功能性硅蜡基聚硅氧烷的分子设计、合成及性能研究

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硅蜡基聚硅氧烷黏度指数较高、可压缩性较低、润滑性好、疏水性强,对有机材料具有亲和性,并对环境友好。但单官能硅蜡基聚硅氧烷性能常具有单一性,且用非离子类乳化剂难乳化成稳定的乳液。为了改善硅蜡基改性硅油的乳化性及稳定性,同时赋予其某些特殊性能如柔软性、亲水性、抗静电性和自乳化性等,可在硅蜡基聚硅氧烷侧链先引入反应性基团如环氧基、羟基,再对其进行季铵化、胺解开环等改性,进而制得系列多功能硅蜡基聚硅氧烷,可改善硅蜡基聚硅氧烷的强疏水性和稳定性,拓宽了其应用领域,赋予其广阔的应用前景。鉴于此,本文的研究内容如下:(1)硅蜡/环氧(聚)醚基聚硅氧烷的分子设计、合成及表征以含氢硅油(PHMS)和不饱和烯烃单体甲基丙烯酸十八酯(SMA)、-十六碳烯及烯丙基环氧(聚)醚化合物为原料,通过硅氢化反应,成功合成了一类硅蜡/环氧(聚)醚基聚硅氧烷(WPESO)。研究了催化剂用量、原料配比、反应温度及反应时间对PHMS中的Si-H键转化率的影响,并根据合成条件的正交试验和单因素分析,确定出该反应的最佳条件为:催化剂用量为反应物质量的0.004%,PHMS中Si-H键与不饱和烯烃单体中C=C的摩尔比为1:1.05,反应温度为72℃,反应时间为3h。采用傅里叶红外光谱(FTIR)和核磁共振氢谱(1H-NMR)对有关产物结构进行了表征。以WPESO-1为例,用原子力显微镜(AFM)观察了WPESO膜形貌。结果表明,WPESO具有预期分子结构,在单晶硅基质表面WPESO-1可定向排列形成凹凸不平、非均一相结构的粗糙硅膜,该硅膜表面上有大量或明或暗、高低不同的棒状脂肪链凸起存在,且在1μm×1μm的扫描范围内,该膜表面的均方根粗糙度(Rq)达到了0.388nm。(2)硅蜡/聚醚基聚硅氧烷季铵盐(QWPESO)的合成及性能研究以WPESO-3和N,N-二甲基十八胺盐为原料,利用WPESO-3中的环氧基的反应性,成功合成了硅蜡/聚醚基聚硅氧烷季铵盐(QWPESO)。用FTIR和1H-NMR对其结构进行了表征,并以棉织物为应用基质,采用一浸一轧整理工艺,研究了长链-烯烃与环氧基聚醚化合物的摩尔比、聚醚化合物链节相对分子质量、乳液用量、固化温度、固化时间对QWPESO应用性能的影响。结果表明,当长链-烯烃与环氧基聚醚化合物的摩尔比为7:3,聚醚化合物链节相对分子质量为300,乳液用量为20g/L,固化温度为160℃,固化时间为30s时,经QWPESO整理后棉织物的松软性、回弹性、亲水性及抗静电性均得到显著改善,且具有抑泛黄性,织物有硅蜡特有的滑糯、蓬松手感,并用光学显微镜图从微观上证实了其蓬松性能。由于QWPESO侧链中存在大量的聚醚季铵盐基团,织物的接触角CA从季铵化前的131.5°降为111.0°。(3)硅蜡聚醚氨基或羧基聚硅氧烷的合成及性能研究以WPESO为原料,用N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷(DL-602)或聚醚胺D230,对WPESO进行胺解开环反应,先合成了硅蜡聚醚氨基聚硅氧烷(AWPESO),再用马来酸酐对其进行酯化开环反应,制得了硅蜡聚醚羧基聚硅氧烷(CAWPESO),并用FTIR和1H-NMR对目标产物的结构进行了表征。将AWPESO/CAWPESO与混合蜡等混合作为抛光剂产品的原料,在非离子类乳化剂作用下,成功地制备出乳胶粒带正/负电的抛光剂产品AW-WE/CA-WE。以AW-WE为例,用Turbiscan稳定性分析仪测试了其稳定性,并以亚光和高光硬性表面为应用基质,研究了混合蜡质量比、AWPESO的用量和氨值对AW-WE的上光性、光泽度耐久性、擦拭性等性能的影响。结果发现,所制抛光剂产品具有较好的稳定性,当棕榈蜡、微晶蜡及液体石蜡的质量比为3:1:6,AWPESO的氨值为0.3mmol/g,AWPESO用量为2%时,所制备的AW-WE在亚光和高光的硬性表面的上光性、光泽度耐久性及擦拭性能良好。
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