硅油(silicone oil)是一种由
硅元素和
氧元素交替排列形成的聚硅氧烷,通常以液态或
凝胶状存在,具有优异的化学稳定性和耐高温性能。最常用的硅油——
甲基硅油,也称为普通硅油,其有机基团全部为
甲基。改性硅油则是指对传统硅油进行化学改性后得到的产物。通过改变硅油分子结构或添加功能性基团,使其具有特定的性能和应用特性。硅油因其出色的润滑性、防水性和化学稳定性而被广泛用于各种应用领域。
性质
硅油一般是无色(或淡黄色)、无味、无毒、不易挥发的液体。硅油不溶于水、
甲醇、
乙二醇和2-乙氧基乙醇,可与苯、
二甲醚、
甲基乙基酮、
四氯化碳或
煤油互溶,稍溶于
丙酮、
二恶烷、
乙醇和
丁醇,易溶于苯、甲苯、二甲苯、乙醚和氯代烷烃。硅油因其分子主链中Si-O键的键长较长、键角较大、分子体积大且自由旋转度高,赋予分子链优异的柔顺性;分子侧链上有机基团的屏蔽作用使其分子主链之间的相互作用弱,赋予其低表面张力;Si-O键的键能(460.5 kJ/mol)显著高于C-O(358.0 kJ/mol)、C-C(304.0 kJ/mol)、Si-C(318.2 kJ/mol)键,赋予其优异的耐老化性能。它具有很小的
蒸汽压、较高的
闪点和
燃点、较低的凝固点,可在-50℃-+180℃温度范转内长期使用。随着链段数n的不同,分子量增大,粘度也增高,固此硅油可有各种不同的粘度,从0.65厘沲直到上百万厘沲。如果要制得低粘度的硅油,可用酸性白土作为
催化剂,并在180℃温度下进行调聚,或用
硫酸作为催化剂,在低温度下进行调聚,生产高粘度硅油或黏稠物可用碱性催化剂。
硅油具有耐热性、电绝缘性、耐候性、疏水性、生理惰性和较小的表面张力,此外还具有低的粘温系数、较高的抗压缩性、有的品种还具有耐辐射的性能。抗剪切性强,为一般矿物油的20倍以上的压缩性,是理想的液体弹簧,优异的电气特性,耐击穿电压高、耐电弧、耐电晕、介电耗小,还具有透光性好和对人体无毒害作用等优点。此外,硅油还具有良好的成膜性、憎水性、透气性以及生理惰性,可在肌肤表面形成一层柔软且透气的保护膜,使肌肤保持水嫩光滑。
辨别方法:
(1)用眼观察:假硅油会比较浑浊,气味比较大,有臭味;
(2)用火来测试:用玻璃棒或铁棒沾少量硅油点燃,能点燃并冒黑烟的就是白矿油,纯硅油用火点燃是不会燃烧的,并且无气味,清澈透明,无毒。硅油燃点是320度;
(3)冰点测试法:硅油在-50度也不会出现冻结状况,假硅油就会出现浑浊或冻结的状况。
种类
硅油通常指
室温下保持液体状态的线型聚硅氧烷产品,结构式如下:式中,R为烷基、芳基,R'为烷基、芳基、氢、碳官能基及聚醚链等;X为烷基、芳基、链烯基、氢、羟基、烷氧基、乙酰氧基、氯v、碳官能基及聚醚链等;n,m=0、1、2、3…
最常用的硅油,有机基团全部为
甲基,称
甲基硅油。有机基团也可以采用其它有机基团代替部分甲基基团,以改进硅油的某种性能和适用各种不同的用途。常见的其它基团有氢、乙基、苯基、氯苯基、三氟丙基等。
硅油按
化学结构来分有
甲基硅油、
乙基硅油、
苯基硅油、
甲基含氢硅油、
甲基苯基硅油、甲基氯苯基硅油、
甲基乙氧基硅油、甲基三氟丙基硅油、
甲基乙烯基硅油、甲基羟基硅油、
乙基含氢硅油、羟基含氢硅油、含氰硅油等;从用途来分,则有阻尼硅油、
扩散泵硅油、
液压油、绝缘油、
热传递油、
刹车油等。
甲基硅油
甲基硅油具有高表面活性、低表面张力、易铺展、憎水性、防粘结等特性,可在皮肤表面形成憎水透气保护膜,还可帮助头发保持自然光泽。因此,甲基硅油可防止产品泛白、防尘,可用作铺展剂、润滑剂、润肤剂,改善产品的涂抹和铺展特性,常取代传统的油性原料如石蜡、凡士林等用于膏霜、乳液、唇膏、香波等日用品中。
氨基改性
氨基改性硅油是侧链或端基中含有氨基的聚二甲基硅氧烷,又被称为氨基硅油。由于其具有很好的吸附性、相容性,当氨基硅油被适当的表面活性剂乳化成微乳液,用于织物整理可以增加纤维材料的柔软性,因而被作为织物柔软整理剂使用,适用于各种纺织品的后整理,该种材料已广泛应用于纺织业、医药业、化工业、精细化学品、汽车制造等行业。
环氧基改性
在甲基硅油中引入环氧基的硅油被称为环氧基改性硅油。引入的环氧基使其具有反应性、吸附性和交联性,用作表面处理剂时,可提高织物的防皱性、可缝纫性;用作氨纶油生产中的助剂时,可防止氨纶纤维之间的粘连;用作洗发水添加剂或假发处理剂时,可提高头发的丝滑性,且不黄变。如果将此类硅油与聚醚改性硅油配合使用,后整理的织物柔软性更好,还具有抗皱、耐洗等特性,与氨基改性硅油调配使用,可使织物具有较好的手感。
聚醚改性
侧链或端基中含有聚醚基团(聚氧乙烯基、聚氧丙烯基、脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚基)的聚二甲基硅氧烷被称为聚醚改性硅油,其可以改善织物后整理的吸湿性能。聚醚改性硅油作为一种新型有机硅表面活性剂,近年来得到了快速发展,它也是各类改性硅油中生产和应用最多的一类。由于聚醚基团具有亲水性,所以聚醚硅油的亲水性增加,分子中同时具有疏水基团和亲水基团,以至于此类硅油表现出较好的水溶性,使用过程中不会出现破乳、漂油等问题。其次,聚醚基的引入还使被整理纤维或织物的吸湿性、抗静电性、易去污性增加,所以聚醚硅油在衣物柔软剂、化妆品、洗发用品中使用较多。聚醚硅油有两大主要用途,其一便是作为表面活性剂应用于聚氨酯泡沫领域,发挥稳定剂的关键作用,在行业内常被称作匀泡剂,有效管控气泡大小与分布状态,保障泡沫质地均匀、性能稳定。在氨基硅油柔软剂崭露头角前,聚醚硅油一直是用量居首且使用效果最为出色的一类活性有机硅柔软剂。
羧基改性
侧链或端基中含有羧基的聚二甲基硅氧烷被称为羧基改性硅油。此类改性硅油可用于纤维处理剂、汽车擦亮剂、涂料添加剂等。羧基改性硅油与氨基硅油并用,用于纤维处理可以增加耐久性,洗涤时不易脱落。
醇羟基改性
醇羟基封端或主链中含有醇羟基的聚二甲基硅氧烷被称为醇羟基改性硅油。由于分子主链末端或分子链之间的轻基具有反应性,其受热能发生交联,此类硅油可用于硅橡胶加工中的结构控制剂,还可以用于纸张等防勃处理。以醇羟基改性硅油替代一部分乙二醇进行共聚,,可以改进聚酷纤维、薄膜的回弹性、柔软性、撕裂强度、耐磨耗性、耐热性等性能,还能改善聚氨酷的成型性。
酚羟基改性
酚轻基封端或主链中含有酚轻基的聚二甲基硅氧烷属于酚经基改性硅油。此类改性硅油分子中的酚基具有很高的反应性、耐热性,因此其乳化液的稳定性较好、使用性广。如果氨基改性硅油与酚基改性硅油混合,可以复配成耐热性、脱模性非常好的合成纤维用油剂。
硫基改性
侧链或端基中含有硫基的聚二甲基硅氧烷被称为硫基改性硅油,其分子中的硫基能在紫外线和光聚合引发剂的作用下与含有不饱和键的有机硅化合物发生自由基加成反应。此类硅油是紫外线、电子束固化型有机硅树脂橡胶的主要成分,广泛应用于防粘隔离涂层方面,还可以作为脱模剂使用。
其他改性
除上述改性硅油外,还有很多其他种类的硅油,如聚二有机硅氧烷一聚醚嵌段共聚改性硅油、烷基与聚醚共改性硅油、烷基醚聚醚硅油、环氧基聚醚硅油、氨基聚醚嵌段硅油、甘油醚基硅油、磷酸酷基硅油、糖基聚醚硅油、甜菜碱基硅油等。这些硅油具有不同的官能团,因此具有特别的性能,但是由于需求较少,市场占有量少。
硅油制品
硅油具备诸多特殊性能,在众多应用场景中展现出卓越成效。其温粘系数极小,无论是高温还是低温环境都能保持稳定,抗氧化能力出众,闪点较高,挥发性微弱,绝缘性能优异,表面张力低,且对金属无腐蚀作用,还兼具无毒的特性。在各类硅油里,甲基硅油凭借自身优势成为应用最为广泛的品类,堪称硅油家族中重中之重的品种,甲基苯基硅油的应用频次次之,同样在相关领域发挥着不可或缺的作用。
性状:无色无味无毒不易挥发的液体。
用途:有各种不同的粘度。有较高的耐热性、
耐水性、电绝缘性和较小的表面张力。常用作高级
润滑油、防震油、
绝缘油、
消泡剂、
脱模剂、擦光剂、隔离剂和真空扩散泵油等;乳液可以用于汽车轮胎上光,仪表板上光等。以
甲基硅油最为常用。经
乳化或者改性后用在纺织品后整理上的平滑柔软手感整理,日常的护理用品的香波中也加入
乳化硅油提高毛发的润滑度。此外,还有
乙基硅油、甲基
苯基硅油、含腈硅油、聚醚改性硅油(水溶性硅油)等。
制备或来源:由二
官能团和单官能团
有机硅单体经
水解缩聚而得的油状物。
二甲基硅油
XY-二甲基硅油,化学名称聚二甲基硅氧烷,化学式是:(CH3)3SiO[(CH3)2SiO]n·Si(CH3)3
二甲基硅油是一种无色透明的新型合成高分子材料,有多种不同的粘度(5cps~800万cps),从极易流动的液体到稠厚的半固态物。具有特殊的滑爽性、柔软性、憎水性,良好的化学稳定性、优异的电绝缘性和耐高低温性。闪点高、凝固点低,并可在-50℃~+200℃下长期使用,粘温系数小、压缩率大,表面张力低,憎水防潮性好,比热导热系数小。
二甲基硅油具有各种优异的特性,广泛用于电气绝缘、脱模、消泡、阻尼、防震、滚压、防尘、防水、高低湿润等方面。
1、在机电工业中的应用:二甲基硅油广泛用在电机、电器、电子仪表上作为耐温、耐电弧电晕、抗蚀、防潮、防尘的绝缘介质、还用做变压器、电容器、电视机的扫描变压器的浸渍剂等。在各种精密机械、仪器及仪表中,用作液体防震、阻尼材料。二甲基硅油的消震性能受温度影响小,多用于具有强烈机械震动及环境温度变化大的场合下,使用的仪表如:飞机、汽车的仪表中。用于防震、阻尼、稳定仪表读数,还可作为液体弹簧,且于飞机的着陆装置中。
2、作
脱模剂:由于本品与橡胶、塑料、金属等的不粘性,又用做各种橡胶、塑料制品成型加工的脱模剂,及用于精密铸造中。用它做脱模剂不仅脱模方便,且使制品表面洁净、光滑、纹理清晰。
3、作
消泡剂:由于本品表面张力小,且不溶于水,动植物油及高沸点矿物油中,化学稳定性好、又无毒,用作为消泡剂已广泛用于石油、化工、医疗、制药、食品加工、纺织、印染、造纸等行业中,只要加入10-100PPM的硅油就具有良好的消泡剂作用。
4、作绝缘,防尘、防霉涂层:在玻璃、陶瓷器表面浸涂一层而二甲基硅油,并在250-300℃进行热处理后,可形成一层半永久性的防水、防霉和绝缘性的薄膜。用之处理绝缘器件,可提高器件的绝缘性能:用之处理光学仪器,能防止镜片、棱镜发霉;用之处理药瓶,能延长药品的保存期,并不使制剂因粘壁而损失;用之处理电影胶片的表面,可起润滑作用,减少摩擦,延长影片寿命。一、 作润滑剂:本品适于做橡胶,塑料轴承、齿轮的润滑剂。也可做为在高温下钢材对钢的滚动磨擦,或钢与其它金属摩擦时的润滑剂,但由于在常温下
甲基硅油润滑性能并不特别好,一般情况下,并不推荐做为常温下金属间的润滑剂。
5、作
添加剂:本品可作许多材料的添加剂,如可作为油漆的增光剂,加少量硅油到油漆中,可使油漆不浮包、不起皱提高漆膜的光亮度,加少量硅油到油墨中,可提高印刷质量,加少量硅油到抛光油中(如汽车上光油),可增加光亮,保护漆膜,并有优良的防水效果。
6、在医疗卫生中的应用:二甲基硅油对人体无生毒性,也不被体液分解,故在医疗卫生事业中,也被广泛应用。利用其消泡作用,制成了口服胃肠消胀片,及肺水肿消泡气雾剂等药用。在药膏中加入硅油,可提高药物对皮肤的渗透能力,提高药效。以硅油为基础油的某些膏药剂对烫伤、皮炎、褥疮等都有很好的疗效,利用硅油的抗凝血作用,可用其处理贮血器表面,延长血样贮存时间等。
7、其他方面:二甲基硅油在其它方面还有许多用途。如利用其闪点高、无嗅、无色、透明且对人体无毒等特性,在钢铁、玻璃、陶瓷等工业和科研中,作为油浴或恒温器中的热载体。利用其抗切变性能好,可做液压油尤其是航空液压油。用其处理人造丝纺丝头,可消除静电,提高抽丝质量。在化妆品上加入硅油能提高对皮肤的滋润和保护作用等等。
制备
硅油的制备方法主要有两种:水解缩聚法和硅氧烷催化平衡法。
水解缩聚法
醇解:在 20℃-25℃下,向反应釜中加入 100 重量份的有机硅高沸物,再滴加重量百分比为 80%-90% 的原料甲醇 30-40 重量份,共滴加 6-8 小时,开始的滴加速度为 3 份 / 小时,滴加 2-3 小时后逐渐提至 10 份 / 小时。醇解过程中产生的氯化氢气体,用喷淋水吸收。
中和:常温下,向上述物料中加入甲醇助溶剂 15-18 重量份和等量的尿素,中和温度为 42℃-50℃,中和时间 0.5 小时,以中和物料中的盐酸。经分层得到粗制高沸硅油,pH=4-5,然后加入 27% 重量百分比的氨水 1.0-1.5 重量份,继续中和使 pH=6-8。
过滤:将中和后的物料进行过滤,得到成品硅油。
硅氧烷催化平衡法
配料:向反应釜中加入甲基氢二氯硅烷和六甲基二硅氧烷(MM),二者的质量比为 1:(1-2)。
反应:在搅拌下,缓慢加入浓硫酸,然后缓慢加入水,控制水的滴加速度,使反应在一定温度下进行。反应结束后,将反应物静置分层,分出的上层产物水洗至中性。
蒸馏:将水洗后的产物进行减压蒸馏,收集一定温度范围内的馏分,得到含氢硅油。
应用领域
硅油的应用范围非常广泛,它不仅作为航空、尖端技术、军事技术部门的特种材料使用,而且也用于国民经济各部门,其应用范围已扩大到:建筑、电子电气、纺织、汽车、机械、皮革造纸、化工轻工、金属和油漆、医药医疗等等。
硅油在化妆品和个人护理产品中被广泛应用,如面霜、乳液、护发素、洗发水、口红等。它可以形成一层薄膜在皮肤或头发表面,增加柔软度、光滑度和保湿效果,提供持久的滋润保护。
在化工领域,硅油常被用作基础原料,制备其他有机硅化合物,如硅胶、硅树脂等。此外,硅油也用于制备润滑油、油漆、涂料、油墨等化工产品。
由于硅油具有优异的耐高温性和化学稳定性,常用作工业润滑剂,用于减少摩擦、磨损和腐蚀,延长机械设备的使用寿命。硅油及其衍生物的主要应用为脱膜剂、减震油、介电油、液压油、热传递油、扩散泵油、消泡剂、润滑剂、疏水剂、油漆添加剂、抛光剂、化妆品和日常生活用品添加剂、表面活性剂、颗粒和纤维处理剂、硅脂、絮凝剂。
优缺点
优点
(1)黏温性能是液体润滑剂中最好的,在宽温范围内黏度变化小。它的凝点一般小于-50℃,有的高达-70℃,在低温下长期贮存,其油品的外观、黏度无变化,它是高温、低温、宽温范围兼顾的基础油。
(2)优良的热氧化稳定性,如热分解温度>300℃,蒸发损失小(150℃,30天,蒸发损失仅为2%),氧化试验(200℃、72h),黏度和酸值变化小。
(3)优良的电绝缘性,体积电阻等在常温~130℃范围内不变化(但油中不能含水)。
(4)它是一种无毒而且起泡性低、抗泡性强的油,可作消泡剂等使用。
(5)优良的剪切安定性,有吸收振动,防止振动传播的功能,可作减振液。
缺点
(1)硅油的润滑性欠佳,尤其是对钢钢摩擦副的润滑性差。
(2)硅油的热膨胀系数较大(可能产生超压问题)。
(3)气体溶解度较大(难设计气密封装置)。
(4)一定的吸湿性(水含量高于100×10-6以后,电气性能急剧下降)。
(5)表面张力小(易从机器中泄漏)。
毒性
硅油被用作女性丰胸的假体产品,硅油在被使用四十多年后,九十年代初,被发现可能造成人体免疫机能下降或致癌而在欧美被禁止使用。当时,美国生产硅凝胶假体的公司就遭到起诉,赔了很多钱。近两年,因发现做丰胸术的女性致癌的原因比较复杂,硅油又在欧洲开放使用,但在美国仍被禁止。
长期接触硅油可能会对皮肤造成损害。硅油在皮肤表面形成一层薄膜,阻止了皮肤的正常呼吸和排泄功能,可能导致毛孔堵塞、痤疮等皮肤问题的发生。此外,一些人可能对硅油过敏,引发皮肤过敏反应。
在工业生产中,硅油的蒸气可能会对工人的呼吸系统造成危害。长期暴露于硅油蒸气中可能会导致呼吸道刺激、呼吸困难等问题。
一些以硅油为主的产品会略带有腐蚀性,在运输、生产的过程中应多加注意。
由于硅油具有惰性,生物降解速度较慢,一旦进入水体中可能对水生生物造成危害。硅油可能形成油膜,影响水中生物的呼吸和食物摄取,破坏水生生物的生态平衡。
一旦硅油出现大量泄漏情况,又或是被肆意排放至土壤之中,便极有可能给土壤生态系统带去诸多负面效应。具体而言,硅油会干扰土壤正常的通气性能与水分保持特性,致使土壤维持良好通气以及锁住水分的能力下降,进而对栖息于土壤内部、在物质循环及土壤结构改良等方面扮演关键角色的微生物的存活与繁衍形成阻碍,破坏整个土壤生态环境原有的平衡与稳定。
硅油作为洗发水添加剂
头发是由头皮中的毛囊生出来的,主要成分是角蛋白。放在显微镜下,可以看到上面有参差不齐的毛小皮,这种长得像鱼鳞般的东西就是毛鳞片。当头发上有受损的毛鳞片时,头发间摩擦力加大,头发就开始纠结在一起,不易梳理,而硅油之所以能让头发柔顺是因为用含硅油的洗发水洗发后,毛鳞片会打开,硅油附在毛鳞片上填平毛鳞片间的空隙,自然就顺滑了。