dichos productos poliméricos de silicona tienen las características de baja toxicidad, antibacterial, resistencia al agua dura y buena compatibilidad con varios tensioactivos.

3. Tensioactivos de silicona no iónicos

Cuando el grupo R contiene unidades como poliéter, alcanolamida, éster y glucósido, es un tensioactivo no iónico. Entre ellos, los tensioactivos de silicona de poliéter son los más utilizados, como:

El tensioactivo de silicona de poliéter no iónico está compuesto por un segmento de polisiloxano (A) y un segmento de poliéter (B). Los métodos de combinación son: tipo AB, tipo ABA, tipo BAB y tipos como (AB) n, de cadena ramificada y de cadena lateral. La conexión entre el segmento de poliéter y el segmento de siloxano tiene dos formas, a saber, tipo Si-O-C y tipo Si-C. El primero es inestable y pertenece al tipo de hidrólisis; el segundo es estable al agua y se denomina tipo no hidrolizable.

4. Tensioactivos de silicona anfóteros

Si el grupo R contiene una estructura como fosfato de betaína o betaína, se denomina tensioactivo de polisiloxano anfótero.

04 Métodos para la síntesis de tensioactivos de silicona

1. Síntesis de tensioactivos de silicona catiónicos

La reacción se lleva a cabo en un disolvente inerte como benceno, acetona, tetracloruro de carbono, xileno y tolueno.

2. Síntesis de tensioactivos de silicona aniónicos

3. Síntesis de tensioactivos de silicona no iónicos

Desde el método de preparación por copolimerización y desde la hidrólisis y la estabilidad química, se puede dividir en dos tipos de métodos de síntesis: copolímeros unidos por cadenas Si-O-C y copolímeros unidos por cadenas Si-C. La síntesis se puede dividir en dos pasos: el primer paso es sintetizar polisiloxano, y el segundo paso es hacer que el polisiloxano forme copolímeros de bloque con polioxoalcano en forma de Si—O—C\/Si—C.

05 Rendimiento de los tensioactivos de silicona

1. Propiedades interfaciales de los tensioactivos de silicona

Como la cadena principal de los tensioactivos de silicona es un enlace Si-O blando, no es ni hidrófila ni lipófila, por lo que se puede utilizar en soluciones acuosas y medios no acuosos donde los tensioactivos de hidrocarburos comunes no se pueden aplicar. Por otro lado, los tensioactivos de silicona dispuestos en la interfaz con grupos metileno pueden reducir la tensión superficial a aproximadamente 20 mN/m, mientras que los tensioactivos de hidrocarburos comunes dispuestos en la interfaz con grupos metileno solo pueden reducir la tensión superficial a aproximadamente 30 mN/m.

 

El tensioactivo de silicona más utilizado es el tensioactivo de silicona modificado con EO/PO, cuyo rendimiento está relacionado con una variedad de factores como la relación de EO/PO y el grado de polimerización del tensioactivo; el EO es la parte hidrófila del grupo de modificación del tensioactivo y el PO es la parte lipófila. Cuando la relación de EO/PO cambia, el rendimiento del tensioactivo de silicona cambiará.

 

Se encuentra que si la relación EO/PO se vuelve más grande, el valor HLB del tensioactivo aumentará, lo que indica una hidrofilicidad mejorada; una relación EO/PO más pequeña hará que el tensioactivo sea menos hidrófilo. Cuando los aceites de silicona modificados con poliéter injertados tienen la misma longitud de EO, su tensión superficial aumenta a medida que disminuye el grado de polimerización del polisiloxano. Esto se debe al hecho de que cuanto más corta es la cadena molecular del polisiloxano, más apretada es la acumulación en la interfaz aire/agua y más grupos metilo en la superficie. Cuando se introduce PO, aumenta la hidrofobicidad de la cadena de los poliéteres de silicona, aumentando así la tensión superficial del aceite de silicona modificado con poliéter.

2. Supermojabilidad de los tensioactivos de silicona

Los tensioactivos de trisiloxano no solo pueden reducir la tensión interfacial en la interfaz aceite/agua, sino que también pueden expandir la humectabilidad en superficies hidrófobas de baja energía, una capacidad conocida como “superhumectabilidad” o “superextensibilidad”. Se cree que este fenómeno se debe a la presencia de agregados específicos de tensioactivos en la solución. Por lo tanto, los tensioactivos de silicona se pueden utilizar como agentes humectantes.

 

La razón por la cual las cadenas de polidimetilsiloxano se extienden fácilmente sobre superficies polares (por ejemplo, agua, metales, fibras, etc.) es que el oxígeno en la cadena de silicona puede formar enlaces de oxígeno con moléculas polares o grupos de átomos, aumentando la fuerza entre la cadena de silicona y las moléculas de la superficie polar y haciendo que se extiendan en una sola capa molecular, lo que hace que la silicona hidrófoba se extienda sobre la superficie polar en una característica configuración de “cadena estirada“. Esto da como resultado que la silicona hidrófoba se extienda sobre la superficie polar en una característica configuración de ”cadena estirada", mientras que los grupos hidrófobos de los tensioactivos comunes se colocan verticalmente sobre la superficie polar.

 

Cuando el grupo metilo en un polisiloxano es reemplazado por otros grupos (por ejemplo, alquilo grande, alicíclico, arilo, grupos funcionales de silicio o carbono), esto inevitablemente afecta la hidrofobicidad del polisiloxano y la velocidad y el estado de extensión sobre superficies polares debido al cambio en la polaridad o resistencia del sitio espacial del sustituyente. El número y la distribución de los sustituyentes en la cadena de silicona pueden tener el mismo efecto. Por ejemplo, la sustitución de grupos metilo por grupos alquilo o arilo más grandes reduce significativamente la capacidad de extensión del polisiloxano, así como su capacidad para orientarse sobre superficies polares.

3. Capacidad de los tensioactivos de silicona para estabilizar emulsiones

Algunos tensioactivos de silicona injertados mantienen la estabilidad de la emulsión en presencia de sales, etanol y disolventes orgánicos, una capacidad que los tensioactivos de hidrocarburos tradicionales no poseen. La fuerza de interacción en la interfaz del tensioactivo de silicona se encontró mediante microscopía atómica (AFM). Los tensioactivos no iónicos pierden actividad superficial en una solución de etanol al 25%, mientras que los tensioactivos de silicona aún pueden reducir la tensión superficial cuando la fracción de volumen de etanol alcanza el 80%. Esta propiedad de los tensioactivos de silicona refleja que el polidimetilsiloxano no solo es hidrófobo, sino que también es insoluble en disolventes orgánicos con el aumento del contenido de polidimetilsiloxano.

4. El papel de los tensioactivos de silicona y el CO2

Rocha et al. creían que los tensioactivos de trisiloxano de éter polioxietileno pueden hacer que el CO2 y el agua formen emulsiones. Al ajustar el número de EO y cambiar el “valor de balance hidrofílico y CO2-fílico (HCB)” de los tensioactivos, las emulsiones pueden hacerse de CO2 en agua (W\/C) convertidas a CO2 en agua (C\/W). Sarbu et al. creen que las propiedades de los tensioactivos de polisiloxano les permiten ser utilizados en CO2 supercrítico. Fink et al. consideraron el comportamiento de fase de los tensioactivos de silicona en CO2 supercrítico, y encontraron que el comportamiento de fase era muy sensible a los grupos CO2-fóbicos, pero menos sensible al tamaño del siloxano, y encontraron una fase cristalina líquida aleatoria. Folk et al. prepararon una serie de tensioactivos de silicona catiónicos y estudiaron su comportamiento en CO2 de alta densidad. Cambiar la longitud de la cadena y el contraión del polidimetilsiloxano cambia fuertemente su actividad superficial en CO2 crítico.

06 Aplicación de los tensioactivos de silicona

1. Productos de cuidado personal y cosméticos

Debido a que los tensioactivos de silicona tienen muchas ventajas, como no toxicidad, no irritación cutánea, antioxidación, protección UV, buena biocompatibilidad y excelentes propiedades de resistencia al agua y transpirabilidad, se utilizan ampliamente en cosméticos, champús y productos para el cuidado del cabello, cremas, etc. Las clases de productos y los productos tienen un cierto grado de aplicación. Debido a su baja tensión superficial y viscosidad adecuada, el tensioactivo de silicona mejora la extensión de los cosméticos sobre la piel y la superficie del cabello, mejora la hidratación y retención de los cosméticos en la piel y mantiene la ventilación normal de la piel. El cabello queda brillante, manejable, suave, antiestático y sedoso.

 

2. Industria textil

Los tensioactivos de silicona tienen propiedades antiestáticas, suavidad y buenas capacidades de esterilización y desinfección, y pueden impartir un buen efecto de suavizado a las fibras. Los tensioactivos de silicona catiónicos se utilizan principalmente como agentes antiestáticos y suavizantes en la industria textil. Los tensioactivos de silicona catiónicos de sal de amonio cuaternario se utilizan en el acabado higiénico de productos fibrosos y tienen buena resistencia a la esterilización y al moho. Y son seguros y duraderos.

3. Plaguicidas

En el procesamiento de pesticidas, la adición de 0.05% – 0.1% (fracción de masa) de tensioactivo de organosilicio como agente auxiliar puede optimizar las propiedades físicas y la estabilidad química de la preparación, aumentar la variedad de preparaciones y ampliar el ámbito de aplicación. La epidermis de las hojas y tallos de las plantas a menudo tienen componentes o estructuras anti-humedad, y a menudo tienen cargas negativas, que tienen un efecto repulsivo sobre los líquidos pesticidas, y la adición de tensioactivos de silicona puede promover la adhesión suave de las formulaciones de pesticidas a las plantas, y el mantenimiento, la dispersión y la penetración juegan un papel clave en la mejora de la eficacia del fármaco. Los tensioactivos de silicona pueden reducir su tensión superficial, permitiendo que el agua penetre en la tráquea de los insectos, haciéndolos letales, como adyuvantes insecticidas.

 

• XJY-703 Bis(trimetilsiloxi) metilsiloxano\/Heptametiltrisiloxano contiene un enlace silicio-hidrógeno altamente reactivo y es un material básico para el Polialquilenóxido Modificado Heptametiltrisiloxano sintético.

 

• XJY-207 Heptametiltrisiloxano modificado con polialquilenóxido es un tensioactivo de silicona trisiloxano modificado con una estructura especial. Tiene propiedades superiores de humectación y expansión, así como una tasa de penetración estomática que los tensioactivos normales no pueden cumplir. XJY-207 puede mejorar el efecto de prevención de los plaguicidas y reducir el volumen de pulverización. Se utiliza en los campos de plaguicidas herbicidas, insecticidas, acaricidas, fungicidas, reguladores del crecimiento de las plantas y otros aspectos.

 

4. Alimentos y medicina

El antiespumante de silicona está formulado con polisiloxano modificado como componente principal, añadiendo una variedad de tensioactivos no iónicos, etc. Tiene un excelente rendimiento de antiespumante y control de espuma, menor dosis, uso conveniente, y no es tóxico ni corrosivo. Y tiene buenos efectos antiespumantes y anti-espuma sobre la espuma producida en la producción de glutamato monosódico, productos de soja y antibióticos.

• XJY-706 1,1,3,3-Tetrametildisiloxano puede usarse como intermedio farmacéutico

5. Productos químicos para cuero

Los tensioactivos de silicona se utilizan principalmente como engrasantes y suavizantes en el cuero debido a sus buenas propiedades lubricantes y repelencia al agua. El agente engrasante de organosilicio preparado por la copolimerización por injerto de este y la grasa resuelve el problema de que el tensioactivo que contiene silicio tiende a migrar hacia el exterior, y reduce la cantidad de engrasante y el costo. La fibra de cuero impregnada con tensioactivo de silicona tiene buenas propiedades de dispersión y lubricación, y el cuero terminado es suave, especialmente adecuado para cuero de prendas y cuero de empeine de zapatos, y también se puede usar para la fabricación de pieles. El tensioactivo de silicona co-modificado con aminopoliéter se usa como agente engrasante, que puede hacer que la suavidad y la hidrofilicidad alcancen un nivel satisfactorio. Brillante y aceitoso.

 

6. Mecanizado

En el proceso de producción, uso y mantenimiento de productos metálicos, es necesario limpiar todo tipo de suciedad (como virutas de metal, fluido de corte, abrasivos y diversas grasas, polvo y ácidos, álcalis, sales, etc. electrolitos y sudor de manos, etc.) para garantizar la calidad interna y superficial del producto y prolongar la vida útil. El agente de limpieza con tensioactivo de silicona tiene un buen rendimiento de limpieza y una fuerte detergencia. No solo puede eliminar las manchas de aceite en las superficies metálicas, sino también limpiar la suciedad como el sudor de manos y las sales inorgánicas. Además, no es inflamable, no es tóxico y es seguro de usar. Además de una buena capacidad de inhibición de la corrosión y anticorrosión, también puede ahorrar energía y reducir la contaminación ambiental, y es adecuado para la limpieza automática mecanizada.

 

7. Industria del plástico

El tensioactivo de silicona juega un papel importante en el proceso de producción de espuma de poliuretano, como la dispersión del sistema, el crecimiento de burbujas, la estabilización de burbujas y la apertura de la cámara de aire, etc. Es un buen estabilizador de espuma y estabilizador para la espuma de poliuretano. Usando su actividad superficial, puede fabricar espuma de poliuretano blanda, espuma rígida, espuma semirrígida y espuma de alta resiliencia. Además, la aplicación del estabilizador de espuma de silicona ignífugo en la espuma de poliuretano es cada vez más extensa.

 

07 Conclusión

Los tensioactivos de silicona tienen las ventajas de materias primas baratas y fáciles de obtener, procesos suaves y fáciles de controlar, amplia aplicación y gran demanda. Tienen buen rendimiento en campo, desarrollo rápido y gran potencial de mercado. La investigación sobre tensioactivos de silicona por parte de académicos nacionales está dando grandes pasos para alcanzar el nivel internacional, y se han logrado algunos resultados de investigación de vanguardia en la dirección de un grado de gemelación estructural de investigación. Al mismo tiempo, también ha habido más progreso en la investigación sobre los procesos y productos de limpieza y ecologización.

 

Referencias:

“Silicones Dulces”: Reacciones Biocatalíticas para Formar Macroméros de Carbohidratos de Organosilicio. Org. Lett. 2005; 7:3857–3860.

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Kickelbick G, Bauer J, Husing N, Andersson M, Palmqvist A (2003) Formación espontánea de vesículas de copolímeros de bloque anfifílicos de polisiloxano-b-poli(óxido de etileno) de cadena corta.

Soni SS, Sastry NV, George J, Bohidar HB (2003) Estudios de dispersión de luz dinámica y viscosidad sobre el comportamiento de asociación de surfactantes de silicona en soluciones acuosas.