Способ придания материалам гидрофильных свойств при помощи органосилоксанового покрытия с глицидолом
Владельцы патента RU 2493305:
Учреждение Российской академии наук Института Элементоорганических Соединений им. А.Н. Несмеянова РАН (ИНЭОС РАН) (RU)
Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." (KR)
Изобретение относится к обработке различных материалов (стекло, текстиль, полимерные материалы, керамика, дерево, металлы, кожа) для придания гидрофильных свойств поверхностям этих материалов. Осуществляют последовательное нанесение на поверхность материалов водного или спиртового раствора олиго(аминопропил)этоксисилоксана, сушку и термообработку его. Далее осуществляют смачивание модифицированной таким образом поверхности спиртовым раствором глицидола. Затем осуществляют сушку и термообработку. В результате на поверхности материалов образуется слой модификатора, придающий гидрофильные свойства поверхностям материалов. Непосредственно на поверхности происходит формирование модификатора путем молекулярной сборки органосилоксановых покрытий с N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминоалкильными группами. Изобретение позволяет обеспечить модификацию обрабатываемых материалов с получением на их поверхностях микро/наноразмерного покрытия с различными гидрофильными свойствами. 5 ил., 1 табл.
Изобретение относится к производству модифицированных материалов и может быть использовано для придания гидрофильных свойств поверхности материалов.
Известен способ гидрофилизирующей обработки текстильного материала составом, содержащим смесь полиорганосилоксана и полидиорганосилоксана (см. патент DE №3932276 «Состав для обработки текстиля и способ обработки») [1]. Используемый полиорганосилоксан обладает гидрофильными свойствами, но является водонерастворимым соединением. Для увеличения его эмульгирующей способности при обработке волокнистых материалов добавляется другой полиорганосилоксан, выполняющий функцию поверхностно-активного вещества. Недостатком данного способа является нестабильность эмульсии, ее склонность к коагуляции, обусловленная свойствами применяемого полиорганосилоксана.
Наиболее близким по своим признакам к заявляемому способу является способ придания текстильным материалам из волокон различной природы гидрофильных свойств (см. патент RU №2370583 «Способ придания волокнистым материалам гидрофильных свойств с помощью оксиалкиленорганосилоксановых блоксополимеров») [2]. Один из главных недостатков этого способа заключается в том, что он предусматривает значительный расход блоксополимеров (оксиалкиленорганосилоксан используется в количестве 1-5% к массе волокнистого материала).
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке усовершенствованного способа придания гидрофильных свойств поверхности различных материалов при значительно меньших затратах модификатора.
Технический результат достигается за счет нанесения модификатора поверхности, сформированного путем молекулярной сборки органосилоксановых покрытий с N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминоалкильными группами, причем отличительная особенность заявляемого способа заключается в том, что модификатор поверхности материала формируют в две стадии, причем на первой стадии используют олиго(аминопропил)этоксисилоксан, а на второй стадии используют глицидол.
Двустадийный способ молекулярной сборки заключается в выполнении следующих операций.
На первой стадии выполняют иммобилизацию олиго(аминопропил)этоксисилоксана (I-III, см. схему на Фиг.1) на поверхности материала. На второй стадии проводят конденсацию привитого аминопропилсодержащего органосилоксанового покрытия с глицидолом при нагревании (см. схему на Фиг.2).
Операция по иммобилизации на поверхности материала олиго(аминопропил)этоксисилоксана (I-III, см. схему на Фиг.1) состоит в том, что поверхности материала смачивают этанольным или водным растворами олигомера заданной концентрации - 0.1; 1%-ной с последующей сушкой на воздухе и проведением химического закрепления модификатора на поверхности термообработкой.
В результате указанной обработки модификатор (I-III) ковалентно закрепляется на поверхности материала за счет конденсации этоксигрупп модификатора с функциональными группами полимера материала, образуя на поверхности микро/наноразмерное покрытие (см. схему на Фиг.1).
Количество органосилоксанового покрытия на поверхности материала после пропитки, сушки и термообработки оценивается по увеличению массы материала, выраженному в процентах от исходной массы материала. Если при однократной пропитке, сушке и термообработке материала привес не достигал требуемых значений, то пропитку, сушку и термообработку материала проводили несколько раз до тех пор, пока привес не достигал требуемых значений.
На второй стадии осуществляют смачивание модифицированной поверхности 10%-ным этанольным раствором глицидола с последующей сушкой на воздухе и проведением конденсации привитого аминопропилсодержащего органосилоксанового покрытия с глицидолом при повышенной температуре.
В результате указанной обработки глицидол вступает в конденсацию с аминогруппами органосилоксанового покрытия и образует на поверхности гидрофильные N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминоалкильные группы (схема 2 на Фиг.2). При этом поверхностный слой приобретает «щеточную геометрию» (см. Фиг.5).
Наличие в покрытиях гидрофильных (водорастворимых) N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминопропильных групп придает гидрофильные свойства поверхности материала.
Механизм формирования гидрофильных органосилоксановых покрытий на поверхности силикатного стекла на первой стадии основан на взаимодействии реакционно-способных гидрофильных этоксисилильных групп олиго(аминопропил)этоксисилоксана (I-III) с силанольными группами, находящимися на поверхности силикатного стекла (схема 3 на Фиг.3), которое протекает с выделением этилового спирта, удаляемого при термообработке материала.
На второй стадии механизм формирования гидрофильных органосилоксановых покрытий основан на взаимодействии привитых аминопропилсодержащих органосилоксановых покрытий с глицидолом (см. схему 2 на Фиг.2), приводящем к образованию гидрофильных N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминопропильных групп на поверхности органосилоксановых покрытий.
Механизм формирования гидрофильных органосилоксановых покрытий на поверхности полиэфирной пленки на первой стадии основан на взаимодействии реакционно-способных гидрофильных этоксильных групп олиго(аминопропил)этоксисилоксана (I-III) с концевыми карбоксильными (-СООН) и гидроксильными (-ОН) группами, находящимися на поверхности полиэфирной пленки (см. схему 4 на Фиг.4), которое протекает с выделением этилового спирта, который удаляется при термообработке материала.
На второй стадии механизм формирования гидрофильных органосилоксановых покрытий основан на взаимодействии привитых аминопропилсодержащих органосилоксановых покрытий с глицидолом (см. схему 2 на Фиг.2), приводящем к образованию гидрофильных N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминоалкильных групп на поверхности органосилоксанового покрытия.
Данные ПК-спектров, снятые с модифицированных образцов материалов, содержат полосы валентных колебаний С-ОН связей в области 3635 и 3625 см-1, -C(O)OR связей в области 1750-1730 см-1, С-N связей в области 1230-1030 см-1, Si-O-Si связей в области 1080-1020 см-1, Si-OC связей в области 880-810 см-1 и деформационных колебаний Si-C связей в области 1260 и 800 см-1, что подтверждает образование искомого органосилоксанового покрытия.
Общая методика обработки поверхности материалов заключается в следующем.
Первая стадия.
- Проведение смачивания поверхности материала этанольным или водным растворами олиго(аминопропил)этоксисилоксана (I-III) заданной концентрации - 0,1 - 1%-ной и сушкой на воздухе при комнатной температуре с последующей термообработкой при 140°С в течение 20 мин.
Вторая стадия.
- Проведение смачивания модифицированной поверхности 10%-ным этанольным раствором глицидола и сушкой на воздухе при комнатной температуре с последующей термообработкой при 140°С в течение 20 мин.
Пример 1. Обработка поверхности силикатного стекла 0,1 - 1%-ным раствором олигомера (I). Обработка проводилась согласно изложенной методике.
Обработка модифицированной поверхности силикатного стекла 10%-ным раствором глицидола. Обработка проводилась согласно изложенной методике.
Повышение гидрофильности поверхности стекла оценивалось по краевому углу смачивания (см. Таблицу 1).
Пример 2. Обработка поверхности силикатного стекла 0,1 - 1%-ным раствором олигомера (II). Обработка проводилась согласно изложенной методике.
Обработка модифицированной поверхности силикатного стекла 10%-ным раствором глицидола. Обработка проводилась согласно изложенной методике.
Повышение гидрофильности поверхности стекла оценивалось по краевому углу смачивания (см. Таблицу 1).
Пример 3. Обработка поверхности силикатного стекла 0,1 - 1%-ным раствором олигомера (III). Обработка проводилась согласно изложенной методике.
Обработка модифицированной поверхности силикатного стекла 10%-ным раствором глицидола. Обработка проводилась согласно изложенной методике.
Повышение гидрофильности поверхности стекла оценивалось по краевому углу смачивания (см. Таблицу 1).
Пример 4. Обработка поверхности полиэфирной пленки 0,1 - 1%-ным раствором олигомера (I). Обработка проводилась согласно изложенной методике.
Обработка модифицированной поверхности полиэфирной пленки 10%-ным раствором глицидола. Обработка проводилась согласно изложенной методике.
Повышение гидрофильности поверхности полиэфирной пленки оценивалось по краевому углу смачивания (см. Таблицу 1).
Пример 5. Обработка поверхности полиэфирной пленки 0,1 - 1%-ным раствором олигомера (II). Обработка проводилась согласно изложенной методике.
Обработка модифицированной поверхности полиэфирной пленки 10%-ным раствором глицидола. Обработка проводилась согласно изложенной методике.
Повышение гидрофильности поверхности полиэфирной пленки оценивалось по краевому углу смачивания (см. Таблицу 1).
Пример 6. Обработка поверхности полиэфирной пленки 0,1 - 1%-ным раствором олигомера (III). Обработка проводилась согласно изложенной методике.
Обработка модифицированной поверхности полиэфирной пленки 10%-ным раствором глицидола. Обработка проводилась согласно изложенной методике.
Повышение гидрофильности поверхности полиэфирной пленки оценивалось по краевому углу смачивания (см. Таблицу 1).
Анализ результатов обработки поверхности материалов, описанный в примерах 1-6, показал, что заявляемый способ придания материалам гидрофильных свойств позволяет придавать различным материалам высокие гидрофильные свойства. Краевой угол смачивания поверхности материалов уменьшается в 2,5-2,8 раз при затрате олиго(аминопропил)этоксисилоксана (I-III) от 0,1 до 1% массы.
Таким образом, заявляемый способ придания материалам гидрофильных свойств позволяет повысить гидрофильность материалов в 2,5-2,8 раз, причем по гидрофилизируемой способности органосилоксановые покрытия с гидрофильными N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминоалкильных группами превосходят показатели прототипа и требуют минимального количества исходных продуктов для формирования модификатора поверхности.
Заявляемый способ может найти применение для придания гидрофильных свойств поверхностям различных материалов, таких как стекло, керамика, дерево, кожа, металлы, и изделий из них, таких как пленки, волокна, профильные изделия.
Способ придания материалам различной природы гидрофильных свойств за счет нанесения модификатора поверхности, сформированного путем молекулярной сборки органосилоксановых покрытий с N,N-бис(1,2-дигидроксипропил)аминоалкильными группами, причем модификатор поверхности материала формируют в две стадии:
- на первой стадии осуществляют смачивание поверхности материала водным или спиртовым раствором олиго(аминопропил)этоксисилоксана общей формулы
где n=5, 10, 15;
и выполняют сушку на воздухе при комнатной температуре с последующей термообработкой при температуре 140°С в течение 20 мин:
- на второй стадии осуществляют смачивание модифицированной поверхности спиртовым раствором глицидола общей формулы
с последующей сушкой на воздухе при комнатной температуре с последующей термообработкой при температуре 140°С в течение 20 мин.
