Que sont les agents tensioactifs en silicone ?

Les tensioactifs silicones sont une classe de tensioactifs dont le squelette hydrophobe est le polydiméthylsiloxane et qui comportent un ou plusieurs groupes polaires organosiliciés attachés à leurs positions intermédiaires ou terminales. L'énergie de liaison Si-O du groupe hydrophobe dans leur structure est supérieure aux énergies de liaison C-C et C-O des tensioactifs à chaîne carbonée traditionnels, ce qui les rend plus hydrophobes et plus stables ; leur poids moléculaire élevé et leur structure multibranchée leur confèrent d'excellentes performances à basse température et une bonne compatibilité, ce qui en fait des tensioactifs efficaces.

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La formule générale de sa structure est :

En modifiant les groupes m, n et R de la formule, on peut produire des tensioactifs de silicone avec différentes masses molaires (viscosité) et valeurs d'équilibre hydrophile-lipophile (valeurs HLB) pour diverses applications, telles que les agents de nivellement de mousse pour mousses polyuréthanes, les émulsifiants, les matériaux de soins personnels, les agents de nivellement pour revêtements, les antimousses, les agents antistatiques, les modifiants plastiques, les agents mouillants, les additifs pour carburants, les agents d'apprêt pour textiles, les lubrifiants hydrosolubles, les agents de démoulage, les additifs phytosanitaires, les adjuvants agricoles, etc.

01 Caractéristiques des surfactants au silicone

1. Excellente performance dans la réduction de la tension superficielle.

2. Excellente performance de mouillage.

3. Propriété antimousse et propriété de stabilisation de la mousse.

4. La toxicité est fondamentalement inerte sur le plan physiologique.

5. Grand effet émulsifiant et bonne performance de compatibilité.

02 Comment évaluer l'effet des surfactants au silicone ?

La concentration micellaire critique (CMC) est un paramètre utilisé pour déterminer la quantité minimale requise pour réduire la tension superficielle maximale de l'eau. Les micelles formées au-dessus de la CMC séparent les contaminants hydrophobes du sol et les retiennent au sein de leurs noyaux hydrophobes, permettant ainsi leur recyclage en phase aqueuse. La valeur CMC détermine l'efficacité de tout biosurfactant ; cette valeur est donc cruciale pour comparer les biosurfactants.

03 Classification des surfactants au silicone

Les tensioactifs de silicone peuvent être classés en quatre catégories selon les propriétés chimiques du groupe hydrophile R dans leur structure chimique : non ioniques, anioniques, cationiques et zwitterioniques. Parmi ceux-ci, les tensioactifs non ioniques sont les plus étudiés et les plus largement utilisés.

1. Surfactant au silicone cationique

Si le groupe R contient des unités structurelles telles que des composés d'ammonium quaternaire alkylés, des composés d'ammonium quaternaire amidés et des dérivés quaternaires d'ammonium d'imidazoline, il s'agit d'un tensioactif de silicone cationique. Parmi les tensioactifs cationiques, le tensioactif à base de polysiloxane ammonium quaternaire cationique est le plus largement utilisé. Ce tensioactif présente une masse molaire élevée, peut être compatible avec les tensioactifs anioniques, est non irritant pour la peau et les yeux, et possède une certaine capacité antibactérienne. Il est stable. Les macromolécules de ce produit contiennent des chaînes polysiloxanes hydrophobes à longue chaîne, ce qui lui confère une excellente douceur et souplesse.

2. Surfactant au silicone anionique

Lorsque le groupe R contient des unités structurelles telles que le sel de phosphate d'ester, le sel de sulfate, le sel de carboxylate, le sel de sulfonate et l'ester de sulfosuccinamide, il s'agit d'un tensioactif de silicone anionique. Lorsque R correspond à la structure présentée dans la figure ci-dessous, on parle de tensioactif à base de polysiloxane phosphate anionique.

 

 

When R’ is a fatty acid functional group, it is a polysiloxane phosphobetaine amphoteric surfactant. The surfactant molecule has both the structure and properties of phosphobetaine and the structure and properties of polysiloxane. If a low molar mass polysilane is selected, the polysiloxane characteristic is weak; on the contrary, if a polysiloxane with a large molar mass is selected, the polysiloxane characteristic is remarkable. Such silicone polymers products have the characteristics of low toxicity, antibacterial, hard water resistance, and good compatibility with various surfactants.

3. Surfactants au silicone non ioniques

Lorsque le groupe R contient des unités telles que le polyéther, l'alcoolamide, l'ester et le glycoside, il s'agit d'un tensioactif non ionique. Parmi ceux-ci, les tensioactifs de silicone à base de polyéther sont les plus utilisés, par exemple :

Le tensioactif de silicone polyéther non ionique est composé d'un segment de polysiloxane (A) et d'un segment de polyéther (B). Les méthodes de combinaison sont : type AB, type ABA, type BAB, et des types tels que (AB)n, à chaîne ramifiée et à chaîne latérale. La liaison entre le segment polyéther et le segment siloxane peut se faire de deux manières, à savoir le type Si-O-C et le type Si-C. Le premier est instable et de type hydrolysable ; le second est stable à l'eau et est dit non hydrolysable.

4. Surfactants au silicone amphotères

Si le groupe R contient une structure telle que la bétaïne phosphate ou la bétaïne, on parle alors de tensioactif polysiloxane amphotère.

04 Méthodes de synthèse des surfactants au silicone

1. Synthèse des surfactants au silicone cationiques

La réaction est menée dans un solvant inerte tel que le benzène, l'acétone, le tétrachlorure de carbone, le xylène et le toluène.

2. Synthèse des tensioactifs siliconiques anioniques

3. Synthèse des surfactants au silicone non ioniques

Du point de vue de la méthode de préparation par copolymérisation et de la stabilité hydrolytique et chimique, elle peut être divisée en deux types de méthodes de synthèse : les copolymères liés par des chaînes Si-O-C et les copolymères liés par des chaînes Si-C. La synthèse peut être divisée en deux étapes : la première étape consiste à synthétiser le polysiloxane, et la deuxième étape consiste à faire en sorte que le polysiloxane forme des copolymères séquencés avec le polyoxoalcane sous forme de Si—O—C/Si—C.

05 Performances des surfactants au silicone

1. Propriétés interfaciales des surfactants au silicone organique

Comme la chaîne principale des tensioactifs siliconiques est une liaison Si-O flexible, elle n'est ni hydrophile ni lipophile, ce qui permet leur utilisation en solution aqueuse et en milieu non aqueux où les tensioactifs hydrocarbonés ordinaires ne peuvent pas être appliqués. D'autre part, les tensioactifs siliconiques organisés à l'interface avec des groupes méthylène peuvent réduire la tension superficielle jusqu'à environ 20 mN/m, tandis que les tensioactifs hydrocarbonés ordinaires organisés de la même manière ne peuvent la réduire qu'à environ 30 mN/m.

 

Le tensioactif siliconique le plus utilisé est le tensioactif siliconique modifié EO/PO, dont les performances dépendent de divers facteurs tels que le rapport EO/PO et le degré de polymérisation du tensioactif ; l'EO est la partie hydrophile du groupe de modification du tensioactif et le PO est la partie lipophile. Lorsque le rapport EO/PO varie, les performances du tensioactif siliconique changent.

 

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. Super-mouillabilité des surfactants au silicone

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.

 

Lorsque le groupe méthyle dans un polysiloxane est remplacé par d'autres groupes (par exemple, de grands groupes alkyle, alicycliques, aryle, à fonctionnalité silicium ou carbone), cela affecte inévitablement l'hydrophobicité du polysiloxane ainsi que la vitesse et l'état d'étalement sur les surfaces polaires, en raison du changement de polarité ou de l'encombrement stérique du substituant. Le nombre et la distribution des substituants sur la chaîne siliconique peuvent avoir le même effet. Par exemple, la substitution des groupes méthyle par des groupes alkyle ou aryle plus volumineux réduit considérablement la capacité d'étalement du polysiloxane, ainsi que sa capacité à s'orienter sur les surfaces polaires.

3. Capacité des surfactants au silicone à stabiliser les émulsions

Certains tensioactifs siliconiques greffés maintiennent la stabilité des émulsions en présence de sels, d'éthanol et de solvants organiques, une capacité que les tensioactifs hydrocarbonés traditionnels ne possèdent pas. La force d'interaction à l'interface des tensioactifs siliconiques a été mesurée par microscopie à force atomique (AFM). Les tensioactifs non ioniques perdent leur activité de surface dans une solution à 25% d'éthanol, tandis que les tensioactifs siliconiques peuvent encore réduire la tension superficielle lorsque la fraction volumique d'éthanol atteint 80%. Cette propriété des tensioactifs siliconiques reflète le fait que le polydiméthylsiloxane n'est pas seulement hydrophobe, mais aussi insoluble dans les solvants organiques lorsque sa teneur augmente.

4. Rôle des surfactants au silicone et du CO2

Rocha et al. pensaient que les tensioactifs trisiloxane polyoxyéthylène éther peuvent faire en sorte que le CO2 et l'eau forment des émulsions. En ajustant le nombre d'EO et en modifiant la “ valeur d'équilibre hydrophile et CO2-phile (HCB) ” des tensioactifs, les émulsions peuvent être converties de CO2 dans l'eau (W/C) en CO2 dans l'eau (C/W). Sarbu et al. pensent que les propriétés des tensioactifs polysiloxane leur permettent d'être utilisés dans le CO2 supercritique. Fink et al. ont étudié le comportement de phase des tensioactifs silicones dans le CO2 supercritique et ont constaté que le comportement de phase était très sensible aux groupes CO2-phobes, mais moins sensible à la taille du siloxane, et ont découvert une phase cristalline liquide aléatoire. Folk et al. ont préparé une série de tensioactifs silicones cationiques et ont étudié leur comportement dans le CO2 à haute densité. La modification de la longueur de chaîne et du contre-ion du polydiméthylsiloxane modifie considérablement son activité de surface dans le CO2 critique.

06 Applications des surfactants au silicone

1. Produits de soins personnels et cosmétiques

Étant donné que les tensioactifs siliconiques présentent de nombreux avantages tels que la non-toxicité, l'absence d'irritation cutanée, l'antioxydation, la protection UV, une bonne biocompatibilité et d'excellentes propriétés imperméables et respirantes, ils sont largement utilisés dans les cosmétiques, les shampooings et soins capillaires, les crèmes, etc. Ces produits et d'autres en contiennent à divers degrés. Grâce à leur faible tension superficielle et à leur viscosité appropriée, les tensioactifs siliconiques améliorent l'étalement des cosmétiques sur la peau et la surface des cheveux, améliorent l'hydratation et la rétention des cosmétiques sur la peau, et préservent la respiration normale de la peau. Les cheveux sont brillants, faciles à coiffer, lisses, antistatiques et doux.

 

2. Industrie textile

Les tensioactifs siliconiques possèdent des propriétés antistatiques, un pouvoir adoucissant et de bonnes capacités de stérilisation et de désinfection, et peuvent conférer un bon effet assouplissant aux fibres. Les tensioactifs siliconiques cationiques sont principalement utilisés comme agents antistatiques et adoucissants dans l'industrie textile. Les tensioactifs siliconiques cationiques à base de sels d'ammonium quaternaire sont utilisés dans l'apprêt sanitaire des produits textiles et présentent une bonne stérilisation et une résistance aux moisissures. Ils sont sûrs et durables.

3. Pesticides

Dans le traitement des pesticides, l'ajout de 0,05% à 0,1% (fraction massique) de tensioactif organosilicié comme adjuvant peut optimiser les propriétés physiques et la stabilité chimique de la préparation, augmenter la variété des préparations et élargir le champ d'application. L'épiderme des feuilles et des tiges des plantes contient souvent des composants ou des structures anti-mouillage, et présente souvent des charges négatives, qui ont un effet de répulsion sur les liquides pesticides, et l'ajout de tensioactifs silicones peut favoriser la fixation en douceur des formulations pesticides sur les plantes, l'entretien, la propagation et la pénétration jouant un rôle clé dans l'amélioration de l'efficacité du médicament. Les tensioactifs silicones peuvent réduire leur tension superficielle, permettant à l'eau de pénétrer dans la trachée des insectes, les rendant mortels, en tant qu'adjuvants insecticides.

 

• XJY-703 Bis(triméthylsiloxy)méthylsiloxane/Heptaméthyltrisiloxane contient une liaison silicium-hydrogène très réactive et c'est une matière première de base pour la synthèse de l'heptaméthyltrisiloxane modifié par polyalèneoxyde.

 

• XJY-207 Polyalkylèneoxyde modifié Heptaméthyltrisiloxane est un tensioactif siliconique trisiloxane modifié à structure spéciale. Il possède des propriétés super-étalantes et d'expansion ainsi qu'un taux de pénétration stomatique que les tensioactifs normaux ne peuvent atteindre. XJY-207 peut améliorer l'effet préventif des pesticides et réduire le volume de pulvérisation. Il est utilisé dans les domaines des herbicides, insecticides, acaricides, fongicides, régulateurs de croissance des plantes et autres aspects liés aux pesticides.

 

4. Alimentation et médicaments

L'antimousse silicone est formulé avec du polysiloxane modifié comme composant principal, ajoutant une variété de tensioactifs non ioniques, etc. Il possède d'excellentes performances de démoussage et de contrôle de la mousse, un dosage réduit, une utilisation pratique, et est non toxique et non corrosif. Et il a de bons effets de démoussage et anti-mousse sur la mousse produite dans la production de glutamate monosodique, de produits à base de soja et d'antibiotiques.

• XJY-706 1,1,3,3-Tétraméthyldisiloxane peut être utilisé comme intermédiaire pharmaceutique

5. Produits chimiques pour cuirs

Les tensioactifs en silicone sont principalement utilisés comme agents de nourrissage et assouplissants dans le cuir en raison de leurs bonnes propriétés lubrifiantes et de leur imperméabilité. L'agent de nourrissage au silicone organique préparé par copolymérisation greffée avec la graisse résout le problème de la migration externe des tensioactifs contenant du silicium, réduisant ainsi la quantité de nourrisseur et le coût. Les fibres du cuir imprégnées de tensioactif au silicone présentent une bonne dispersion et des propriétés lubrifiantes, et le cuir fini est souple, particulièrement adapté au cuir pour vêtements et au cuir pour empeigne, et peut également être utilisé dans la fabrication de fourrures. Le tensioactif au silicone co-modifié à l'aminopolyéther utilisé comme agent de nourrissage permet d'atteindre un niveau satisfaisant de souplesse et d'hydrophilie. Brillant et gras.

 

6. Usinage

Lors de la production, de l'utilisation et de l'entretien des produits métalliques, il est nécessaire de nettoyer les diverses salissures (telles que les copeaux métalliques, le fluide de coupe, les abrasifs et diverses graisses, poussières, électrolytes comme les acides, alcalis, sels, ainsi que la sueur des mains, etc.) pour garantir la qualité interne et de surface du produit et prolonger sa durée de vie. Le nettoyant à base de tensioactif au silicone possède de bonnes performances de nettoyage et un fort pouvoir détergent. Il peut non seulement éliminer les taches de graisse sur les surfaces métalliques, mais aussi nettoyer les salissures comme la sueur des mains et les sels inorganiques. De plus, il est non inflammable, non toxique et sûr à utiliser, avec une bonne capacité d'inhibition de la corrosion et de protection anticorrosion. Il permet également d'économiser l'énergie et de réduire la pollution environnementale, et convient au nettoyage automatique mécanisé.

 

7. Industrie plastique

Le tensioactif au silicone joue un rôle important dans le processus de production de mousse de polyuréthane, comme la dispersion du système, la croissance des bulles, la stabilisation des bulles et l'ouverture des chambres d'air, entre autres. C'est un bon stabilisant et agent stabilisateur pour la mousse de polyuréthane. Grâce à son activité de surface, il permet de fabriquer de la mousse de polyuréthane souple, rigide, semi-rigide et à haute résilience. De plus, l'application du stabilisant de mousse ignifuge au silicone dans la mousse de polyuréthane est de plus en plus répandue.

 

07 Conclusion

Les tensioactifs silicone présentent les avantages de matières premières bon marché et faciles à obtenir, de procédés doux et faciles à contrôler, d'une large application et d'une grande demande. Ils ont de bonnes performances sur le terrain, un développement rapide et un potentiel de marché important. La recherche sur les tensioactifs silicone par les chercheurs nationaux fait de grands progrès pour rattraper le niveau international, et certains résultats de recherche de pointe ont été obtenus dans la direction d'un degré de jumelage structurel de la recherche. Dans le même temps, il y a également eu plus de progrès dans la recherche sur les processus et produits de nettoyage et de verdissement.

 

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