실리콘 계면활성제란 무엇인가요?

실리콘 계면활성제는 폴리디메틸실록산을 소수성 주쇄로 하고 하나 이상의 유기규소 극성 그룹이 중간 또는 말단 위치에 부착된 계면활성제의 한 종류입니다. 구조 내 소수성 그룹의 Si-O 결합 에너지는 기존 탄소 사슬 계면활성제의 C-C 및 C-O 결합 에너지보다 높아 소수성과 안정성이 더 우수합니다. 분자량이 크고 다중 분지 구조로 인해 우수한 저온 성능과 호환성을 가지며 효율적인 계면활성제입니다.

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구조의 일반식은 다음과 같습니다:

식에서 m, n 및 R 그룹을 변경하여 다양한 몰 질량(점도) 및 친수성-친유성 균형 값(HLB 값)을 갖는 실리콘 계면활성제를 생산할 수 있으며, 폴리우레탄 폼용 폼 레벨링제, 유화제, 퍼스널 케어 소재, 코팅용 레벨링제, 소포제, 대전방지제, 플라스틱 개질제, 습윤제, 연료 첨가제, 직물 마감제, 수용성 윤활제, 이형제, 농약 첨가제, 농업 보조제 등에 사용됩니다.

01 실리콘 계면활성제 특성

1. 표면 장력 감소에 탁월한 성능.

2. 우수한 습윤 성능.

3. 소포성 및 거품 안정화 성능.

4. 독성은 기본적으로 생리학적으로 불활성입니다.

5. 뛰어난 유화 효과와 우수한 매칭 성능.

02 실리콘 계면활성제 효과 평가 방법

임계 미셀 농도(CMC)는 최대 물 표면 장력을 감소시키는 데 필요한 최소 농도를 결정하는 매개변수입니다. CMC 이상에서 형성된 미셀은 소수성 오염물을 토양으로부터 분리하고 미셀을 소수성 코어 내에 보유하여 수상으로 재순환시킵니다. CMC 값은 모든 바이오계면활성제의 효율을 결정하므로, 이 값은 바이오계면활성제 비교에 중요합니다.

03 실리콘 계면활성제 분류

실리콘 계면활성제는 화학 구조 내 친수성기 R의 화학적 성질에 따라 비이온성, 음이온성, 양이온성 및 양쪽성의 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 이 중 비이온성 계면활성제가 가장 많이 연구되고 가장 널리 사용됩니다.

1. 양이온성 실리콘 계면활성제

R 그룹이 알킬 4차 암모늄 화합물, 아미도 4차 암모늄 화합물 및 이미다졸린 유도체 4차 암모늄 화합물과 같은 구조 단위를 포함하는 경우 이를 양이온성 유기규소 계면활성제라고 합니다. 양이온성 계면활성제 중에서 양이온성 폴리실록산 4차 암모늄염 계면활성제가 가장 널리 사용됩니다. 양이온성 폴리실록산 4차 암모늄염 계면활성제는 분자량이 크고 음이온성 계면활성제와 상용 가능하며 인체 피부와 눈에 자극이 없고 일정한 항균 능력을 가지고 있습니다. 안정적입니다. 이 제품의 고분자는 소수성 장쇄 폴리실록산 사슬을 포함하여 뛰어난 매끄러움과 부드러움을 제공합니다.

2. 음이온성 실리콘 계면활성제

R 그룹이 인산 에스테르 염, 황산 염, 카르복실산 염, 술폰산 염 및 술포숙신아미드 에스테르와 같은 구조 단위를 포함하는 경우 이를 음이온성 실리콘 계면활성제라고 합니다. R이 아래 그림과 같은 구조인 경우 이를 음이온성 폴리실록산 인산염 계면활성제라고 합니다.

 

 

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. 비이온성 실리콘 계면활성제

R 그룹이 폴리에테르, 알칸올아미드, 에스테르 및 글리코시드와 같은 단위를 포함하는 경우 비이온성 계면활성제입니다. 이 중 폴리에테르 실리콘 계면활성제가 가장 많이 사용되며, 예를 들어:

비이온성 폴리에테르 실리콘 계면활성제는 폴리실록산 세그먼트(A)와 폴리에테르 세그먼트(B)로 구성됩니다. 결합 방법은 AB형, ABA형, BAB형 및 (AB)n형, 분지형 및 측쇄형과 같은 유형이 있습니다. 폴리에테르 세그먼트와 실록산 세그먼트의 연결은 Si-O-C형과 Si-C형의 두 가지 방식이 있습니다. 전자는 불안정하여 가수분해형에 속하며, 후자는 물에 안정하여 비가수분해형이라고 합니다.

4. 양쪽성 실리콘 계면활성제

R 그룹이 인산 베타인 또는 베타인과 같은 구조를 포함하는 경우 이를 양쪽성 폴리실록산 계면활성제라고 합니다.

04 실리콘 계면활성제 합성 방법

1. 양이온성 실리콘 계면활성제 합성

반응은 벤젠, 아세톤, 사염화탄소, 크실렌 및 톨루엔과 같은 불활성 용매에서 수행됩니다.

2. 음이온성 실리콘 계면활성제의 합성

3. 비이온성 실리콘 계면활성제 합성

공중합체 제조 방법과 가수분해 및 화학적 안정성 측면에서 Si-O-C 사슬로 연결된 공중합체와 Si-C 사슬로 연결된 공중합체의 두 가지 합성 방법으로 나눌 수 있습니다. 합성은 두 단계로 나뉩니다: 첫 번째 단계는 폴리실록산을 합성하는 것이고, 두 번째 단계는 폴리실록산이 Si-O-C/Si-C 형태로 폴리옥소알칸과 블록 공중합체를 형성하게 하는 것입니다.

05 실리콘 계면활성제 성능

1. 유기실리콘 계면활성제의 계면 특성

실리콘 계면활성제의 주사슬은 부드러운 Si-O 결합으로 친수성도 친유성도 아니므로, 일반 탄화수소 계면활성제가 적용될 수 없는 수용액 및 비수성 매질에서 사용될 수 있습니다. 반면 메틸렌 그룹과 함께 계면에 배열된 실리콘 계면활성제는 표면 장력을 약 20 mN/m까지 낮출 수 있는 반면, 메틸렌 그룹과 함께 계면에 배열된 일반 탄화수소 계면활성제는 표면 장력을 약 30 mN/m까지만 낮출 수 있습니다.

 

가장 많이 사용되는 실리콘 계면활성제는 EO/PO 변성 실리콘 계면활성제로, 그 성능은 EO/PO 비율 및 계면활성제의 중합도와 같은 다양한 요인과 관련이 있습니다. EO는 계면활성제 개질 그룹의 친수성 부분이고 PO는 친유성 부분입니다. EO/PO 비율이 변하면 실리콘 계면활성제의 성능도 변합니다.

 

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. 실리콘 계면활성제의 초습윤성

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.

 

폴리실록산의 메틸 그룹이 다른 그룹(예: 큰 알킬, 지환족, 아릴, 규소-관능성 또는 탄소-관능성 그룹)으로 대체되면, 이는 치환체의 극성 또는 공간적 장애의 변화로 인해 폴리실록산의 소수성 및 극성 표면에서의 퍼짐 속도와 상태에 필연적으로 영향을 미칩니다. 실리콘 사슬의 치환체 수와 분포도 동일한 효과를 가질 수 있습니다. 예를 들어, 메틸 그룹을 더 큰 알킬 또는 아릴 그룹으로 치환하면 폴리실록산의 퍼짐 능력과 극성 표면에서의 배향 능력이 크게 감소합니다.

3. 실리콘 계면활성제의 에멀전 안정화 능력

일부 그라프트된 실리콘 계면활성제는 염, 에탄올 및 유기 용매의 존재 하에서 에멀젼 안정성을 유지하는데, 이는 전통적인 탄화수소 계면활성제가 가지지 못하는 능력입니다. 실리콘 계면활성제 계면에서의 상호작용력은 원자 현미경(AFM)으로 발견되었습니다. 비이온성 계면활성제는 25% 에탄올 용액에서 표면 활성을 잃는 반면, 실리콘 계면활성제는 에탄올 부피 분율이 80%에 도달해도 표면 장력을 낮출 수 있습니다. 실리콘 계면활성제의 이러한 특성은 폴리디메틸실록산이 소수성일 뿐만 아니라 폴리디메틸실록산 함량이 증가함에 따라 유기 용매에 불용성임을 반영합니다.

4. 실리콘 계면활성제와 CO2의 역할

Rocha 등은 폴리옥시에틸렌 에테르 트리실록산 계면활성제가 CO2와 물이 에멀젼을 형성하게 할 수 있다고 믿었습니다. EO의 수를 조정하고 계면활성제의 “친수성 및 친CO2성 균형(HCB) 값'을 변경함으로써 에멀젼을 CO2/물(W/C)에서 물 속의 CO2(C/W)로 전환할 수 있습니다. Sarbu 등은 폴리실록산 계면활성제의 특성으로 인해 초임계 CO2에서 사용될 수 있다고 믿었습니다. Fink 등은 초임계 CO2에서 실리콘 계면활성제의 상 거동을 고려했으며, 상 거동이 친CO2성 그룹에 매우 민감하지만 실록산 크기에는 덜 민감하다는 것을 발견했고, 무작위 액정 상을 발견했습니다. Folk 등은 일련의 양이온성 실리콘 계면활성제를 준비하고 고밀도 CO2에서의 거동을 연구했습니다. 폴리디메틸실록산의 사슬 길이와 반대 이온을 변경하면 임계 CO2에서의 표면 활성이 크게 변합니다.

06 실리콘 계면활성제 응용

1. 개인 관리 및 화장품 제품

실리콘 계면활성제는 무독성, 피부 자극 없음, 항산화, 자외선 차단, 우수한 생체 적합성, 뛰어난 방수 및 통기성과 같은 많은 장점을 가지고 있기 때문에 화장품, 샴푸 및 헤어 케어 제품, 크림 등에 널리 사용됩니다. 제품 및 제품군은 일정 수준의 응용 분야를 가지고 있습니다. 낮은 표면 장력과 적절한 점도로 인해 실리콘 계면활성제는 피부와 모발 표면에서 화장품의 퍼짐을 향상시키고, 화장품의 보습 및 유지력을 개선하며, 피부의 정상적인 통풍을 유지합니다. 모발은 윤기 있고 다루기 쉬우며 매끄럽고 대전 방지되며 부드럽습니다.

 

2. 섬유 산업

실리콘 계면활성제는 대전 방지 특성, 부드러움, 우수한 살균 및 소독 능력을 가지고 있으며 섬유에 우수한 연화 효과를 부여할 수 있습니다. 양이온성 실리콘 계면활성제는 주로 섬유 산업에서 대전 방지제 및 연화제로 사용됩니다. 4차 암모늄염 양이온성 실리콘 계면활성제는 섬유 제품의 위생 마감에 사용되며 우수한 살균 및 곰팡이 방지 효과가 있습니다. 또한 안전하고 내구성이 있습니다.

3. 농약

농약 가공에서 유기실리콘 계면활성제 0.05~0.1중량%를 보조제로 첨가하면 제제의 물리적 특성과 화학적 안정성을 최적화하고 제제의 종류를 늘리며 적용 범위를 확장할 수 있습니다. 식물의 잎과 줄기 표피는 종종 항습윤 성분이나 구조를 가지며 종종 음전하를 띠어 농약 액체에 반발 효과를 나타내는데, 실리콘 계면활성제를 첨가하면 농약 제제가 식물에 원활하게 부착, 유지, 확산 및 침투하는 데 촉진 역할을 하여 약효를 향상시키는 데 핵심적인 역할을 합니다. 실리콘 계면활성제는 표면 장력을 낮추어 물이 곤충의 기관으로 침투하게 하여 치사 효과를 내므로 살충제 보조제로 사용됩니다.

 

• XJY-703 비스(트리메틸실록시)메틸실록산/헵타메틸트리실록산 고반응성 규소-수소 결합을 포함하며 합성 폴리알킬렌옥사이드 변성 헵타메틸트리실록산의 기본 물질입니다.

 

• XJY-207 폴리알킬렌옥사이드 개질 헵타메틸트리실록산 특수 구조를 가진 변성 트리실록산 실리콘 계면활성제입니다. 일반 계면활성제가 충족할 수 없는 우수한 습윤 및 팽창 특성과 기공 침투율을 가지고 있습니다. XJY-207은 농약의 방제 효과를 개선하고 분무량을 줄일 수 있습니다. 제초제, 살충제, 살비제, 살균제, 식물 생장 조절제 등의 분야에서 사용됩니다.

 

4. 식품 및 의약품

실리콘 소포제는 개질 폴리실록산을 주성분으로 하고 다양한 비이온성 계면활성제 등을 첨가하여 제조됩니다. 우수한 소포 및 거품 제어 성능을 가지며, 사용량이 적고 사용이 편리하며 무독성이고 부식성이 없습니다. 또한 미원, 두부 제품 및 항생제 생산 시 발생하는 거품에 대해 우수한 소포 및 방포 효과를 나타냅니다.

• XJY-706 1,1,3,3-테트라메틸다이실록산 의약 중간체로 사용될 수 있습니다.

5. 가죽 화학제

실리콘 계면활성제는 우수한 윤활성과 발수성으로 인해 주로 가죽에서 유연제 및 연화제로 사용됩니다. 실리콘 함유 계면활성제와 그리이스의 그라프트 공중합으로 제조된 유기 규소 유연제는 규소 함유 계면활성제가 외부로 이동하기 쉬운 문제를 해결하고 유연제 사용량과 비용을 줄입니다. 실리콘 계면활성제로 함침된 가죽 섬유는 좋은 분산성과 윤활성을 가지며 완성된 가죽은 부드럽습니다. 의류용 가죽과 신발 갑피 가죽에 특히 적합하며 모피 제조에도 사용될 수 있습니다. 아미노폴리에테르 공동 변성 실리콘 계면활성제는 유연제로 사용되어 부드러움과 친수성을 만족스러운 수준에 도달하게 합니다. 광택 유성.

 

6. 가공

금속 제품의 생산, 사용 및 유지보수 과정에서 제품의 내부 및 표면 품질을 보장하고 수명을 연장하기 위해 다양한 오염물(예: 금속 칩, 절삭유, 연마제 및 각종 그리스, 먼지, 산, 알칼리, 염 등의 전해질 및 손땀 등)을 세척해야 합니다. 실리콘 계면활성제 세정제는 우수한 세정 성능과 강력한 세척력을 가지고 있습니다. 금속 표면의 기름때뿐만 아니라 손땀, 무기염 등의 오염물도 제거할 수 있습니다. 또한 불연성, 무독성으로 안전하게 사용할 수 있습니다. 우수한 부식 억제 및 방청 능력과 함께 에너지를 절약하고 환경 오염을 줄일 수 있으며, 기계화 자동 세척에 적합합니다.

 

7. 플라스틱 산업

실리콘 계면활성제는 폴리우레탄 폼의 생산 과정에서 시스템 분산, 기포 성장, 기포 안정화 및 기공 개방 등에 중요한 역할을 합니다. 폴리우레탄 폼의 우수한 기포 안정제 및 안정화제입니다. 표면 활성을 이용하여 폴리우레탄 연질 폼, 경질 폼, 반경질 폼 및 고탄성 폼을 제조할 수 있습니다. 또한 난연성 실리콘 기포 안정제의 폴리우레탄 폼 적용도 점점 더 광범위해지고 있습니다.

 

07 결론

실리콘 계면활성제는 원료가 저렴하고 구하기 쉬우며 공정이 온화하고 제어가 용이하며 적용 범위가 넓고 수요가 큰 장점이 있습니다. 현장 성능이 우수하고 개발 속도가 빠르며 시장 잠재력이 큽니다. 국내 학자들의 실리콘 계면활성제 연구는 국제 수준을 따라잡기 위해 큰 진전을 이루고 있으며, 구조적 쌍정 정도 연구 방향에서 일부 선도적인 연구 결과가 달성되었습니다. 동시에 청정 및 그린 공정과 제품에 대한 연구에서도 더 많은 진전이 있었습니다.

 

References:

“Sweet Silicones”: Biocatalytic Reactions to Form Organosilicon Carbohydrate Macromers. Org. Lett. 2005; 7 :3857–3860.

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Kickelbick G, Bauer J, Husing N, Andersson M, Palmqvist A (2003) 단쇄 양친성 폴리실록산-b-폴리(에틸렌 옥사이드) 블록 공중합체의 자발적 소포 형성.

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