Характеристики, применение и перспективы гидрофобного пирогенного кремнезема, обработанного диметилдихлорсиланом (DDS) 

В области тонкой химии и материаловедения методы модификации поверхности становятся ключевыми способами повышения эффективности наноматериалов. Среди них обработка диметилдихлорсиланом (DDS) демонстрирует исключительную эффективность в функционализации пирогенного кремнезема.
Как важный функциональный наполнитель, пирогенный диоксид кремния синтезируется путем гидролиза летучих хлорсиланов в гидроксильном пламени. Он обладает наноразмерными наночастицами (обычно 7–40 нм), высокой удельной поверхностью (от 30 до 450 м²/г) и высокоразвитой агломератной структурой.
Однако гидрофильные поверхности пирогенного кремнезема богаты силанольными (-OH) группами, проявляя сильную полярность и гигроскопичность. Это предрасполагает их к поглощению влаги и агломерации в высокополярных органических системах или влагочувствительных средах, что приводит к снижению диспергируемости и ухудшению стабильности продукта.
Для устранения этих ограничений появился гидрофобный пирогенный диоксид кремния, а технология обработки диметилдихлорсиланом (DDS) стала ключевым подходом для достижения гидрофобной модификации поверхности.

Технология и механизм гидрофобной модификации

Гидрофобный пирогенный диоксид кремния получают путем модификации поверхности гидрофильного пирогенного диоксида кремния, обычно с использованием таких модификаторов, как диметилдихлорсилан (DDS), гексаметилдисилазан (HMDS) и полидиметилсилоксан (PDMS).

После модификации поверхности гидроксильные группы на поверхности кремнезема либо вступают в реакцию, либо экранируются, придавая материалу гидрофобность.

Механизм модификации DDS включает реакцию силанизации, при которой силанные группы (-OH) на гидрофильной поверхности кремнезема химически реагируют с диметилдихлорсиланом. Это эффективно экранирует полярность поверхности, значительно снижая поверхностную энергию и придавая гидрофобность наряду с органической аффинностью.

Эта модификация не только снижает гигроскопичность, но и улучшает диспергируемость и реологический контроль в органических средах.

Примечательно, что гидрофобная обработка не просто «маскирует» полярность, а обеспечивает контролируемую регулировку поверхностной энергии посредством молекулярного дизайна, тем самым адаптируясь к системам с различной полярностью.

Характеристики и отличия продуктов, модифицированных DDS

С помощью технологии DDS можно получить гидрофобные продукты из пирогенного кремнезема с различными характеристиками, типичными примерами которых являются HB-151 и HB-152, производимые АО Хубэй Хуэйфу Наноматериалы

Гидрофильный пирогенный кремнезем с удельной поверхностью 150 м²/г подвергается обработке DDS, в результате чего получается гидрофобный пирогенный кремнезем HB-151. В то время как обработка гидрофильного пирогенного кремнезема с удельной поверхностью 200 м²/г с помощью DDS дает гидрофобный пирогенный кремнезем HB-152.

Эти два сорта продукта имеют явные различия в ключевых параметрах: HB-152 обладает удельной поверхностью по BET в диапазоне 170±30 м²/г и содержанием углерода 0,8–1,6%; то HB-151 имеет удельную поверхность по БЭТ 120±30 м²/г и содержание углерода 0,6–1,2%.

Эти различия в структурных параметрах придают HB-152 превосходные гидрофобные, загущающие тиксотропные, прозрачные и армирующие свойства по сравнению с HB-151.

С точки зрения физико-химических свойств, гидрофобный пирогенный кремнезем, обработанный DDS, демонстрирует выдающуюся стабильность. На примере HB-152 его потеря при сушке (после 2 часов при 105 °C) составляет ≤0,7%, потеря при прокаливании ≤2,5%, содержание кремнезема ≥99,8%, а pH суспензии (концентрация 4%) ≥3,9.

Реологический контроль и эксплуатационные характеристики

Исследователи изАО Хубэй Хуэйфу Наноматериалы обнаружили, что с точки зрения эксплуатационных характеристик гидрофобный пирогенный диоксид кремния, обработанный DDS, в первую очередь влияет на реологию покрытия за счет водородных связей поверхностных силанольных групп и запутывания молекул обрабатывающего агента.

Благодаря своей гидрофобности он легко взаимодействует с неполярными органическими молекулами в системах покрытий, образуя рыхлую сетевую структуру.

На примере УФ-покрытий, когда добавление гидрофобного пирогенного кремнезема HB-151 увеличивается с 0,5% до 2%, вязкость при низких скоростях сдвига повышается с 400 Па·с до 2800 Па·с, что составляет 600% увеличение. При высоких скоростях сдвига вязкость также увеличивается с 420 Па·с до 1050 Па·с, что представляет собой рост на 150%, в то время как тиксотропное значение увеличивается с 0,9 до 2,8, сохраняя рост примерно на 210%.

Это уникальное реологическое поведение позволяет гидрофобному пирогенному кремнезему, обработанному DDS, находить широкое применение в различных отраслях промышленности, включая силиконовый каучук, вулканизируемый при комнатной температуре (RTV), электронные герметики, клеи и герметики, покрытия, краски и порошковые покрытия.

Система адаптации и применения полярности

Согласно принципу согласования полярности, материалы с более низкой поверхностной энергией легче диспергируются в средах с низкой полярностью, тогда как системы со средней и высокой полярностью требуют умеренно полярных наполнителей для уравновешивания межфазных сил.

Гидрофобный пирогенный диоксид кремния, обработанный DDS, благодаря своей чрезвычайно низкой поверхностной энергии, особенно подходит для систем с низкой полярностью, таких как MSPolymer (модифицированный силаном полиэфир), STP-E, полиакрилаты и полисульфиды. Эти системы обладают слабыми межмолекулярными силами, что требует использования гидрофобного пирогенного диоксида кремния с минимальной поверхностной энергией, такого как HB-151 или HB-152. Как правило, эти продукты подвергаются глубокой алкилирующей модификации и демонстрируют сильную ван-дер-ваальсовую связь с матрицей, обеспечивая эффективное загущение, тиксотропность и упрочняющий эффект.

Напротив, системы со средней и высокой полярностью, такие как полиуретаны, полиолы, полиамиды, эпоксидные смолы и виниловые смолы, требуют гидрофобных продуктов, сохраняющих незначительные полярные участки на своей поверхности. Такой подход предотвращает чрезмерную агломерацию, позволяя остаточным силанольным группам или специально введенным полярным функциональным группам участвовать в межфазных взаимодействиях, что может даже способствовать реакциям сшивания.

Перспективы рынка и направления будущего развития

В связи с постоянно растущим мировым спросом на высокоэффективные материалы рыночные перспективы гидрофобного пирогенного кремнезема исключительно многообещающие. Особенно в секторах с жесткими требованиями к адгезионным свойствам, таких как высокотехнологичная герметизация электронных компонентов, склеивание лопастей ветряных турбин и структурные клеи для аэрокосмической промышленности, применение гидрофобного пирогенного кремнезема, обработанного DDS, будет способствовать повышению эффективности и надежности в этих областях.

В фотоэлектрической промышленности гидрофобный пирогенный диоксид кремния значительно повышает атмосферостойкость, озоностойкость и химическую коррозионную стойкость фотоэлектрических адгезивов, позволяя им выдерживать сложные и изменчивые условия внешней среды. Как важный материал для герметизации солнечных фотоэлектрических модулей, характеристики фотоэлектрических адгезивов напрямую влияют на надежность и срок службы этих модулей.

В будущем, по мере углубления технологий модификации и накопления данных о применении, выбор пирогенного кремнезема перейдет от эмпирических к научным принципам, эволюционируя от общих к индивидуальным рецептурам. В конечном итоге он станет мощным катализатором промышленных инноваций.

Являясь ключевым направлением гидрофобной модификации, технология обработки DDS будет продолжать развиваться в направлении точности и функциональности, предлагая индивидуальные решения для удовлетворения специальных требований различных отраслей промышленности.

Гидрофобный пирогенный диоксид кремния стал незаменимым функциональным наполнителем в современной химии и материаловедении. Благодаря постоянному совершенствованию технологий модификации поверхности, этот материал может заменить традиционные сырьевые материалы в более высокотехнологичных областях применения, тем самым придавая новый импульс инновациям и развитию в промышленности и производстве.