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设备技术

有机硅及其在汽车美容护理中的应用

2015-6-6 17:12:15

信息内容
                                有机硅及其在汽车美容护理中的应用

摘要:本文对汽车数量的发展和有机硅化合物作了简要的介绍,重点介绍了有机硅化合物在汽车美容护理品中的应用。在汽车表面上光剂、汽车漂洗助剂、轮胎清洁保养、汽车内饰清洁护理、车窗玻璃防雾等方面,有机硅化合物均展现了优异的性能,发挥着举足轻重的作用。
关键词:有机硅;硅氧烷;汽车美容、汽车护理;
 
    据德国一家汽车市场调研机构(R.L.Polk Marketing Systems)2013年的预测报告说,尽管目前环保已经成为全球热门的话题,但在未来7年内,全球的汽车保有量仍将继续增长近20%。到2015年,全球汽车保有量将从2007年的近9.2亿辆增至11.2亿辆左右。届时,亚洲将拥有全球四分之一的汽车,也就是2.8亿辆。其中,中国和印度的市场增长潜力巨大。根据公安部提供的数据,截至2013年底,我国汽车保有量达1.37亿辆,是2003年的5.7倍。工信部预计,到2020年中国汽车保有量将超两亿辆。我国已快速进入汽车社会。汽车消费的快速增长也为汽车美容护理行业带来了巨大的商机,推动了该行业的迅速发展。目前比较知名的汽车美容用品生产企业有3M、龟博士、尼尔森等。
汽车美容护理不只是简单帮汽车打蜡、除渍、除臭等清洁与保养护理,还包括专业的美容产品和高科技技术设备,采用先进和特殊的工艺方法,对汽车进行全新保养护理,以达到“旧车变新,新车保值,延寿增益”的功效[1]。有机硅作为一种特殊的化合物,具有许多优异的性能,已被广泛应用于汽车清洁、上光、车内饰护理、轮胎保养等产品中,发挥着举足轻重的作用。
 
1.有机硅化合物简介
有机硅是含有硅元素的众多高分子化合物的总称,一般是指以硅氧烷为主链的聚有机硅氧烷,包括硅油、硅橡胶、硅树脂、硅烷偶联剂四大门类。它的基本结构单元(即主链)是—Si—O—键构成,在硅原子上至少有一个直接与其他各种有机基团碳原子相连。因此,在有机硅聚合物的结构中既含有“有机基团”,又含有“无机结构”,这种特殊的组成和分子结构使它集有机物的特性与无机物的功能于一身,是第一个在工业上获得应用的元素高分子[2]。
尽管地壳的25%是由二氧化硅组成,但是,在自然界中,硅氧烷化合物却并不存在。直到1940年, Müller 和Rochow发明了直接合成甲基氯硅烷的合成路线,奠定了合成硅氧烷化合物的基础。直到1860年,硅氧烷化合物方为人所知[3,4]。目前,世界上主要的有机硅生产企业有道康宁、迈图、瓦克、信越、蓝星,其生产能力占世界总生产能力的80%左右。我国的有机硅工业始于20世纪50年代初。目前,我国有机硅市场发展是全球最快的,年增速高达30%[5]。
 
2.有机硅化合物在汽车护理中的应用
2.1汽车表面上光剂
    轿车、组装车、卡车等在户外行驶、放置或者敞开式运输时,无论是否喷漆都需要对其进行保护性处理,以防受到环境的侵蚀,如盐雾、酸雨、工业尘埃、动物排泄物等,尤其是从高空落下的鸟粪、昆虫的足迹、风沙的侵蚀、铁路货箱中的铁屑等对汽车表面的损害比较大。此外,轿车的局部污染是因排气造成的,污迹成分以烃类、碳化物为主。为了保护车体表面的整洁及光泽度,传统上常采用打蜡抛光的措施。打蜡上光,用蜡量多,劳动强度大,上光速度慢,光泽度差。从使用的安全性及效果来看,研制中性的清洁、上光、保护兼能的产品会受到社会的青睐[6]。
    20世纪50年代, 聚硅氧烷乳液取代膏状蜡作为汽车上光剂引入市场, 该乳液还包含了焦油去除剂。该上光剂使用方便、省力,容易去除[7]。硅氧烷抛光剂具有自流平、易分散的特点,而且不含蜡和研磨成分,不会因磨损和氧化而发生变质。它可以装在小型喷雾器中,普通用户只需将它喷洒到汽车面漆上,再用布擦干,就能得到一层高光泽度的、薄的保护层[8]。通常,聚二甲基硅氧烷、氨基改性聚硅氧烷、烷基改性聚硅氧烷、硅氧烷乳化剂、硅树脂、环甲基硅油等均可作为上光剂成分。
2.1.1聚二甲基硅氧烷
聚二甲基硅氧烷是具有不同粘度的、线性的非反应性硅油,除了氧原子外,只有甲基和硅原子相连。硅氧烷在结构上的特性和硅原子本身的惰性,决定了聚硅氧烷具有许多独特的性能:物理、化学性能惰性,低毒性,良好的热稳定性,良好的抗氧化、抗UV性能,高的表面活性,非常低的表面张力(18~22mN/m),良好的润滑性,低温下,不结晶,拒水疏油等等。
在家居护理、汽车护理等产品中,硅油通常作为防水剂、上光剂成分。粘度为50~500mPas的低粘度硅油通常会和粘度为1000~100000mPas的高粘度硅油配合使用。因为高粘度硅油能够赋予表面良好的光亮度,但是铺展性较差,而低粘度硅油则具有良好的铺展性,但上光性较差[9]。两者配合使用,扬长避短,既能在被处理表面均匀地铺展成膜,不留下条纹,又能赋予表面良好的光泽度。赵建红[10]将不同粘度的硅油用于汽车清洁上光蜡中,配置出一种不含研磨剂、易涂易擦,使用方便的产品。该产品不仅赋予汽车表面良好光亮度,而且使车身具有良好的防尘、抗水性能,保护车身漆面。
2.1.2氨基改性硅氧烷
    氨基改性硅氧烷已广泛用于汽车上光剂中。氨基具有强极性,使得氨基改性的硅氧烷能够与材料表面羟基、羧基等相互作用,硅油能够牢固地吸附于材料表面,形成一层附在表面上的薄膜。具有反应性的氨基改性硅氧烷能够发生自交联,或者与上光剂中的原料发生反应,交联固化[11],在表面形成交联的薄膜。它和聚二甲基硅氧烷的性能相似,但是,当它发生交联时,能提高上光剂的耐久性和耐洗涤性。氨基改性硅氧烷也有不同的粘度,可根据应用的不同,选择不同粘度的产品。氨基改性硅氧烷可以和其他的硅油、硅树脂复配,以达到满意的效果。氨基改性硅氧烷还可以和脂肪酸复配,常用的如硬脂酸、月桂酸等,氨基也能和这些脂肪酸发生交联,以提高上光膜的耐久性(耐腐蚀性)。
2.1.3烷基改性硅氧烷
    烷基改性硅氧烷又成为硅蜡,和传统的固体蜡相比,它具有更低的熔点,更易于使用。硅蜡有良好的铺展性能,极易在汽车表面形成保护膜,尤其是当它和官能化的硅氧烷复配使用的时候,可进一步提高汽车表面的光亮度、耐洗涤性和耐候性。随着长链烷基的增加,会使二甲基硅油的耐热性和耐寒性下降,但能够增加其有机特性,如润滑性和涂饰性,以及与有机脂的相容性,更适用于作为上光剂原料。烷基取代的链长及含量能够有效控制硅蜡的熔点,满足不同上光品质和层次的需求[11]。
2.1.4硅氧烷乳化剂
硅氧烷乳化剂是一种特殊的表面活性剂,它用于配制W/O型上光剂。这种亲油性的物质能配制出非常稳定,剪切变稠的乳液。此外,乳化剂本身具有触变性,容易使用。由于硅氧烷本身的润滑性,使乳液更溶液擦拭均匀,不留条纹。同时,硅氧烷乳化剂自身也具有良好的上光性能。Henning等[12]在文中介绍了一种烷基聚醚改性硅氧烷乳化剂TEGOPREN 7008和一种可自乳化的氨基改性硅氧烷乳化剂TEGO Polish Additive ACS, 它们用于W/O的汽车上光蜡中,提供乳化性能的同时还能显著提高光亮度。
2.1.5硅树脂
硅树脂是具有高度交联结构的热固性聚硅氧烷体系[5]。硅树脂也可以用于汽车上光剂中,这种网状结构的硅氧烷薄膜具有中等程度的耐久性。当它与聚二甲基硅氧烷配合使用时,能够提高上光剂的耐久性和流平性,并保持易于使用、光亮和防水的特性。当它与氨基改性的聚硅氧烷配合使用时,可以同时提高上光产品的持久防水性能、抗污性和透气性[11]。
2.1.6环甲基硅油
溶剂也是大部分上光剂中的重要组成部分,它会影响整个产品的最终效果。溶剂在上光剂中能溶解活性成分,润湿上光表面,使上光剂在上光表面均匀铺展。溶剂的挥发速度、易燃性、与其他成分和包装材料的兼容性都是选择溶剂时必须考虑的因素。溶剂太快或太慢的挥发速度都可能使上光膜在表面上铺展不均匀,形成条纹。含芳香烃的溶剂有可能损伤表面,因此,不建议用在产品里。
环甲基硅油是一种具有挥发性的硅油,可以作为传统溶剂的替代品用于汽车上光剂中,它们和传统溶剂相比,对车表面的沉积物具有相似的清洁能力,而铺展性和润滑性更好。它和硅氧烷也有极好的兼容性。选择不同挥发速度的硅油,可以使上光剂产品获得不同的干燥速度。并且,挥发性硅油不会破坏臭氧层,因此,在美国未被列为挥发性有机物。
以上是常用的一些用于汽车上光剂的有机硅化合物的简介。在汽车上光剂中,为了达到最佳的使用效果,通常会将两种或两种以上的有机硅化合物配合使用。Jeffery L. Vadasz等[13]研制了一种不含蜡的上光乳液。该乳液用聚二甲基硅氧烷,氨基改性聚硅氧烷以及可以和其发生交联反应的反应性聚硅氧烷作为上光成分。该乳液只需擦拭到汽车表面就能形成一层能保持数周的高光亮的薄膜。该乳液还可以用于汽车玻璃、内饰的清洁上光。M.A.舒尔茨等[14]研制了一种可用于汽车表面的液体抛光剂。该产品含有聚二甲基硅氧烷、氨基官能化硅氧烷、硅氧烷基蜡和挥发性硅油组分,赋予油漆金属表面高光泽、耐久、耐水性等。Donna W. Klayder等[15]也介绍了用硅油、氨基改性硅氧烷和硅氧烷表面活性剂研制凝胶状车身上光剂和护理剂的方法。
 
2.2 汽车漂洗助剂
 
    自从商业洗车出现以来,人们一直在探寻从刚洗过的汽车上除去表面水的更有效、更经济、更快速的方法。最初,表面水都是用毛巾人工擦干。随着机械化进程的加快,直接对汽车进行热气流干燥可以将大部分水去除。业已发现,如果水先变成水珠或形成水滴,就可以很容易用热气流吹走。汽车漂洗助剂是在汽车冲洗的最后冷洗时使用,它能使水在汽车表面形成水珠,用气流干燥时,水珠极易除去,在油漆表面不留痕迹[6]。
由于汽车的表面带负电荷,阳离子改性的硅氧烷表面活性剂通过静电吸附,可以在汽车表面形成一层疏水的薄膜。水在疏水薄膜上聚集成水珠,在热气流的吹拂下即可轻易地滑落(如图1所示),加快了汽车表面的干燥速度,同时,由于硅氧烷覆盖在汽车表面,提高了汽车表面的光亮度。Henning等[12]还介绍了一种水溶性的阳离子改性硅氧烷TEGOPREN 6922,在汽车清洗剂中用作清洁辅助剂和添加剂,使汽车表面具有与蜡相似的效果,下雨或其他因素打湿了汽车表面后就会形成分散的水滴。Altony J.等[16] 研制了一种用于汽车漂洗阶段的上光剂。该上光剂也含有阳离子改性的硅氧烷表面活性剂,通过静电吸附,硅氧烷可在汽车表面形成一层光亮疏水的保护膜。漂洗后采用热气流干燥,无需擦拭,省时省力。该上光剂中还含有氨基改性的硅氧烷,可进一步提高车身表面光亮度和耐久性。
图1 阳离子硅氧烷表面活性剂在汽车表面的铺展效果
 
2.3 轮胎护理剂
 
轮胎护理剂主要是用来防止轮胎老化、褪色、龟裂,对已出现龟裂纹和开始老化的轮胎,可极大地延缓轮胎进一步龟裂及老化程度,同时可使轮胎表面快速生成一层乌黑闪亮的保护膜,且防水,不易被水洗掉[6]。
聚二甲基硅氧烷和氨基改性的硅氧烷均可用于轮胎护理剂中。它们覆盖在轮胎表面,可以阻止轮胎表面受到臭氧及环境中其他化学物质的侵蚀而引起聚合物化学键的断裂,延长轮胎的使用寿命。O’Lenick 等[17]将低黏度(50-100 centistokes)的硅油和高黏度(1000-60000)硅油配合用于橡胶、塑料表面护理剂中,高粘度硅油覆盖在橡胶表面,起到保护表面和增加光亮度的作用,低黏度的硅油则迅速渗透到聚合物的孔隙里,起到保护作用。此外,聚醚改性的硅氧烷表面活性剂在轮胎护理剂中可起到提高润湿和铺展的作用。
 
2.4其他应用
 
     汽车驾驶室内的器件很多是用皮革、塑料等材质包装或制造的,而这些材质在紫外线的照射和空气中臭氧的作用下,时间长了就会出现老化、脆化、龟裂等现象。聚硅氧烷及其衍生物可作为汽车内部皮革、塑料护理剂的主要成分,它们不但可以赋予皮革、塑料等表面良好的润滑性、光泽度、防水性,还可以在这些表面形成一层保护膜,提高表面的耐候性,延长使用寿命。聚二甲基硅氧烷乳液、氨基改性硅氧烷、硅蜡、硅树脂、烷基聚醚改性的硅氧烷及其衍生物等均可用于汽车皮革、塑料护理产品中。 
在潮湿的环境下,当温度达到露点以下时,潮湿的水汽会在玻璃表面凝结成微小水滴,由于这些小水滴的光散射作用大大降低了玻璃的透明度,尤其是汽车挡风玻璃在湿度加大天气或使用空调时,常会因水蒸气雾化而妨害了视线[6]。聚醚改性的硅氧烷能极大地降低固液界面张力,使水不会在玻璃表面凝结成细小的水珠,从而保持了玻璃的透明度,因此可以作为汽车玻璃的防雾剂使用。于文等[18]采用聚醚改性硅氧烷作为防雾剂成分研制出一种长效型的玻璃防雾剂,具有效果持久、耐低温性更强的特点。
 
3 结语
     有机硅化合物种类繁多,性能各异,在提高产品的功能性、使用性方面均具有不俗的表现。在汽车美容护理产品研发过程中选择一种或数种适合的硅氧烷化合物,必能提升产品的性能,给汽车全面的养护,美化汽车的外观,延长汽车的使用寿命,给消费者焕然一新的体验。同时,研发出高品质的产品,使清洁护理一步完成,减少洗车废水的排放量,减轻对环境的压力,省时、省力、省水,摒弃目前部分汽车护理企业还在使用皂、洗衣粉、强碱、强力研磨剂等对汽车进行粗暴的清洁护理的方式,必将推动汽车美容护理行业向着健康、良性、可持续的方向发展。(作者:姚永丽 工作单位:赢创特种化学(上海)有限公司)
 
参考文献
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[5]来国桥,幸松民.有机硅产品合成工艺及应用[M],北京:化学工业出版社,2013:685-686
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[8]王雄华,朱斌,匡同春等.汽车车体表面抛光剂的研究进展[J].化工新型材料,2007,35(7):24-26.
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[11]陆颖音,周姝春.有机硅在家用上光剂中的应用[J].日用化学品科学,2013,36(2):21-24.
[12] HENNING J, MUELLER F. 硅酮表面活性剂在清洁剂和亮光剂中的新型应用[J].日用化学品科学,2002,25:35-39.
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[18]于文,赵慧昂.一种长效型玻璃防雾剂及其制备方法:CN,103205241[P],2013-7-17.

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