CHẤT HOẠT ĐỘNG bề mặt SILICONE và ỨNG DỤNG TRONG bọt POLYURETHANE, các sản PHẨM HOÁ NÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỚ HỜ CHÍ MINH
KHOA: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
----

BÁO CÁO HĨA HỌC VÀ CƠNG
NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỢNG BỀ MẶT

ĐỀ TÀI: CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT SILICONE

VÀ ỨNG DỤNG TRONG BỌT POLYURETHANE,
CÁC SẢN PHẨM HỐ NƠNG.

GVHD: TS. PHAN NGUYỄN QUỲNH ANH
SVTH: HỜ THANH HIẾU
LỚP: DH18HD

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2022

18139056


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

LỜI CẢM TẠ
Trong thời gian học tập, nghiên cứu và làm tiêu luận, em đã nhận được
nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cơ và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Phan Nguyễn Quỳnh Anh đã
giảng dạy và tạo điều kiện cho em có cơ hội nghiên cứu và làm tiểu luận để tích
lũy thêm kinh nghiệm. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn bạn bè đã luôn tạo
điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hồn

thành bài tiểu luận.
Trong q trình làm bài tiểu luận, nếu có sai sót, em mong cô sẽ thông
cảm.
Em xin chân thành cảm ơn!

ii


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM TẠ .........................................................................................................II
MỤC LỤC ............................................................................................................ III
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ V
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. VI
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT SILICONE .......... 2
1.1. Lịch sử nghiên cứu .................................................................................... 2
1.2. Định nghĩa chất hoạt động bề mặt silicone................................................ 3
1.3. Cấu trúc của silicone.................................................................................. 4
1.4. Một số chất hoạt động bề mặt silicone ...................................................... 6
1.4.1. Trisiloxane .......................................................................................... 6
1.4.2. 3−(3−hydroxypropyl−heptatrimethylxyloxane) ................................. 6
1.4.3. Một số chất hoạt hoạt động bề mặt silicone khác ............................... 6
1.5. Tổng hợp silicone ...................................................................................... 7
1.6. Lợi ích của silicone đối với sức khỏe ........................................................ 8
1.6.1. Hấp phụ và tương tác với tế bào ......................................................... 8
1.6.2. Tác dụng kháng khuẩn ........................................................................ 9
1.6.3. Tác dụng chăm sóc tóc ....................................................................... 9

1.6.4. Tác dụng chăm sóc da....................................................................... 10
1.7. Độc tính ................................................................................................... 10
1.8. Tiêu chuẩn chất lượng của silicone ......................................................... 11
CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CỦA SILICONE .................................................... 13
2.1. Độ tan....................................................................................................... 13
2.2. Sức căng bề mặt ....................................................................................... 13
2.3. Góc tiếp xúc ............................................................................................. 14
2.4. Tính chất làm ướt/siêu thấm/trải rộng ..................................................... 15
2.5. Tính chất phân tán/Nhũ tương hóa .......................................................... 17

iii


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA SILICONE TRONG BỌT POLYURETHANE
VÀ CÁC SẢN PHẨM HĨA NƠNG ................................................................... 19
3.1. Ứng dụng của silicone trong bọt polyurethane........................................ 19
3.1.1. Bọt polyurethane ............................................................................... 19
3.1.2. Chất hoạt động bề mặt silicone ảnh hưởng đến bọt polyurethane .... 21
3.2. Ứng dụng của silicone trong các sản phẩm hóa nơng ............................. 22
3.2.1. Chiết xuất chất diệt cỏ ...................................................................... 23
3.2.2. Thuốc trừ sâu .................................................................................... 24
3.2.2.1. Thuốc xịt bổ trợ thuốc trừ sâu SilibaseAG-2848 ..................... 24
3.2.2.2. Chất bổ trợ trong thuốc trừ sâu SilibaseAG-2877 .................... 25
3.2.3. Chất làm chậm trôi bề mặt ................................................................ 26
3.2.4. Thuốc xịt chống bọt .......................................................................... 26
3.2.5. Bổ trợ cho thuốc diệt cỏ .................................................................... 27
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ................................................................................... 28
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 29

iv


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 Cấu trúc phân tử của SS1 [2] .................................................................. 3
Hình 1.2 Cấu trúc phân tử của poly (dimethyl siloxan) [1] ................................... 3
Hình 1.3 Cấu trúc phân tử của poly (dimethyl siloxan) ......................................... 5
Hình 1.4 Mạng lưới 3 chiều của PDMS [8] ........................................................... 5
Hình 1.5 Các bước phản ứng để tổng hợp chất hoạt động bề mặt silicone [10] .... 8
Hình 1.6 Cơng thức cấu tạo của PDMS ............................................................... 11
Hình 2.1 Sức căng bề mặt của chất hoạt động bề mặt polyether trisiloxan và các
chất hoạt động bề mặt hydrocacbon khác [16] .................................................... 13
Hình 2.2 Góc tiếp xúc của chất hoạt động bề mặt polyether trisiloxan và chất
hoạt động bề mặt hydrocacbon khác [16] ............................................................ 15
Hình 2.3 Cơ chế lan truyền chất hoạt động bề mặt polyete trisiloxan [16] ......... 16
Hình 3.1 Các tấm nhựa làm từ vật liệu chống thấm gốc Polyurethane ................ 19
Hình 3.2 PU được sử dụng làm phào chỉ trong ngành xây dựng ......................... 19
Hình 3.3 Tổng hợp polyurethane ......................................................................... 20
Hình 3.4 Tổng hợp bọt polyurethane ................................................................... 20
Hình 3.5 Miếng bọt biển nhà bếp làm bằng bọt polyurethane ............................. 21
Hình 3.6 Thấm ướt dung dịch thuốc trừ sâu trên lá kỵ nước a. trước khi sử dụng
chất rải trisiloxan, b. sau khi sử dụng chất lan truyền dựa trên trisiloxan [16] .... 23
Hình 3.7 Thuốc diệt cỏ triazine ............................................................................ 23
Hình 3.8 Thuốc xịt bổ trợ thuốc trừ sâu SilibaseAG-2848 .................................. 24
Hình 3.9 Chất bổ trợ được sử dụng trong thuốc trừ sâu SilibaseAG-2877.......... 25
Hình 3.10 Chất làm chậm trơi bề mặt Silibase-2806 ........................................... 26

Hình 3.11 Thuốc xịt chống bọt SilibaseAG-S1830 ............................................. 27
Hình 3.12 Thuốc bổ trợ cho thuốc diệt cỏ SilibaseAG-2848 ............................... 27

v


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1 Tiêu chuẩn chất lượng của PDMS ........................................................ 11

vi


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

LỜI MỞ ĐẦU
Người Việt coi trọng nghề nông, minh triết của người Việt coi nông nghiệp
là gốc của mọi thứ trong xã hội, “canh nông vi bản”. Ngày nay nông nghiệp
không chỉ giúp ổn định cuộc sống cho phần lớn dân cư nông thôn “yên dân”, mà
còn là nền tảng cho phát triển kinh tế-xã hội và ổn định chính trị, tạo tiền đề để
hiện thực hóa khát vọng cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước từ một quốc gia
có nền nơng nghiệp còn chưa phát triển.
Thuốc bảo vệ thực vật là một phần không thể thiếu trong nền nông nghiệp.
Bắt đầu được sử dụng ở miền bắc Việt Nam vào những năm 1955. Từ đó đến
nay, tỏ ra là phương tiện quyết định nhanh chóng dập tắt các dịch sâu bệnh trên
diện rộng. Do vậy, cần phải khẳng định vai trị khơng thể thiếu được của thuốc
bảo vệ thực vật trong điều kiện sản xuất nông nghiệp của nước ta trong những
năm qua, hiện nay và cả trong thời gian sắp tới.

Chất hoạt động bề mặt rất quan trọng trong việc gia công thuốc bảo vệ thực
vật. Chất hoạt động bề mặt cũng tác động tới hiệu lực sinh học của thuốc bảo vệ
thực vật. Sự thấm và di chuyển của hoạt chất có thể được hỗ trợ bởi phân tử chất
hoạt động bề mặt. Chất hoạt động bề mặt dạng thấm ướt là tác nhân làm thuốc
loang trải rộng, thấm ướt đều và bám dính lâu, đủ thời gian để diệt trừ cỏ dại.
Chất hoạt động bề mặt silicone là một loại silicone độ nhớt thấp được sử
dụng để nâng cao hiệu suất làm ướt, lây lan và xâm nhập của hóa chất nơng
nghiệp. Silicone hoạt động bề mặt có thể được sử dụng như một thành phần trong
thuốc diệt cỏ hòa tan trong nước và thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm và điều hịa
sinh trưởng thực vật.
Ngồi ra, chất hoạt động bề mặt sillicone còn ảnh hưởng đến chất lượng
của bọt polyurethane chẳng hạn như kích thước tế bào bọt và độ mở của màng tế
bào bọt (độ ổn định).
Vì lẽ đó, tơi thực hiện đề tài “Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng
trong bọt polyurethane, các sản phẩm hoá nơng” để tìm hiểu sâu hơn.

1


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

1.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
SILICONE
1.1.

Lịch sử nghiên cứu
Thuật ngữ silicone lần đầu tiên được đặt ra bởi nhà hóa học Frederic

Kipping. Ơng cho rằng sẽ có thể tạo ra các hợp chất tương tự như các hợp chất có
thể được tạo ra bằng carbon và hydro, vì silicon và carbon có nhiều điểm tương
đồng. Tên chính thức để mơ tả các hợp chất này là silicoketone, rút ngắn thành
silicone.
Kipping quan tâm đến việc tích lũy các quan sát về các hợp chất này hơn là
tìm ra chính xác cách chúng hoạt động. Ông đã dành nhiều năm để chuẩn bị và
đặt tên cho chúng. Các nhà khoa học khác sẽ giúp khám phá các cơ chế cơ bản
đằng sau silicone.
Vào những năm 1930, một nhà khoa học từ công ty Corning Glass Works
đã cố gắng tìm một vật liệu thích hợp để đưa vào vật liệu cách nhiệt cho các bộ
phận điện. Silicone phù hợp vì khả năng hóa rắn dưới nhiệt. Sự phát triển thương
mại đầu tiên này đã khiến silicone được sản xuất rộng rãi.
Về mặt lịch sử, chúng đã được sử dụng trong các hệ thống không chứa
nước, chẳng hạn như chất tách khuôn và bọt polyurethane. Gần đây, người ta đã
quan tâm đến việc sử dụng chúng trong môi trường nước, chẳng hạn như, để siêu
lan rộng các dung dịch nước trên các bề mặt kỵ nước. Trong cả hai môi trường,
silicones cho thấy hiệu suất tuyệt vời như là tác nhân hoạt động bề mặt làm giảm
sức căng bề mặt xuống thấp đến 21 mN/m [1].
Chất hoạt động bề mặt siêu rộng đầu tiên được nghiên cứu khoa học quan
trọng là chất hoạt động bề mặt trisiloxan được gọi là Silwet L-77 hoặc SS1 cho
thấy chất hoạt động bề mặt có thể được sử dụng như một chất làm ướt hiệu quả
cho thuốc trừ sâu dạng nước trên lá cây [2].

2


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

Hình 1.1 Cấu trúc phân tử của SS1 [2]
Gần đây, Ananthapadmanabhan và cộng sự đã thực hiện một nghiên cứu về

hoạt động thấm ướt hoặc lan rộng của một số hỗn hợp nước - chất hoạt động bề
mặt. Họ đã so sánh tốc độ lan truyền của sự phân tán trong nước SS1 trên một số
bề mặt năng lượng thấp nhất định [3].
Hợp chất có chứa liên kết đơi silic-oxy, ngày nay được gọi là silanones,
nhưng có thể được gọi với tên "silicone", từ lâu đã được xác định là chất trung
gian trong các quá trình pha khí như lắng đọng hơi hóa học trong sản xuất vi điện
tử và trong quá trình hình thành gốm sứ bằng cách đốt cháy [4]. Tuy nhiên,
chúng có xu hướng trùng hợp mạnh mẽ thành siloxan. Silanone ổn định đầu tiên
được A. Filippou và những người khác thu được vào năm 2014 [5].

1.2.

Định nghĩa chất hoạt động bề mặt silicone
Các polyme silicone (ví dụ poly (dimethyl siloxan) và các dẫn xuất) là loại

polyme vô cơ/hữu cơ duy nhất đã được thương mại hóa rộng rãi (hình 1.2) [1].

Hình 1.2 Cấu trúc phân tử của poly (dimethyl siloxan) [1]
Silicone thường bị nhầm lẫn với silicon, nhưng chúng là những chất riêng
biệt. Silicon là một nguyên tố hóa học, một dạng kim loại bán dẫn cứng, màu
xám đen, ở dạng tinh thể được sử dụng để chế tạo mạch tích hợp (chip điện tử)

3


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

và pin mặt trời . Silicones là các hợp chất có chứa silic, cacbon, hydro, oxy, và có
lẽ cả các loại nguyên tử khác, và có nhiều tính chất vật lý và hóa học rất khác
nhau.

Chất hoạt động bề mặt silicone là một nhóm các chất hoạt động bề mặt
phân tử nhỏ và cao phân tử có nhiều ứng dụng do các đặc tính khác thường của
chúng [6].
Chất hoạt động bề mặt silicone có tác dụng dẫn nước lên bề mặt kỵ nước
ẩm ướt được gọi là "tác nhân siêu lan rộng" hoặc "chất tạo siêu lan rộng" khi việc
bổ sung một lượng nhỏ, chẳng hạn dưới 0,1%, vào nước sẽ làm cho hỗn hợp khi
được đặt trên một bề mặt kỵ nước sẽ lan rộng thành một chất mỏng, làm ướt
màng trong vòng hàng chục giây [2].

1.3.

Cấu trúc của silicone
Silicone hoặc polysiloxan là một polyme được tạo thành từ siloxan (−R2Si

− O – SiR2−, trong đó R là nhóm hữu cơ) [7].
Chính xác hơn được gọi là siloxan polyme hóa hoặc polysiloxan, silicone
bao gồm một chuỗi khung silicon-oxy vô cơ (−−−Si − O − Si − O − Si − O−−−)
với hai nhóm hữu cơ gắn vào mỗi tâm silicon. Thông thường, các nhóm hữu cơ
là metyl. Các vật liệu có thể có tính chu kỳ hoặc là polyme. Bằng cách thay đổi
độ dài chuỗi −Si-O−, nhóm bên và liên kết chéo, silicon có thể được tổng hợp với
nhiều đặc tính và thành phần khác nhau. Chúng có thể thay đổi về độ đặc từ lỏng
sang gel, cao su đến nhựa cứng.
Silicones khác biệt đáng kể so với các chất hữu cơ do lực hút giữa các phân
tử của chúng yếu. Về mặt cấu tạo, chúng được đặc trưng bởi [1]:
 Góc liên kết Si – O – Si lớn hơn góc liên kết C – O – C
 Độ dài liên kết Si – O dài hơn liên kết C – O – C hoặc C – C
 Gốc tự do quay quanh liên kết Si – O lớn hơn so với liên kết C – C và
 Các nhóm metyl quay tự do có thể hướng về các mặt phân cách dẫn đến
phần lớn thể tích bị loại trừ hoặc “tự do” đối với các chuỗi polyme.

4


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

Siloxan phổ biến nhất là poly (dimethyl siloxan) tuyến tính (PDMS),
một loại dầu silicon.

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử của poly (dimethyl siloxan)
IUPAC: polydimethylsiloxane
PDMS là một chất lỏng có độ nhớt khác nhau tùy thuộc vào chiều dài
chuỗi. Các polyme PDMS có thể được biến đổi thành mạng lưới đàn hồi ba chiều
bằng cách xúc tác các phản ứng liên kết chéo, tạo ra các liên kết hóa học giữa các
chuỗi liền kề. Chất đàn hồi silicone được sử dụng trong các ứng dụng thiết bị y tế
thường bao gồm chất độn tăng cường, điển hình là silica vơ định hình bốc khói,
trở nên gắn bó chặt chẽ trong mạng lưới đàn hồi tổng thể. Việc kết hợp chất độn
gia cường vào ma trận liên kết ngang làm giảm độ dính của vật liệu, tăng độ
cứng và tăng cường độ bền cơ học [8].

Hình 1.4 Mạng lưới 3 chiều của PDMS [8]
Nhóm vật liệu silicone lớn thứ hai dựa trên nhựa silicone, được hình thành
bởi các oligosiloxan dạng lồng và phân nhánh.

5


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

Một số chất hoạt động bề mặt silicone

1.4.
1.4.1.

Trisiloxane

Chất hoạt động bề mặt Trisiloxane còn được gọi là Silwet L-77 hoặc SS1
có thể được sử sụng như một chất làm ướt hiệu quả cho các loại thuốc trừ sâu
dạng nước trên lá cây.
Số lượng các nhóm OC2H4 trong chất hoạt động bề mặt được tổng hợp khi
thay đổi, công thức được ghi lại là số trung bình. Ví dụ, SS1 được biểu thị bằng
ký hiệu M(D'E8OMe)M. Trong đó, Me biểu thị nhóm CH3, M là nhóm Me3SiO,
D' là nhóm Si(Me)(C3H6), và En một dãy n các nhóm OC2H4 được kết thúc bằng
một nhóm OH. Nếu trình tự E được kết thúc bằng một nhóm khác khơng phải là
nhóm OH, ví dụ như nhóm methoxyl (OMe) hoặc nhóm axetat (OAc), thì nhóm
kết thúc được ký hiệu rõ ràng. Trong ký hiệu viết tắt, giá trị trung bình của n
được làm trịn đến số ngun gần nhất. Nó là đặc trưng của các dung dịch chất
hoạt động bề mặt silicone [2].
1.4.2.

3−(3−hydroxypropyl−heptatrimethylxyloxane)

3−(3−hydroxypropyl−heptatrimethylxyloxane) hay còn được gọi là OFX0309 là chất hoạt động bề mặt silicone khơng ion có khối lượng phân tử thấp,
màu hổ phách trong, tỷ lệ HLB 12%. Được phát triển để cải thiện sự thấm ướt,
thâm nhập của các hóa chất nơng nghiệp. Chất lỏng OFX 0309 là polyethylene
glycols (PEGs). PEG cung cấp một số ưu điểm. Trong thực tế, chúng không độc
hại, không mùi, khơng màu, khơng gây kích ứng, và chúng khơng dễ bay hơi [9].
1.4.3.

Một số chất hoạt hoạt động bề mặt silicone khác

Ngồi ra, trên thị trường cịn có rất nhiều chất hoạt động bề mặt silicone
được ứng dụng trong bọt polyurethane có tên thương mại như:
 Phụ gia VORASURFB DC 193: Tiêu chuẩn công nghiệp, mỡ bôi trơn bề
mặt silicone đa năng cho các ứng dụng bọt polyurethane cứng. Chất bôi
trơn bề mặt silicone cho giày dép (đế giày) và các ứng dụng da không thể
thiếu.

6


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

 Phụ gia VORASURF FF 5959: Chất bôi trơn bề mặt silicone được sử dụng
làm chất tạo bề mặt để tạo ra các tế bào mịn hơn/nén khí trong sản xuất bọt
polyurethane dạng tấm mềm dẻo.
 Phụ gia VORASURF RF 5247: Chất bôi trơn bề mặt silicone ổn định có thể
được sử dụng trong các công thức bọt phun polyurethane thổi nước.

1.5.

Tổng hợp silicone
Đối với các ứng dụng tiêu dùng, tổng hợp bằng quá trình thủy phân axetat

tạo ra axit axetic (axit có trong giấm) ít nguy hiểm hơn. Hóa chất này được sử
dụng trong nhiều ứng dụng tiêu dùng, chẳng hạn như keo silicon và chất kết
dính.
n Si(CH3)2(CH3COO)2 + n H2O → [Si(CH3)2O]n + 2n CH3COOH
Phổ biến nhất là các vật liệu dựa trên polydimethylsiloxan, silyl clorua
được sử dụng thay vì silyl axetat, được tạo ra bằng cách thủy phân
dimethyldichlorosilan. Diclorua này phản ứng với nước như sau:

n Si(CH3)2Cl2 + n H2O → [Si(CH3)2O]n + 2n HCl
Quá trình trùng hợp thường tạo ra các mạch thẳng được giới hạn bởi các
nhóm Si-Cl hoặc Si-OH (silanol). Trong các điều kiện khác nhau, polyme là một
chu kỳ, không phải là một chuỗi [7].
Theo Rohan S. Mestri và cộng sự, các chất hoạt động bề mặt silicon được
chuẩn bị tuần tự theo ba bước: (1) este hóa polyme, (2) chuyển đổi polyeste
thành polysiloxan, (3) sulpho hóa polysiloxan [10].

7


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

Hình 1.5 Các bước phản ứng để tổng hợp chất hoạt động bề mặt silicone [10]

Lợi ích của silicone đối với sức khỏe

1.6.

Các chất hoạt động bề mặt silicone có thể được thêm vào nhiều loại dầu ăn
(như một chất chống tạo bọt) (PDMS) để ngăn dầu bắn ra trong q trình nấu. Do
đó, PDMS có thể được tìm thấy ở dạng vết trong nhiều mặt hàng thức ăn nhanh
như McDonald’s Chicken McNuggets, khoai tây chiên, sữa lắc và sinh tố và
khoai tây chiên [11].
PDMS là polysiloxan được sử dụng rộng rãi nhất, là vật liệu cao cấp cho
các ứng dụng y sinh và chăm sóc sức khỏe. Thơng thường, polysiloxan làm vật
liệu nền, trải qua quá trình xử lý bề mặt để cải thiện các đặc tính của nó để phù
hợp hơn với các ứng dụng tương ứng. Đối với các ứng dụng như máy điều hịa
nhịp tim và ống thơng, polysiloxan được xử lý bề mặt thơng qua các quy trình
như xử lý plasma hoặc ghép hóa học [12].

1.6.1.

Hấp phụ và tương tác với tế bào

Do bản chất kỵ nước (góc tiếp xúc ~ 110°), PDMS có xu hướng tạo điều
kiện thuận lợi cho sự hấp phụ của protein trên bề mặt của nó, do đó có ảnh hưởng

8


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

rất lớn đến cách hệ thống miễn dịch hoặc tế bào tương tác với bề mặt chất nền.
Ví dụ, đặc tính này của PDMS có thể là một mối quan tâm lớn khi PDMS được
sử dụng trong các thiết bị tạo điều kiện thuận lợi cho dịng máu. Các protein bị
hấp phụ có thể dẫn đến một loạt các biến chứng như hình thành huyết khối và
cản trở lưu lượng máu. Mặt khác, bề mặt đồng trùng hợp silicone hiển thị một
hành vi hoàn toàn khác. Do sự phân tách pha của các khối khơng tương thích
nhiệt động học của chất đồng trùng hợp, các tên miền vi mơ có thể xuất hiện trên
bề mặt chất đồng trùng hợp và mặt không đồng nhất này có thể có ảnh hưởng
đáng kể đến sự hấp phụ protein và tương tác tế bào [12].
1.6.2.

Tác dụng kháng khuẩn

Bản thân polysiloxan khơng có đặc tính kháng khuẩn, do đó đối với hầu hết
các chất đồng trùng hợp silicone kháng khuẩn, các chất này thường được ghép
trên khung của polysiloxan. Để điều chế chất đồng trùng hợp silicone có đặc tính
kháng khuẩn, polysiloxan được ghép với các hợp chất cation/bậc bốn hoặc thuốc
kháng khuẩn. Để tiêu diệt vi khuẩn, thuốc kháng khuẩn được giải phóng thơng

qua sự phân cắt liên kết từ các chất đồng trùng hợp silicone và cơ chế này vẫn có
thể dẫn đến tình trạng vi khuẩn kháng thuốc [12].
1.6.3.

Tác dụng chăm sóc tóc

Tóc của con người là một sợi vi mơ dựa trên protein có chứa một lượng lớn
keratin. Silicone là một thành phần quan trọng thường được sử dụng trong các
sản phẩm chăm sóc tóc. Nó giúp làm mượt và thẳng tóc, cải thiện độ trượt và
bóng, mang lại cảm giác sang trọng và được bơi trơn. Có hai loại silicon dựa trên
cấu trúc hóa học: mạch thẳng và mạch vịng. Các silicon tuyến tính và các dẫn
xuất của chúng được sử dụng làm chất dưỡng, vì chúng có xu hướng mang lại
cảm giác rất mịn như lụa trên da sau khi các thành phần được thoa lên da. Chất
liệu silicone cũng có thể tạo thành một dạng mỏng trên sợi tóc, tạo cảm giác
mềm mượt, giảm điện tích tĩnh và cải thiện khả năng chải ướt/khơ [12].
Silicon tuần hồn với tám hoặc mười nguyên tử silicon được sử dụng phổ
biến nhất trong các sản phẩm chăm sóc mỹ phẩm. Tuy nhiên, silicon chu kỳ rất

9


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

dễ bay hơi và các tác động trên chỉ là tạm thời. Do tính bay hơi cao, silicon chu
kỳ thường được sử dụng trong thuốc xịt tóc hoặc các sản phẩm chống mồ hơi để
giúp cung cấp các thành phần hoạt tính và làm khơ nhanh chóng [12].
1.6.4.

Tác dụng chăm sóc da

Da là cơ quan lớn nhất của hệ thống liên kết bao phủ cơ thể chúng ta. Do
tương tác với môi trường bên ngồi, da đóng vai trị miễn dịch quan trọng và
hàng rào bảo vệ trong việc bảo vệ cơ thể chúng ta chống lại sự mất nước và các
mầm bệnh. Công thức dựa trên silicone xuất hiện trong các sản phẩm chăm sóc
da khác nhau, bao gồm huyết thanh, kem dưỡng da, kem, công thức chống mồ
hôi và các sản phẩm chống nắng. Nhũ tương dầu silicone trong các công thức
cung cấp một số tính chất đặc biệt của silicone, chẳng hạn như tính chất tạo màng
và tạo màng lan rộng tuyệt vời, độ bóng, cảm giác khơ ráo khơng dính.

1.7.

Độc tính
Các hợp chất silicone cụ thể như siloxan tuần hồn D4 và D5 là chất gây ơ

nhiễm khơng khí, nước và có ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe đối với động vật
thử nghiệm [13]. Chúng được sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân
khác nhau. Cơ quan Hóa chất Châu Âu phát hiện ra rằng "D4 là một chất khó tích
lũy, tích lũy sinh học và độc hại (PBT) và D5 là một chất rất bền, rất tích lũy sinh
học (vPvB)".
Các silicon khác dễ phân hủy sinh học, một quá trình được tăng tốc bởi
nhiều loại chất xúc tác, bao gồm cả đất sét. Các silicon có chu kỳ đã được chứng
minh là có liên quan đến sự xuất hiện của silanol trong quá trình phân hủy sinh
học ở động vật có vú. Các silanediols và silanetriols tạo thành có khả năng ức chế
các enzym thủy phân như thermolysin , acetycholinesterase. Tuy nhiên, liều
lượng cần thiết để ức chế cao hơn liều lượng do tiếp xúc tích lũy với các sản
phẩm tiêu dùng có chứa cyclomethicone [14].
Ở khoảng 200°C (392°F) trong bầu khí quyển chứa oxy, PDMS giải phóng
formaldehyde (nhưng lượng ít hơn so với các vật liệu thông thường khác như
polyethylene). Ở nhiệt độ này, các silicon được tìm thấy có tạo ra formaldehyde

10


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

thấp hơn dầu khống và nhựa (ít hơn 3 đến 48 µg CH2O/g.hr). Đối với cao su
silicone có độ đặc cao, so với khoảng 400 µg CH2O/g.hr đối với nhựa và dầu
khống). Ở 250°C (482°F), một lượng lớn formaldehyde đã được phát hiện được
tạo ra bởi tất cả các silicon (1.200 đến 4.600 µg CH2O/g.hr) [15].

1.8.

Tiêu chuẩn chất lượng của silicone
Theo JECFA - Ủy ban chuyên gia về Phụ gia thực phẩm của FAO và

WHO, viết tắt của The Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives,
được chuẩn bị lần thứ 69 (2008) và xuất bản trong FAO JECFA Monographs 5
(2008) thay thế các thông số kỹ thuật được chuẩn bị tại JECFA lần thứ 37 (1990),
được xuất bản trong Bản tổng hợp kết hợp các đặc điểm kỹ thuật phụ gia thực
phẩm, FAO JECFA Monographs 1 (2005) về chất phụ gia Polydimethylsiloxane
(PDMS) – Một chất hoạt động bề mặt silicone:
Công thức cấu tạo: n nằm trong khoảng từ 90 - 410

Hình 1.6 Cơng thức cấu tạo của PDMS
Bảng 1.1 Tiêu chuẩn chất lượng của PDMS
Khảo nghiệm

Hàm lượng silic khơng ít hơn 37,3% và khơng nhiều
hơn 38,5%

Cảm quan

Chất lỏng trong suốt, không màu, nhớt

Công dụng, chức năng

Chất chống tạo bọt, chất chống đơng vón

Độ hịa tan

Khơng hịa tan trong nước và trong ethanol, hịa tan
trong hầu hết các chất béo và dung môi hydrocacbon
thơm

Trọng lượng riêng

0,964 – 0,977

Chỉ số khúc xạ

1,400 – 1,405

11


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

Sự hấp thụ hồng ngoại

Phổ hấp thụ hồng ngoại màng lỏng của mẫu nằm giữa

hai tấm natri clorua thể hiện cực đại tương đối ở cùng
bước sóng với các bước sóng của việc chuẩn bị tương
tự của chuẩn đối chiếu USP Dimethylpolysiloxan

Tổn thất khi làm khô

Không quá 0,5% (150o, 4 giờ)

Độ nhớt

100 – 1500 cSt ở 25o

Chì

Khơng q 1mg/kg

12


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

2.
2.1.

CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CỦA SILICONE

Độ tan
Silicone có khả năng chống thấm nước. Silicon khơng hịa tan trong nước

hoặc nhiều loại dung mơi kỵ nước. Do những tính chất đặc biệt này, silicon được

tìm thấy trong các ngành công nghiệp đa dạng như mỹ phẩm, phân phối thuốc,
chăm sóc vải, sơn và mực,… Vì silicon khơng hịa tan trong cả nước và hầu hết
các hydrocacbon, nên một phương thức rất phổ biến để phân phối chúng là ở
dạng nhũ tương [1].

2.2.

Sức căng bề mặt

Hình 2.1 Sức căng bề mặt của chất hoạt động bề mặt polyether trisiloxan và các
chất hoạt động bề mặt hydrocacbon khác [16]
Trong số tất cả các chất hoạt động bề mặt, chất hoạt động bề mặt silicone
AG-pt (là một sản phẩm thương mại của Elkay Chemical Private Limited, Ấn
Độ, nó là một chất hoạt động bề mặt không ion gốc trisiloxan với 7 - 8 đơn vị
ethylene oxide được gắn vào khung silicone) sở hữu khả năng giảm sức căng bề
mặt nước rất thấp do sự định hướng tối ưu nhanh chóng của phân tử chất hoạt
động bề mặt silicone trên bề mặt. Ngoài ra, các chất hoạt động bề mặt silicone có
sự sắp xếp phân tử chặt chẽ hơn so với các chất hoạt động bề mặt hydrocacbon
khác; và mức độ chặt chẽ trong định hướng phân tử này ảnh hưởng đến giá trị
sức căng bề mặt của từng chất hoạt động bề mặt silicone và sự pha trộn khi có
mặt chất hoạt động bề mặt silicone (AG-pt). Khi AG-pt được pha trộn với các

13


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

chất hoạt động bề mặt hydrocacbon khác, chúng thể hiện sức căng bề mặt thấp
hơn so với các chất hoạt động bề mặt riêng lẻ. Do đó, khả năng giảm sức căng bề
mặt của AG-pt góp phần nâng cao các đặc tính bề mặt như khả năng tẩy rửa khi

có mặt các chất hoạt động bề mặt hydrocacbon khác như natri dodecylbenzene
sulfonate (SDS), lauryl alcohol ethoxylate-10 (LA-10) và nonylphenol
ethoxylate-10 (NP -10) [16].
Bonnington và cộng sự. đã tổng hợp các ete trisiloxan với một số đơn vị
oxyetylen khác nhau trong phân tử và nghiên cứu khả năng ứng dụng của chúng
với hóa chất nơng nghiệp. Các tác giả cũng nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng
đơn vị EO đến sức căng bề mặt và khả năng trải rộng. Một ete trisiloxan với 7,5
đơn vị EO có sức căng bề mặt thấp nhất (21,35 mN/m) trong khi một ete
trisiloxan với 3 đơn vị EO có sức căng bề mặt cao nhất (27,7 mN/m). Nhiều đơn
vị EO hơn trong phân tử trisiloxan hơn 7,5 đơn vị EO dẫn đến sức căng bề mặt
tăng nhẹ (22,73 mN/ m), do đó họ kết luận rằng ete trisiloxan với 7,5 đơn vị EO
là phân tử hiệu quả nhất làm tá dược hóa nơng nghiệp. Hơn nữa, họ đã so sánh
mối quan hệ giữa sức căng bề mặt và khả năng trải rộng và nhận thấy rằng sức
căng bề mặt thấp không nhất thiết mang lại sự trải rộng hiệu quả vì có một số
chất hoạt động bề mặt cho thấy sức căng bề mặt thấp hơn nhưng khả năng trải
rộng giảm [16].
Khi số lượng đơn vị EO tăng lên trong phân tử chất hoạt động bề mặt
silicone, sức căng bề mặt bị giảm vì sự tăng tính ưa nước dẫn đến nồng độ chất
hoạt động bề mặt tại bề mặt phân cách dung dịch khơng khí thấp hơn và do đó
diện tích trên mỗi phân tử tăng lên. Khi chiều dài của khung silicone giảm, sức
căng bề mặt giảm [16].

2.3.

Góc tiếp xúc
Mọi bề mặt rắn đều chứa đầy các phân tử khơng khí được hấp thụ. Do đó,

để chất lỏng nở ra trên bề mặt, trước hết chúng phải đẩy khơng khí hiện có ra
ngồi. Hiện tượng này được gọi là sự thấm ướt. Nó thường gây ra vấn đề cho
nước làm ẩm vật liệu có bề mặt kỵ nước. Tuy nhiên, vấn đề này có thể được giảm

14


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

thiểu bằng cách thêm chất hoạt động bề mặt vào nước. Khả năng thấm ướt của
các chất hoạt động bề mặt trên các chất nền khác nhau có thể được xác định bằng
cách quan sát các góc tiếp xúc của chúng, trong đó góc tiếp xúc nhỏ hơn có nghĩa
là ít khó khăn hơn trong việc làm ướt bề mặt rắn [16].

Hình 2.2 Góc tiếp xúc của chất hoạt động bề mặt polyether trisiloxan và chất
hoạt động bề mặt hydrocacbon khác [16]
Góc tiếp xúc của hỗn hợp chất hoạt động bề mặt nhỏ hơn góc tiếp xúc của
chất hoạt động bề mặt hydrocacbon nhưng lớn hơn AG-pt cho thấy rằng AG-pt
đã hỗ trợ để giảm góc tiếp xúc trên cả hai chất nền Teflon và thủy tinh. Khi chiều
dài của chuỗi nhóm kỵ nước trong phân tử chất hoạt động bề mặt tăng lên, khả
năng giảm góc tiếp xúc sẽ tăng lên đến độ lớn nhất định do độ hòa tan tối ưu và
lực cân bằng tác dụng lên bề mặt. Chất hoạt động bề mặt silicone bao gồm đặc
tính kỵ nước cũng như ưa khơ, cung cấp khả năng hịa tan tối ưu và định hướng
cân bằng dẫn đến giảm góc tiếp xúc riêng lẻ và trong hỗn hợp. Hỗn hợp các chất
hoạt động bề mặt hydrocacbon với AG-pt thể hiện khả năng thấm ướt tốt, giúp
tăng cường khả năng tẩy rửa bằng cách cho phép dung dịch tẩy rửa chạm đến đáy
vết bẩn để đánh bật trong một khoảng thời gian ngắn hơn [16].

2.4.

Tính chất làm ướt/siêu thấm/trải rộng

15

Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

Sự lan truyền hoặc thấm ướt có thể đạt được bằng cách kết hợp các polyme
hoạt động bề mặt, chất hoạt động bề mặt trong dung mơi thường có trong nước.
Người ta đã biết rằng các chất hoạt động bề mặt silicone có mặt như là chất siêu
phân tán trên các chất nền kỵ nước [16].

Hình 2.3 Cơ chế lan truyền chất hoạt động bề mặt polyete trisiloxan (a) trường
hợp không thấm ướt khi góc tiếp xúc lớn hơn 908, (b) trường hợp làm ướt một
phần nơi góc tiếp xúc nằm trong khoảng từ 0 đến 908, (c) trường hợp làm ướt
hoàn toàn nơi có giọt hồn tồn trải rộng và chỉ có thể đo góc tiếp xúc động [16]
Tốc độ lan truyền ban đầu không chịu ảnh hưởng của các lực ở mặt phân
cách giữa bề mặt rắn và dung dịch, dẫn đến kết luận rằng gradient sức căng bề
mặt của bề mặt dung dịch khơng khí đóng một vai trị quan trọng trong việc lan
truyền dung dịch chất hoạt động bề mặt trisiloxan trên các bề mặt kỵ nước [16].
Các chất hoạt động bề mặt trisiloxan siêu lan rộng cho thấy khả năng tạo
bọt rất tốt khi chúng được sử dụng cùng với các chất hoạt động bề mặt hữu cơ
như natri dodecyl sulfat (SDS) trong các hỗn hợp có tỷ lệ khác nhau. Các tính
chất thấm ướt và lan rộng là một chức năng của tính kỵ nước hoặc độ nhám của
chất nền và các đặc tính bề mặt của chất hoạt động bề mặt được sử dụng [16].

16


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

2.5.

Tính chất phân tán/Nhũ tương hóa
Nhũ tương là hệ khơng đồng nhất có chứa hai pha khác nhau phân tán trong

nhau dưới dạng các giọt với sự trợ giúp của chất nhũ hóa. Các loại chất nhũ hóa
khác nhau ổn định nhũ tương bằng cách giảm sức căng bề mặt giữa hai chất lỏng
không đồng nhất [16].
Nhũ tương có thể được ổn định bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt
silicone. Các chất hoạt động bề mặt silicone có các tính chất đặc trưng riêng của
chúng mang lại khả năng nhũ hóa vượt trội vì các khía cạnh sau [16]:
 Chúng có tính linh hoạt rất cao dẫn đến định hướng quang học nhanh chóng
tại giao diện trong khoảng thời gian rất ngắn
 Chúng thể hiện kiểu định hướng duy nhất tại bề mặt phân cách vì chúng kỵ
nước
 Ưu điểm chính của loại chất hoạt động bề mặt này là các phân tử có thể
được thiết kế theo yêu cầu bằng cách thay đổi chiều dài khung silicone, các
nhóm gắn, độ dài của nhóm gắn,….
Bản chất của các chất hoạt động bề mặt silicone có thể là ion hoặc khơng
ion tùy thuộc vào nhóm chức gắn với khung silicone. Các chất nhũ hóa này có
thể là polyme hoặc oligomeric. Các chất nhũ hóa silicone có trọng lượng phân tử
thấp hơn chỉ gắn vào bề mặt phân cách trên một hoặc vài phân đoạn, do đó năng
lượng hấp phụ tại bề mặt phân cách tương đối thấp hơn và dẫn đến sự hấp phụ
yếu ở bề mặt phân cách của hai chất lỏng. Ngược lại, các chất nhũ hóa đa chức
năng cao phân tử, trọng lượng phân tử cao hơn hấp thụ tại bề mặt phân cách
thông qua một số phân đoạn.
Tổng năng lượng hấp phụ là tổng năng lượng hấp phụ của tất cả các chất bị
hấp phụ bởi các phân đoạn khác nhau lớn hơn năng lượng hấp phụ của từng phân
đoạn riêng lẻ. Những chất nhũ hóa này có thể phục vụ cho quá trình nhũ hóa với
liều lượng rất thấp và sẽ rất hiệu quả cho sự ổn định của nhũ tương. Độ ổn định
của nhũ tương được điều chế bằng cách sử dụng chất nhũ hóa cao phân tử
silicone sẽ rất cao vì độ hấp phụ cao hơn [16].

17


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

Nhóm ưa nước như ethylene oxide (EO), propylene oxide (PO) có thể được
gắn vào khung silicone để tăng khả năng hòa tan trong nước của các phân tử
silicone. Loại phân tử này có thể được điều chế bằng cách sử dụng số lượng khác
nhau của EO và/hoặc PO vào xương sống silicone để điều chế copolyme hoặc
polyme khối để có được các đặc tính bề mặt khác nhau. Do đó, điều quan trọng là
phải biết các đặc tính bề mặt phụ thuộc trọng lượng phân tử của chất hoạt động
bề mặt silicone không ion [16].
Mặc dù chất hoạt động bề mặt silicone không ion có hiệu quả hơn trong
việc giảm sức thẳng bề mặt, nhưng chúng ít chịu được sự thay đổi pH và bắt đầu
thủy phân thành rượu chuỗi dài. Do đó các phân tử này khơng thích hợp để sử
dụng trong mọi điều kiện pH. Tất cả những nhược điểm này của chất nhũ hóa
silicone khơng ion có thể tránh được bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt
silicone dạng ion. Ưu điểm bổ sung của các chất hoạt động bề mặt ion là chúng
hoạt động như các chất điện phân đa điện tử và do đó có thể sửa đổi các đặc tính
lưu biến của các cơng thức của chúng như mong muốn, đặc biệt là trong các sản
phẩm mỹ phẩm [16].

18


Chất hoạt động bề mặt silicone và ứng dụng trong bọt polyurethane, các sản phẩm hố nơng.

3.

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA SILICONE TRONG BỌT
POLYURETHANE VÀ CÁC SẢN PHẨM HĨA NƠNG
Ứng dụng của silicone trong bọt polyurethane

3.1.
3.1.1.

Bọt polyurethane

Polyurethane (thường được viết tắt là PUR hoặc PU) dùng để chỉ một loại
polyme bao gồm các đơn vị hữu cơ liên kết với nhau bằng các liên kết cacbamat
(uretan). Trái ngược với các polyme thông thường khác như polyetylen và
polystyren, polyurethane được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu ban đầu
(monome) và do đó là một loại polyme chứ khơng phải là một hợp chất riêng
biệt. Sự đa dạng hóa học này cho phép tạo ra polyurethane có các tính chất vật lý
rất khác nhau, dẫn đến một loạt các ứng dụng khác nhau. Chúng bao gồm: bọt
cứng và linh hoạt, vecni và lớp phủ, chất kết dính, hợp chất bầu điện và các loại
sợi như spandex và PUL. Trong số này, bọt là ứng dụng đơn lẻ lớn nhất, chiếm
67% tổng lượng polyurethane được sản xuất trong năm 2016 [17].

Hình 3.1 Các tấm nhựa làm từ vật liệu chống thấm gốc Polyurethane

Hình 3.2 PU được sử dụng làm phào chỉ trong ngành xây dựng

19