シリコーン界面活性剤とは何ですか？

シリコーン界面活性剤は、疎水性骨格としてポリジメチルシロキサンを持ち、その中間または末端位置に1つ以上の有機ケイ素極性基が結合した界面活性剤の一種です。その構造中の疎水基のSi-O結合エネルギーは、従来の炭素鎖界面活性剤のC-CおよびC-O結合エネルギーよりも高く、そのためより疎水性で安定しています。その大きな分子量と多分岐構造により、優れた低温性能と相溶性を有し、効率的な界面活性剤です。.

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その構造の一般式は次のとおりです。

式の中のm、n、R基を変えることで、異なるモル質量（粘度）と親水親油バランス値（HLB値）を持つシリコーン界面活性剤を製造でき、ポリウレタンフォーム用のフォームレベリング剤、乳化剤、パーソナルケア材料、コーティング用レベリング剤、消泡剤、帯電防止剤、プラスチック改質剤、湿潤剤、燃料添加剤、織物仕上げ剤、水溶性潤滑剤、離型剤、農薬添加剤、農業用アジュバントなど、様々な用途に使用されます。.

01 シリコーン界面活性剤の特徴

1. 表面張力低減における優れた性能。.

2. 優れた濡れ性能。.

3. 消泡性と泡安定性。.

4. 毒性は基本的に生理学的に不活性。.

5. 優れた乳化効果と良好な適合性能。.

02 シリコーン界面活性剤の効果を評価する方法

臨界ミセル濃度（CMC）は、最大の水表面張力を低減するために必要な最小値を決定するために使用されるパラメータです。CMC以上で形成されたミセルは、疎水性の汚染物質を土壌から分離し、それらをミセルの疎水性コア内に保持することで、水相にリサイクルします。CMC値は任意のバイオ界面活性剤の効率を決定するため、この値はバイオ界面活性剤の比較において重要です。.

03 シリコーン界面活性剤の分類

シリコーン界面活性剤は、その化学構造中の親水基Rの化学的性質に応じて、非イオン性、陰イオン性、陽イオン性、両性イオン性の4つのカテゴリーに分類できます。その中で、非イオン性界面活性剤が最も研究されており、最も広く使用されています。.

1. カチオン性シリコーン界面活性剤

R基がアルキル第四級アンモニウム化合物、アミド第四級アンモニウム化合物、イミダゾリン誘導体第四級アンモニウム化合物などの構造単位を含む場合、それはカチオン性有機ケイ素界面活性剤と呼ばれます。カチオン性界面活性剤の中で、カチオン性ポリシロキサン第四級アンモニウム塩界面活性剤が最も広く使用されています。カチオン性ポリシロキサン第四級アンモニウム塩界面活性剤は大きなモル質量を持ち、陰イオン性界面活性剤と相溶性があり、人間の皮膚や目に対して刺激性がなく、一定の抗菌能力を持っています。安定しています。この製品の高分子は疎水性の長鎖ポリシロキサン鎖を含み、優れた滑らかさと柔らかさを付与します。.

2. アニオン性シリコーン界面活性剤

R基がリン酸エステル塩、硫酸塩、カルボン酸塩、スルホン酸塩、スルホコハク酸アミドエステルなどの構造単位を含む場合、それはアニオン性シリコーン界面活性剤と呼ばれます。Rが下図のような構造の場合、アニオン性ポリシロキサンリン酸塩界面活性剤と呼ばれます。.

 

 

R'が脂肪酸官能基である場合、それはポリシロキサンホスホベタイン両性界面活性剤です。この界面活性剤分子は、ホスホベタインの構造と特性、およびポリシロキサンの構造と特性の両方を持っています。低モル質量のポリシランを選択すると、ポリシロキサンの特性は弱くなります。逆に、大きなモル質量のポリシロキサンを選択すると、ポリシロキサンの特性が顕著になります。このようなシリコーンポリマー製品は、低毒性、抗菌性、耐硬水性、および様々な界面活性剤との良好な相溶性という特性を持っています。.

3. 非イオン性シリコーン界面活性剤

R基がポリエーテル、アルカノールアミド、エステル、グリコシドなどの単位を含む場合、それは非イオン性界面活性剤です。その中で、ポリエーテルシリコーン界面活性剤が最も使用されており、例えば次のようなものがあります。

非イオン性ポリエーテルシリコーン界面活性剤は、ポリシロキサンセグメント(A)とポリエーテルセグメント(B)から構成されています。組み合わせ方法は、AB型、ABA型、BAB型、(AB)n型、分岐鎖型、側鎖型などがあります。ポリエーテルセグメントとシロキサンセグメントの結合には、Si-O-C型とSi-C型の2つの方法があります。前者は不安定で加水分解型に属し、後者は水に対して安定で非加水分解型と呼ばれます。.

4. 両性シリコーン界面活性剤

R基がリン酸ベタインやベタインなどの構造を含む場合、それは両性ポリシロキサン界面活性剤と呼ばれます。.

04 シリコーン界面活性剤の合成方法

1. カチオン性シリコーン界面活性剤の合成

反応は、ベンゼン、アセトン、四塩化炭素、キシレン、トルエンなどの不活性溶媒中で行われる。.

2. アニオン性シリコーン界面活性剤の合成

3. 非イオン性シリコーン界面活性剤の合成

共重合調製法と加水分解及び化学的安定性から、合成方法はSi-O-C鎖で結合した共重合体とSi-C鎖で結合した共重合体の2種類に分類できる。合成は2段階に分けられる：第一段階はポリシロキサンの合成、第二段階はポリシロキサンをSi-O-C/Si-Cの形態でポリオキソアルカンとブロック共重合体を形成させることである。.

05 シリコーン界面活性剤の性能

1. 有機ケイ素界面活性剤の界面特性

シリコーン界面活性剤の主鎖は柔らかいSi-O結合であり、親水性でも親油性でもないため、通常の炭化水素系界面活性剤が適用できない水溶液や非水系媒体で使用できる。一方、メチレン基で界面に配置されたシリコーン界面活性剤は表面張力を約20 mN/mまで低下させることができるが、メチレン基で界面に配置された通常の炭化水素系界面活性剤は表面張力を約30 mN/mまでしか低下させることができない。.

 

最も使用されているシリコーン界面活性剤はEO/PO変性シリコーン界面活性剤であり、その性能はEO/PO比や界面活性剤の重合度などの様々な要因に関連する。EOは界面活性剤変性基の親水性部分、POは親油性部分である。EO/PO比が変化すると、シリコーン界面活性剤の性能も変化する。.

 

EO/PO比が大きくなると界面活性剤のHLB値が増加し、親水性の向上を示すことがわかっている。EO/PO比が小さいと界面活性剤の親水性は低下する。グラフト化ポリエーテル変性シリコーンオイルが同じEO長を持つ場合、ポリシロキサンの重合度が低下するにつれて表面張力が増加する。これは、ポリシロキサンの分子鎖が短いほど、空気/水界面での充填が緊密になり、表面のメチル基が増えるためである。POが導入されると、シリコーンポリエーテル鎖の疎水性が増加し、それによってポリエーテル変性シリコーンオイルの表面張力が増加する。.

2. シリコーン界面活性剤の超濡れ性

トリシロキサン界面活性剤は、油/水界面の界面張力を低下させるだけでなく、低エネルギー疎水性表面上で濡れ性を拡大させることもでき、この能力は「超濡れ性」または「超拡散性」として知られている。この現象は、溶液中の特定の界面活性剤凝集体の存在によるものと考えられている。したがって、シリコーン界面活性剤は湿潤剤として使用できる。.

 

ポリジメチルシロキサン鎖が極性表面（水、金属、繊維など）に容易に広がる理由は、シリコーン鎖中の酸素が極性分子または原子団と酸素結合を形成し、シリコーン鎖と極性表面分子間の力を増加させ、それらを単一分子層に広げ、疎水性シリコーンが特徴的な「伸びた鎖」配置で極性表面を横切って横たわるようにするためである。一方、通常の界面活性剤の疎水性基は極性表面上に直立して横たわる。.

 

ポリシロキサン中のメチル基が他の基（大きなアルキル、脂環式、アリール、ケイ素官能基、炭素官能基など）に置き換えられると、置換基の極性や空間的立体障害の変化により、必然的にポリシロキサンの疎水性や極性表面上での拡散速度と状態に影響を与える。シリコーン鎖上の置換基の数と分布も同様の効果を持つ。例えば、メチル基をより大きなアルキル基やアリール基で置換すると、ポリシロキサンの拡散能力と極性表面上での配向能力が著しく低下する。.

3. シリコーン界面活性剤の乳化安定化能

一部のグラフト化シリコーン界面活性剤は、塩、エタノール、有機溶媒の存在下でもエマルション安定性を維持する。これは従来の炭化水素系界面活性剤にはない能力である。シリコーン界面活性剤の界面での相互作用力は原子間力顕微鏡（AFM）によって発見された。非イオン性界面活性剤は25%（体積分率）エタノール溶液中で表面活性を失うが、シリコーン界面活性剤はエタノールの体積分率が80%に達しても表面張力を低下させることができる。シリコーン界面活性剤のこの特性は、ポリジメチルシロキサンが疎水性であるだけでなく、ポリジメチルシロキサン含有量が増加するにつれて有機溶媒に不溶性になることを反映している。.

4. シリコーン界面活性剤とCO2の役割

Rochaらは、ポリオキシエチレンエーテルトリシロキサン界面活性剤がCO2と水を乳化させることを可能にすると考えた。EOの数を調整し、界面活性剤の「親水性とCO2親和性バランス（HCB）値」を変えることで、エマルションをCO2/水（W/C）から水/CO2（C/W）に変換できる。Sarbuらは、ポリシロキサン界面活性剤の特性により、超臨界CO2での使用が可能になると考えている。Finkらは、超臨界CO2中のシリコーン界面活性剤の相挙動を考察し、相挙動がCO2忌避基に非常に敏感であるが、シロキサンのサイズにはあまり敏感ではなく、ランダム液晶相を見出した。Folkらは一連のカチオン性シリコーン界面活性剤を調製し、高密度CO2中での挙動を研究した。ポリジメチルシロキサンの鎖長と対イオンを変えると、臨界CO2中での表面活性が大きく変化する。.

06 シリコーン界面活性剤の応用

1. パーソナルケアおよび化粧品

シリコーン界面活性剤は、無毒性、皮膚刺激なし、抗酸化作用、紫外線保護、良好な生体適合性、優れた防水性と通気性などの多くの利点があるため、化粧品、シャンプー、ヘアケア製品、クリームなどに広く使用されている。低表面張力と適切な粘度により、シリコーン界面活性剤は化粧品の皮膚や毛髪表面への拡散を促進し、化粧品の皮膚への保湿と保持を改善し、皮膚の正常な換気を維持する。毛髪は光沢があり、扱いやすく、滑らかで、帯電防止性があり、柔らかい。.

 

2. 繊維産業

シリコーン界面活性剤は、帯電防止性、柔らかさ、優れた殺菌・消毒能力を有し、繊維に良好な柔軟効果を与えることができる。カチオン性シリコーン界面活性剤は、主に繊維工業で帯電防止剤および柔軟剤として使用されている。第四級アンモニウム塩カチオン性シリコーン界面活性剤は、繊維製品の衛生仕上げに使用され、優れた殺菌・防カビ性を有し、安全で耐久性がある。.

3. 農薬

農薬加工において、有機ケイ素界面活性剤を0.05%～0.1%（質量分率）の補助剤として添加することで、製剤の物理的性質と化学的安定性を最適化し、製剤の種類を増やし、適用範囲を拡大できる。植物の葉や茎の表皮はしばしば抗濡れ成分や構造を持ち、多くの場合負電荷を持っており、農薬液に対して反発作用を示す。シリコーン界面活性剤の添加は、農薬製剤の植物へのスムーズな付着を促進し、維持、拡散、浸透において重要な役割を果たし、薬効の向上に寄与する。シリコーン界面活性剤は表面張力を低下させ、水を昆虫の気管に浸透させて致死的にすることができ、殺虫剤の補助剤として使用される。.

 

• XJY-703 ビス（トリメチルシロキシ）メチルシロキサン/ヘプタメチルトリシロキサン 高反応性のケイ素-水素結合を含み、合成ポリアルキレンオキシド変性ヘプタメチルトリシロキサンの基本材料である。.

 

• XJY-207 ポリアルキレンオキシド変性ヘプタメチルトリシロキサン は特殊な構造を持つ変性トリシロキサンシリコーン界面活性剤である。通常の界面活性剤が達成できない、優れた濡れ性、拡張性、気孔浸透速度を有する。XJY-207は農薬の予防効果を向上させ、散布量を削減できる。農薬、除草剤、殺虫剤、殺ダニ剤、殺菌剤、植物成長調節剤などの分野で使用されている。.

 

4. 食品と医薬品

シリコーン消泡剤は、変性ポリシロキサンを主成分とし、様々な非イオン性界面活性剤などを添加して調合される。優れた消泡・泡制御性能、少ない使用量、便利な使用、無毒、無腐食性を持つ。また、グルタミン酸ナトリウム、大豆製品、抗生物質の製造で生じる泡に対して良好な消泡・防泡効果を発揮する。.

• XJY-706 1,1,3,3-テトラメチルジシロキサン 医薬中間体として使用できる

5. 皮革用化学品

シリコーン界面活性剤は、その優れた潤滑性と撥水性により、主に皮革の加脂剤や柔軟剤として使用されています。これと油脂をグラフト共重合させて調製した有機シリコーン加脂剤は、シリコーン含有界面活性剤が外部に移行しやすい問題を解決し、加脂剤の使用量とコストを削減します。シリコーン界面活性剤を含浸させた皮革繊維は、優れた分散性と潤滑性を有し、完成した皮革は柔らかく、特に衣料用皮革や靴甲革に適しており、毛皮の製造にも使用できます。アミノポリエーテル共同変性シリコーン界面活性剤は加脂剤として使用され、柔軟性と親水性を満足のいくレベルにすることができます。明るく油っぽい仕上がり。.

 

6. 機械加工

金属製品の製造、使用、メンテナンスの過程では、製品の内部および表面品質を確保し、使用寿命を延ばすために、あらゆる種類の汚れ（金属切りくず、切削液、研磨剤、各種グリース、ほこり、酸、アルカリ、塩などの電解質、手汗など）を洗浄する必要があります。シリコーン界面活性剤洗浄剤は、優れた洗浄性能と強い洗浄力を有します。金属表面の油汚れだけでなく、手汗や無機塩などの汚れも除去できます。さらに、不燃性、無毒性で安全に使用できます。また、優れた腐食抑制および防食能力を有し、エネルギーを節約し、環境汚染を低減でき、機械化自動洗浄に適しています。.

 

7. プラスチック産業

シリコーン界面活性剤は、ポリウレタンフォームの製造工程において、システム分散、気泡成長、気泡安定化、気室開放など重要な役割を果たします。これはポリウレタンフォームの優れたフォーム安定剤および安定化剤です。その界面活性を利用して、ポリウレタン軟質フォーム、硬質フォーム、半硬質フォーム、高反発フォームを製造できます。さらに、難燃性シリコーンフォーム安定剤のポリウレタンフォームへの応用もますます広がっています。.

 

07 結論

シリコーン界面活性剤は、原料が安価で入手しやすく、プロセスが穏やかで制御しやすく、応用範囲が広く、需要が大きいという利点があります。優れた現場性能、急速な発展、大きな市場可能性を有しています。国内の学者によるシリコーン界面活性剤の研究は国際レベルに追いつくために大きく前進しており、構造的双子化度の研究の方向性でいくつかの先端研究成果が達成されています。同時に、クリーンでグリーンなプロセスと製品に関する研究でもさらなる進展が見られました。.

 

参考文献:

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Kickelbick G, Bauer J, Husing N, Andersson M, Palmqvist A (2003) 短鎖両親媒性ポリシロキサン-b-ポリ(エチレンオキシド)ブロック共重合体の自発的ベシクル形成。.

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