ГИДРОФОБИЗИРУЮЩИЙ СОСТАВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК C09D183/04 D06M15/643 

Изобретение относится к композициям, предназначенным для поверхностной обработки материалов с целью придания им гидрофобных свойств. Состав может быть использован для получения тонких водоотталкивающих покрытий на самых различных материалах: дереве, кирпиче, известняке, строительном растворе, бетоне, керамике, коже, бумаге, текстиле, стекле, металле.

Известны силоксановые составы, которые используют в качестве покрывных композиций для нанесения на материалы в качестве водоотталкивающих покрытий, включающие полиорганосилоксан с OX-группами, где X H, алкил, и алкоксиалкил u≥1 аминоалкильной или полиаминоалкильной группы, кремнийорганическое соединение и органический растворитель / 1, 2 /. Эти составы являются дорогостоящими и представляют определенную опасность для здоровья человека из-за высокого содержания органического растворителя типа спиртов, гликолей и полигликолей, их простых и сложных эфиров.

Известна полисилоксановая водная композиция на основе продукта поликонденсации алкилтригидроксисилана или алкилтриалкоксисилана с производным эфира акриловой или метакриловой кислоты и алкилсилана / 3 /. Композиция характеризуется хорошими пленкообразующими свойствами, получаемые покрытия обладают высокими водоотталкивающими свойствами. Однако производство композиции является процессом энергоемким, при этом в качестве исходных компонентов используются дорогостоящие продукты органического синтеза. Кроме высокой стоимости к недостаткам композиции относится также ограниченность ее применения, так как формирование покрытия возможно только при нагреве. Для обработки крупногабаритных объектов композиция не пригодна.

Наиболее близким к изобретению является известный гидрофобизирующий состав для обработки материалов, включающий толуольный раствор полиорганогидридсилоксана / 4 /. Полиорганогидридсилоксан является недорогим и широко доступным продуктом органического синтеза. Гидрофобность пленок с участием полиорганогидридсилоксана обусловлена его ориентированным расположением на обрабатываемой поверхности с образованием "щетки" из органических радикалов:

Однако применение этого состава обязательно требует предварительного нанесения на поверхность обрабатываемого материала спиртового раствора гидролизата алкоксисилана, который выполняет благодаря имеющимся гидроксильным группам роль связующего и пленкообразующего вещества. Необходимость формирования на поверхности материала подложки из гидролизата алкоксисилана продиктована отсутствием пленкообразующих и связующих свойств у полиорганогидридсилоксана. Нанесенные на подложку полиорганогидридсилоксаны отверждаются при комнатной температуре в течение 2-5 сут, а в присутствии металлоорганических катализаторов в течение 12-24 ч. Процессы, происходящие при отверждении гидрофобного покрытия на подложке из продуктов гидролиза алкоксисилана, связаны с взаимодействием связей Si-H полиорганогидридсилоксана с гидроксильными группами гидролизата алкоксисилана, расположенными на поверхности подложки. Поверхностные реакции обуславливают химическое связывание молекул полиорганогидридсилоксана не только с подложкой, но и между собой по схеме (звездочкой отмечены атомы кремния, входящие в состав подложки):

Таким образом необходимость предварительной подготовки поверхности обрабатываемого материала при применении данного гидрофобизирующего состава требует дополнительных затрат времени и труда, что создает определенные трудности в получении гидрофобных покрытий. Кроме неудобства в применении к существенным недостаткам гидрофобизирующего состава следует отнести его токсичность и пожароопасность, которые обусловлены присутствием толуола в высоких концентрациях.

Задачей изобретения является снижение токсичности и пожароопасности гидрофобизирующего состава с одновременным сокращением затрат труда и времени, необходимых при его использовании.

Поставленная задача решается тем, что гидрофобизирующий состав для обработки материалов, включающий полиорганосилоксан и растворитель, в качестве полиорганосилоксана содержит продукт взаимодействия полиорганогидридсилоксана и гидролизата алкоксисилана, полученный при массовом соотношении реагентов (11-26) (31-91), а в качестве растворителя воду, взятую в количестве 500-11000 мас.ч. на 100 мас.ч. полиорганосилоксана.

Новый гидрофобизирующий состав представляет собой золь, в котором дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой мицеллы продукта взаимодействия полиорганогидридсилоксана и гидролизата алкоксисилана, то есть смеси высокомолекулярных поликремниевых эфиров. Мицеллы золя помимо хороших гидрофобных свойств, обеспечиваемых присутствием хемосорбированного полиорганогидридсилоксана, обладают высокой способностью к связыванию как с поверхностью обрабатываемого материала, так и между собой с образованием каркасной трехмерной сетки. Связующие свойства полиорганосилоксановой основы проявляются благодаря наличию гидрильных групп на поверхности мицелл золя. Таким образом отпадает необходимость предварительной подготовки поверхности обрабатываемого материала к нанесению гидрофобизирующего состава, заключающейся в формировании подложки из продуктов гидролиза алкоксисилана.

Продукт взаимодействия полиорганогидридсилоксана и гидролизата алкоксисилана в отличии от полиорганогидридсилоксана хорошо смешивается с водой, обеспечивая образование относительно стабильного золя, обладающего экологической чистотой и пожаробезопасностью.

Использование водного золя продукта взаимодействия полиорганогидридсилоксана и гидролизата алкоксисилана в роли гидрофобизирующей основы состава является решением неочевидным. Раньше, применяя гидрофобизирующий состав на основе полиорганогидридсилоксана, для предварительной обработки материала использовали только немодифицированный гидролизат алкоксисилана и только в виде спиртового раствора, так как из водного раствора покрытие получить невозможно. Водный раствор гидролизата алкоксисилана по причине образования в конечном итоге кремниевой кислоты дает на поверхности материала рыхлый налет оксида кремния.

Установлено, что наилучшие свойства нового гидрофобизирующего состава проявляются в тех случаях, когда массовое соотношение полиорганогидридсилоксана и гидролизата алкоксисилана при получении продукта их взаимодействия составляет (11-26) (31-91). При введении полиорганогидридсилоксана в количестве менее 11 мас.ч. на 31-91 мас.ч. гидролизата алкоксисилана состав обладает слабым гидрофобным эффектом. В случае, когда полиорганогидридсилоксан используют в количестве более 26 мас.ч. на 31-91 мас.ч. гидролизата алкоксисилана, гидрофобизирующий состав становится маслянистым из-за присутствия непрореагировавшего полиорганогидридсилоксана, который нерастворим в воде.

Содержание воды в гидрофобизирующем составе может колебаться в очень широких пределах, влияя на его стабильность. Чем выше содержание воды, тем на большие расстояния разведены мицеллы полиорганосилоксановой основы друг от друга. Увеличение содержания воды способствует росту срока жизни состава при одновременных снижении гидрофобизирующего эффекта и увеличении времени формирования покрытия.

Для экспериментальной проверки изобретения были подготовлены 15 образцов состава, различающихся по массовому соотношению полиорганогидридсилоксана и гидролизата алкоксисилана, использованному при получении продукта их взаимодействия, по виду примененного полиорганогидридсилоксана, по содержанию воды в составе. В качестве полиорганогидридсилоксана применяют полиэтилгидридсилоксан, полиметилгидридсилоксан, полипропилгидридсилоксан, полибутилгидридсилоксан, полифенилгидридсилоксан, а в качестве гидролизата алкоксисилана гидролизат этоксисилана.

В табл. 1 приведены сведения о качественном и количественном составе образцов предлагаемого гидрофобизатора, в табл. 2 показатели их свойств.

Состав готовят следующим образом.

В стеклянную колбу помещают алкоксисилан, добавляют необходимое для проведения его гидролиза количество 0,5н. раствора HCl, выдерживают смесь при перемешивании в течение 20-80 мин не допуская саморазогрева реакционной смеси выше 40^oС. Время проведения гидролиза, являющегося экзотермической реакцией, для каждого алкоксисилана определено по наступлению момента прохождения экстремальной точки гидролизного разогрева. Не позднее чем через 10 мин после прохождения этого момента в гидролизат алкоксисилана вводят полиорганогидридсилоксан и продолжают перемешивание 8-10 мин. Затем содержимое колбы разбавляют рассчитанным количеством воды. Полученный состав может быть использован для обработки материалов через сутки.

Своевременное введение полиорганогидридсилоксана в свежеприготовленный гидролизат алкоксисилана позволяет избежать чрезмерной гидролитической конденсации гидролизата алкоксисилана. Оптимальная степень полимеризации поликремниевых эфиров гарантирует активное химическое связывание, компонентов в массе:

где
R метил-, этил-, пропил-, бутил-, фенил-радикалы,
обеспечивая в конечном счете высокий гидрофобизирующий эффект полиорганосилоксановой основы в составе по изобретению. При перемешивании компонентов после введения полиорганогидридсилоксана хемосорбция в основном завершается через 8-10 мин.

Выдержка гидрофобизирующего состава после введения в продукт взаимодействия полиорганогидридсилоксана и гидролизата алкоксисилана воды способствует его созреванию, заключающемуся в дальнейшей гидролитической конденсации поликремниевых эфиров в частицах золя. Процесс поликонденсации сопровождается уплотнением частиц золя.

Исследуют свойства образцов гидрофобизирующего состава по изобретению. Для этого проводят оценку водопоглощения обработанного гидрофобизирующим составом силикатного кирпича размером 50 х 50 х 50 мм и деревянных брусков размером 20 х 3О х 70 мм. Обработку проводят окунанием материалов в образцы состава на 60 с. Затем их выдерживают на воздухе до полного высыхания 48 ч. Водопоглощение определяют как разницу в весе образца до и после его погружения в воду на 24 ч, выраженную в от массы до погружения.

Установлено, что по водопоглощению образцы материалов, обработанные гидрофобизирующим составом по изобретению, не только не уступают образцам с покрытием на основе известного состава по / 4 /, но даже в случае пористых материалов превосходят их.

Таким образом, являясь более удобным в применении, состав по изобретению не уступает известному составу по величине гидрофобного эффекта. Он нетоксичен, пожаробезопасен, не требует при использовании предварительной подготовки поверхности обрабатываемого материала. Кроме того, отверждение покрытий на основе гидрофобизирующего состава по изобретению без применения металлоорганических катализаторов происходит значительно быстрее: достаточно всего 48 ч.

Использование: поверхностная обработка различных материалов для придания им гидрофобности. Сущность: гидрофобизирующий состав включает продукт взаимодействия полиорганогидридсилоксана и гидролизата алкоксисилана, полученный при массовом соотношении реагентов /11-26/:/31-91/ и в качестве растворителя - воду, взятую в количестве 500-11000 мас.ч. на 100 мас.ч. продукта взаимодействия полиорганогидридсилоксана и гидролизата алкоксисилана. Водопоглощение силикатного кирпича, обработанного составом, через 24 ч выдержки 1-4% от массы, водопоглощение дерева, обработанного составом, через 24 ч выдержки 4-18% от массы. 2 табл.

Гидрофобизирующий состав для обработки материалов, включающий полиорганосилоксан и растворитель, отличающийся тем, что в качестве полиорганосилоксана он содержит продукт взаимодействия полиорганогидридсилоксана и гидролизата алкоксисилана, полученный при массовом соотношении реагентов 11 26 31 91, а в качестве растворителя воду, взятую в количестве 500 11000 мас.ч. на 100 мас.ч. полиорганосилоксана.