Synthese und Nachweis von niedrigviskosem Dimethylsilikonöl: Prozess-, Eigenschaften- und Anwendungsanalyse
Unter -viskosem Dimethylsilikonöl versteht man typischerweise lineare Polydimethylsiloxane mit einer kinematischen Viskosität unter 100 cSt (Centistokes) bei 25 Grad, manchmal sogar nur 0,65 cSt. Aufgrund seines extrem niedrigen Viskositäts--Temperaturkoeffizienten, seiner hervorragenden Schmierfähigkeit, seines hohen Flammpunkts, seiner guten chemischen Stabilität und Hydrophobie wird es häufig in Kosmetika, Körperpflegeprodukten, Textilien, Elektronik, Medizin und Industrie als Schmiermittel, Entschäumer, Formentrennmittel, dielektrische Flüssigkeit und Grundöl verwendet. Dieser Artikel befasst sich mit den gängigen Syntheseprozessen und den wichtigsten Qualitätskontroll- und Testmethoden.
Syntheseprozess von niedrigviskosem Dimethylsilikonöl
Das Wesentliche bei der Synthese von niedrigviskosem Dimethylsilikonöl liegt in der Kontrolle der Länge der Molekülkette des Polydimethylsiloxans (PDMS). Je kürzer die Molekülkette, desto geringer ist die Viskosität des Produkts. Industriell werden vor allem die folgenden beiden Verfahren eingesetzt:
1. Säure-katalysierte Gleichgewichtsmethode
Dies ist derzeit die gängigste, wirtschaftlichste und effizienteste industrielle Produktionsmethode im In- und Ausland.
Hauptrohstoffe:
Dimethyldichlorsilan ((CH₃)₂SiCl₂): Der Hauptrohstoff.
Hexamethyldisiloxan (MM)((CH₃)₃SiOSi(CH₃)₃): Ein Endverkappungsmittel, das zur Kontrolle der Molekülkettenenden und zur präzisen Regulierung des Molekulargewichts und der Viskosität des Endprodukts verwendet wird.
Trimethylchlorsilan ((CH₃)₃SiCl): Kann auch als End--Verkappungsmittel verwendet werden.
Konzentrierte Schwefelsäure oder saurer Ton: Als Katalysator.
Prozessprinzip und Ablauf:
Hydrolyse: Dimethyldichlorsilan unterliegt einer heftigen Hydrolysereaktion mit Wasser, wodurch eine Mischung aus linearen oder zyklischen Siloxanen (DMC) mit Hydroxylendgruppen und Chlorwasserstoffgas entsteht.
Säure-katalysiertes Gleichgewicht/Umlagerung: Das Hydrolyseprodukt, das End--Verkappungsmittel (MM) und der Katalysator (z. B. konzentrierte Schwefelsäure) werden in einem genauen Verhältnis in ein Reaktionsgefäß gegeben und bei einer bestimmten Temperatur (typischerweise 50-80 Grad) gerührt. Während dieses Prozesses bricht Schwefelsäure Si-O-Si-Bindungen auf und führt zu deren Rekombination, wodurch schließlich in Gegenwart des Endverkappungsmittels ein chemisches Gleichgewicht erreicht wird.
Präzise Kontrolle: Durch Anpassen des Verhältnisses von End--Verkappungsmittel (MM) zu Hydrolyseprodukt (DMC) kann die Länge der Polymerkette im Gleichgewichtssystem präzise gesteuert werden. Ein höheres MM-Verhältnis führt zu kürzeren Polymerketten und einer niedrigeren Produktviskosität.
Neutralisierung und Waschen: Nach der Reaktion wird die restliche Säure im System mit Natriumbicarbonat oder Wasser neutralisiert und das System wiederholt mit Wasser gewaschen, bis es neutral ist, um Salze und Katalysatorrückstände zu entfernen.
Entfernung von Verbindungen mit niedrigem -Siedepunkt-: Unter reduziertem Druck und Heizbedingungen werden nicht umgesetzte Verbindungen mit niedrigem -Siedepunkt- wie MM, D₃ (Hexamethylcyclotrisiloxan) und D₄ (Octamethylcyclotetrasiloxan) abdestilliert. Diese Nebenprodukte können recycelt werden.
Filtration: Nach der Feinfiltration wird schließlich ein klares, transparentes und gleichmäßiges Dimethylsilikonöl mit niedriger -Viskosität erhalten.
2. Alkali-katalysierte Ringöffnungspolymerisation
Dieses Verfahren wird hauptsächlich zur Herstellung von Silikonölen bestimmter Viskositäten aus zyklischen Siloxanen (wie D₄) verwendet.
Verfahrensprinzip: In Gegenwart eines alkalischen Katalysators (wie Kaliumhydroxid oder Tetramethylammoniumhydroxid) werden die Si-O-Bindungen des zyklischen D₄ geöffnet und es findet eine Polymerisationsreaktion mit einem Verkappungsmittel (wie MM) statt, um lineares PDMS zu erzeugen.
Eigenschaften: Die Reaktionsbedingungen sind mild und die Molekulargewichtsverteilung des Produkts ist relativ eng. Allerdings ist die Nachbehandlung des Katalysators (die eine Zersetzung und Entfernung bei hohen Temperaturen erfordert) relativ umständlich, und das Rohmaterial D₄ selbst wird normalerweise durch Hydrolyse von Dimethyldichlorsilan gewonnen. Daher ist es im Hinblick auf die Gesamtkosten weniger wirtschaftlich als die säurekatalysierte Gleichgewichtsmethode.
Wichtige Leistungstests von niedrigviskosem Dimethylsilikonöl
Um sicherzustellen, dass das Produkt die strengen Anforderungen verschiedener Anwendungsbereiche erfüllt, müssen eine Reihe präziser Tests mit dem niedrigviskosen Dimethylsilikonöl durchgeführt werden.
1. Kinematische Viskosität
Dies ist der wichtigste Indikator, der direkt das Molekulargewicht des Produkts widerspiegelt.
Prüfstandard: GB/T 265 / ASTM D445
Methode: Mit einem Kapillarviskosimeter wird bei einer konstanten Temperatur (normalerweise 25 oder 40 Grad) die Zeit gemessen, die ein bestimmtes Probenvolumen benötigt, um durch eine kalibrierte Kapillare zu fließen. Der kinematische Viskositätswert (Einheit: cSt) wird berechnet.
2. Brechungsindex
Der Brechungsindex ist ein wichtiger physikalischer Parameter, der die Reinheit und Strukturmerkmale einer Substanz charakterisiert. Bei Dimethylsilikonöl besteht ein klarer Zusammenhang zwischen seinem Wert und der Länge und Struktur der Molekülkette.
Prüfstandard: GB/T 614 / ASTM D1218
Methode: Gemessen mit einem Abbe-Refraktometer bei 25 Grad. Qualifiziertes Dimethylsilikonöl mit niedriger Viskosität sollte einen stabilen und standardmäßigen Brechungsindex haben (z. B. etwa 1,390–1,410 bei 25 Grad).
3. Flammpunkt Der Flammpunkt ist entscheidend für die sichere Lagerung, den Transport und die Verwendung eines Produkts. Obwohl niedrigviskose Silikonöle eine niedrige Viskosität aufweisen, führt ihre stabile Molekularstruktur typischerweise zu einem Flammpunkt, der viel höher ist als der von Mineralölen mit gleicher Viskosität.
Prüfstandard: GB/T 3536 / ASTM D92
Methode: Unter Verwendung eines Cleveland-Flammpunktgeräts mit offenem Tiegel wird die Probe unter festgelegten Bedingungen erhitzt und die niedrigste Temperatur gemessen, bei der sich der mit Luft vermischte Dampf bei Kontakt mit einer offenen Flamme entzündet.
4. Flüchtige Stoffe Dieser Indikator misst den prozentualen Gewichtsverlust eines Produkts unter Erhitzungsbedingungen und wirkt sich direkt auf seine Stabilität und Lebensdauer bei Hochtemperaturanwendungen aus.
Prüfstandard: GB/T 11999 / ASTM D2595
Methode: Eine bestimmte Probenmenge wird für eine bestimmte Zeit (z. B. 24 Stunden) auf eine bestimmte Temperatur (z. B. 150 Grad) erhitzt und der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen wird durch Berechnung der Massendifferenz vor und nach dem Erhitzen bestimmt.
5. Säurewert
Der Säurewert spiegelt den Gehalt an restlichen sauren Katalysatoren (z. B. Schwefelsäure) im Produkt wider. Zu hohe Säurewerte können zu Korrosion oder Instabilität des Produkts führen.
Prüfstandard: GB/T 7304 / ASTM D974
Methode: Mit der potentiometrischen Titrations- oder Indikatormethode werden die sauren Substanzen in der Probe mit einer alkalischen Standardalkohollösung titriert.
6. Farbe
Die Farbe spiegelt direkt das Aussehen und die Reinheit des Produkts wider. Hoch-reines, niedrig-viskoses Dimethylsilikonöl sollte „farblos und transparent“ sein.
Prüfstandard: GB/T 3143 / ASTM D1209
Methode: Der Vergleich erfolgt mit einer Platin-Kobalt-Farbstandardlösung. Generell sollte die Farbzahl einen bestimmten Wert (z. B. Zahl 10) nicht überschreiten.
Abschluss
Die Synthese von niedrigviskosem Dimethylsilikonöl ist eine Wissenschaft der präzisen Kontrolle der Molekülstruktur. Die säurekatalysierte Gleichgewichtsmethode dominiert aufgrund ihrer geringen Kosten, ausgereiften Technologie und einfachen Kontrolle. Ein umfassendes Qualitätstestsystem ist der Grundstein für die Gewährleistung einer stabilen Leistung und die Erfüllung der Anforderungen nachgelagerter Anwendungen. Durch die strenge Kontrolle von Schlüsselindikatoren wie Viskosität, Brechungsindex und Flammpunkt können Hersteller ihren Kunden leistungsstarke und zuverlässige Produkte anbieten und gemeinsam deren Innovation und Anwendung in High-Tech-Bereichen wie Alltagschemikalien, Textilien und Elektronik vorantreiben.
