【背景及概況】[1][2]
有機(jī)硅材料以其獨(dú)特優(yōu)異的性能和多種多樣的產(chǎn)品形態(tài)，作為基礎(chǔ)材料、改性材料或輔助材料，被廣泛應(yīng)用于各產(chǎn)品業(yè)領(lǐng)域，尤其在建筑、電子電氣、紡織、通訊、汽車日化行業(yè)中，已擁有不可替代的地位。自20世紀(jì)40年代美國發(fā)明直接法生產(chǎn)甲基氯硅烷以來，發(fā)展至今，全球甲基氯硅烷質(zhì)量已超過160萬噸/年，有機(jī)硅材料年銷售額實(shí)現(xiàn)80億美元。國內(nèi)市場對有機(jī)硅材料的需求近十年平均增長率高達(dá)35%，其應(yīng)用領(lǐng)域的大概構(gòu)成是：建筑30%，電了電氣20%，紡織20%，輕工10%，化工10%，其它10%。在建筑行業(yè)中，以橡膠形態(tài)用作各類用途的密封劑；以液態(tài)形式（包括乳液）用作防水劑，改性涂料和建材添加劑。后者又分為水溶型和溶劑型兩種。從結(jié)構(gòu)上則可分為烷基硅醇鹽、硅烷、硅樹脂溶液、硅樹脂乳液或微粉。有機(jī)硅材料以其優(yōu)異的疏水性、透氣性、耐候性與絕大多數(shù)建材親合性及生理惰性，成為建筑防水劑與添加劑的首選品種。有機(jī)硅防水系列產(chǎn)品有：水溶性：FS-101、F-S102、FS-106、202乳液、美加涂、水獺、居家樂、硅丙乳液、硅丙內(nèi)外墻涂料；溶劑型：含氫油、有機(jī)硅透明樹脂；密封劑：硅酮密封膠。
甲基硅酸鉀具有優(yōu)異的頁巖抑制作用，明顯強(qiáng)于目前油田常用的另一種有機(jī)硅類頁巖抑制劑—甲基硅酸鈉。抑制機(jī)理分析結(jié)果表明，甲基硅酸根陰離子能夠吸附在膨潤土顆粒的邊、角位，使原本相對親水的膨潤土顆粒表面轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬κ杷?，從而阻止水分子向蒙脫石層間的侵入。此外，低水化能的鉀離子能夠通過陽離子交換作用抑制蒙脫石的離子水化。具有疏水作用的甲基硅酸根陰離子與低水化能的鉀離子能夠起到協(xié)同增效的作用，從而極大地抑制膨潤土的水化膨脹，這也是甲基硅酸鉀的抑制性能明顯優(yōu)于甲基硅酸鈉的原因。
【特性】[3]
固體含量>30%，有機(jī)硅固體含量>20%，堿性固體10%，游離堿<3%，粘度(20℃) 10-6m2/s，相對密度(20℃)1.25-1.25，稀釋劑為水，外觀無色或黃色。
【合成】[3]
1)甲基三氮硅烷的水解縮合反應(yīng)：將甲苯1205和水2409裝入三口燒瓶，
再將甲基三氯硅烷1205和甲苯609裝入滴液漏斗中，開動攪拌使水與甲苯在三口瓶內(nèi)分散均勻，然后從滴液漏斗中滴加甲基三抓硅烷甲苯溶液，在較低的溫度下進(jìn)行反應(yīng)。加完料后在室溫下攪拌30min，反應(yīng)結(jié)束。將反應(yīng)物倒入分液漏斗中靜置過濾，水洗至中性，最后得到水解物：
2）甲基硅樹脂的堿溶反應(yīng)：將甲基硅樹脂甲苯溶液加入裝有攪拌器、溫度計及滴液漏斗的三口玻璃燒瓶中。按需要決定KOH的mol數(shù)，把它配成40%水溶液，裝于滴液漏斗中。在攪拌下從滴液漏斗中把40%濃度的KoH溶液滴入燒瓶內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，滴加反應(yīng)在低溫下進(jìn)行，加完堿后攪拌3h。甲苯可回收利用。將固體產(chǎn)物用紅外線燈烘去大部分溶劑，然后放入烘箱中于70℃干燥。產(chǎn)品保存在密封干燥器內(nèi)：
【防水機(jī)理】[1]
水溶性有機(jī)硅建筑防水劑的主要成份是甲基硅酸鈉（或鉀）溶液。它是用純度95%以上的甲基三氯硅烷（5%的二甲基二氯硅烷為主）在大量水中水解，產(chǎn)生的沉淀物過濾并用水洗滌至中性，得甲基硅酸中間體，再與NaOH水溶液混合，加熱90-95℃約2小時，然后加水，過濾得到甲基硅酸鈉溶液。其中NaOH與Si的比例影響水溶性：
質(zhì)物實(shí)際上是具有3-5個硅原子的水溶性聚合物。也可以采用甲基氯硅烷混合物分餾所得的殘液為原料與NaOH反應(yīng)，但稠度不易控制；如果采用純度達(dá)99%以上的甲基三氯硅烷為原料，則產(chǎn)品具有更穩(wěn)定的性能。
甲基硅酸鈉易被弱酸分解，當(dāng)遇到空氣中的二氧化碳和水時，會分解成甲基硅酸并生成碳酸鈉，甲基硅酸很快地聚合成聚甲基硅氧烷，如下：
硅酸基的化學(xué)性質(zhì)活潑，當(dāng)防水劑涂于硅酸鹽建材表面上時，它與材料表面的游離羥基（這些羥基也可看成是硅酸基）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成材料表面與防水劑之間的化學(xué)鏈連接，并使建材表面結(jié)構(gòu)與有機(jī)硅樹脂相同，表面張力降低到硅樹脂表面張力的水平，涂層分子中：
甲基朝向外面，它的氫原子與水的氫原子相互排斥，使水分子難與水的氧接近，形成了一個以甲基據(jù)的相界面，產(chǎn)生了憎水的效果。
【應(yīng)用】[4][5]
1. 甲基硅酸鉀經(jīng)常在工業(yè)方面用作疏水材料的制備，但在科學(xué)研究方面用的較少， 在紙張古籍方面的應(yīng)用更是首例。本發(fā)明利用PMS可以與酸性紙里面的酸或空氣中的 CO2發(fā)生反應(yīng)的特性對紙張進(jìn)行脫酸和加固。該反應(yīng)會生成主產(chǎn)物硅醇以及副產(chǎn)物碳 酸鉀。其中，硅醇可以與紙張內(nèi)部的纖維素羥基形成氫鍵，大幅提高紙張的力學(xué)性能； 碳酸鉀可以附著在紙張的表面，為其提供一定的堿儲量，阻止酸的進(jìn)一步入侵。上述反應(yīng)的反應(yīng)方程式如下所示：
利用該方法對紙張進(jìn)行處理，紙張的疏水性能明顯提高，這樣可以防止水分入侵 對纖維素的溶脹作用，并且減少纖維素的水解，不僅如此，紙張疏水的表面有效減少 微生物的附著，并且抑制微生物的生長，從而減小了紙張的蟲蛀、腐蝕情況。且將紙 張進(jìn)行老化處理后，各項(xiàng)性能仍然比處理之前有很大程度地提高。該方法可對不同種類，不同酸化程度的紙張進(jìn)行處理，且脫酸效果明顯，力學(xué)性 能提高效果良好，紙張字跡不受影響，紙張外觀變化不大。由此可見，本發(fā)明具有普遍適用性。
2. 把木材浸泡到甲基硅酸鉀的水溶液中，通入二氧化碳?xì)怏w，甲基硅酸鉀與二氧化碳在木材表面原位反應(yīng)，生成低表面能的硅烷，在木材表面形成一層超疏水層。具體涉及一種超疏水性木材的制備方法，按以下步驟進(jìn)行：1）按甲基硅酸鉀的濃度為0.1%～20%（質(zhì)量）配制甲基硅酸鉀水溶液；2）將木材浸沒于經(jīng)步驟一制備的甲基硅酸鉀水溶液中保持5h～30h；3）在保持甲基硅酸鉀水溶液的溫度為10℃～80℃的條件下，調(diào)節(jié)甲基硅酸鉀水溶液的pH值為9～13.5；4）向甲基硅酸鉀水溶液中通入二氧化碳?xì)怏w，當(dāng)甲基硅酸鉀水溶液的pH值為7～8.8時停通入二氧化碳?xì)怏w；5）靜置0.1h～30h后，把木材放于真空干燥箱中，在真空度為0.070MPa～0.095MPa、溫度為40℃～140℃的條件下干燥10min～10h，得到超疏水性木材。
該超疏水性木材與水的接觸角大于150，滾動角小于10°，具有超疏水性質(zhì)，在木材表面形成的涂層，可以避免使用涂料帶來的污染，而且該層無毒無異味，是一種環(huán)保材料，不會對人體健康和環(huán)境造成不良影響，使木材具備了自清潔功能的同時，還可以起到提高木材本身機(jī)械強(qiáng)度、物理、力學(xué)強(qiáng)度、克服木材自身易腐性、易燃性、尺寸不穩(wěn)定性、各向異性、變異性、不耐候性的缺陷。經(jīng)本發(fā)明的方法得到的超疏水性木材在木材表面原位生成硅烷，本發(fā)明的方法工藝簡單，不需要加壓處理，更不用復(fù)雜的專用設(shè)備，生產(chǎn)成本低，能耗小。
【參考文獻(xiàn)】
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[2] 蔣官澄, 王金樹, 宣揚(yáng). 甲基硅酸鉀頁巖抑制劑的性能評價與作用機(jī)理[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2014 (8): 6-10.
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[5] 王成毓;劉常瑜.一種超疏水性木材的制備方法. CN201010221285.3，申請日2010-07-08