Материалы на основе силикатов четвертичных аммониевых оснований

Силикаты четвертичного аммониевого основания (QAS), органо-минеральные поверхностно-активные вещества общей формулы [R¹R²R³R⁴]N)₂(SiO₂)_n-1SiO₃, где R¹, R², R³, R⁴ различные органические радикалы. По сравнению с силикатами натрия/калия, стабильные водные растворы QAS могут легко иметь n (модуль) в размере 5−10 и более. Вариации модуля и радикалов разрешают изменения свойств QAS в очень широком спектре [8]. QAS совместимы с большинством минеральных и органических соединений при достаточно высоком рН, чтобы избежать осаждения кремнезема. QAS имеют хорошую адгезию к гидрофильным и гидрофобным поверхностям и имеют следующие применения:

• 1) в качестве четвертичных аммониевых соединений:
  • — в качестве биоцидов;
  • — в качестве катализаторов;
  • — в текстиле (если имеют две длинные цепочки) — текстильные смягчители для домашнего использования;
  • — в качестве ополаскивателя в посудомоечной машине;
  • — как ополаскивать после шампуня, эмульгаторов;
  • — в металлообработке — в качестве добавки к кислотам, используемым в процессах очистки и травления стали для предотвращения водородной коррозии;
  • — в дорожном строительстве, при бентонитовой обработке масляных разливов;
  • — для антистатической обработки полимеров, например, ПВХ бельтинга;
  • — для приготовления высококачественного тонера;
  • — в качестве компонентов в специальных систем очистки воды [53];
  • — в качестве компонентов, самотвердеющих смесей для изготовления химически стойких материалов и в качестве добавок в бетон и шпаклевки [54];
  • — в структурно-направляющие агенты, напр., для синтеза молекулярных сит с высокомодульным кремнеземом [55];
  • — в качестве сырья для приготовления органосилоксанов [56];
  • — агрегированные пигментные продукты на основе диоксида титана, содержат QAS для пигментной подготовки [57];
• 2) как силикаты:
  • — для гидрофильных смесей медицинского назначения [55];
  • — как связующие вещества для бетона;
  • — для армирования бетона и других строительных направлений;
  • — для покрытий, футеровок и замазок.

Композиции на основе QAS обеспечивают покрытия, характеризующиеся отличной адгезией, термостойкостью, огне — и коррозионной стойкостью. В зависимости от добавок, они могут быть изоляторами или электрическими проводниками.

Однако, разработка QAS и материалов на их основе является очень сложным процессом из-за трудностей в моделировании QAS систем. Оксид кремния и твердые QAS имеют разветвленные сшитые структуры, которые недоступны для традиционных методов моделирования.

Существующие методы исследования, таких процессов включают в себя два принципиальных подхода: случайное моделирование методом Монте-Карло и термодинамическое описание.

Подход Монте-Карло рассматривает твердофазный процесс формирования микропористого кластера, как случайный процесс, в котором, изначально пустое, пространство делится на ячейки, каждая из которых может быть, в конечном счете, заполнена твердыми частицами (диоксидом кремния). Вероятность такого события предполагается независимой от предыстории процесса. Главный недостаток этого подхода состоит в игнорировании определения этого процесса. Поэтому такое приближение применимо только к твердотельным структурам с очень низкой плотностью, в которых вероятность соседства двух или более пустых ячеек является незначительным [58−60]. Применимость подхода Монте-Карло ограничена тремя главными факторами: ограниченностью изучаемой системы (для разных мощностей компьютеров, от несколько тысяч до несколько миллионов клеток), ничтожностью поверхностного натяжения, и абсолютной случайностью процессов образования микропор. Следовательно, обоснованность метода Монте-Карло для большей части реальных системах очень сомнительна.

Альтернативный подход касается термодинамического определения рассматриваемого процесса, без учета возможности осаждения кремнезема [61,62]. Термодинамический подход использует макроскопическое описание, основанное, в основном, на том или ином распределении структурных элементов в энергии. Этот подход вполне применим к системе, состоящей из очень большого числа клеток, и позволяет получить очень важную информацию о микропористой системе и зависимости ее свойств от условий приготовления. Однако, поскольку распределение энергии, не относится непосредственно к внутренней площади поверхности, то при этом она не может быть найдена из уравнения термодинамической модели [9,63].

Была рассмотрена проблема агрегации кремнезема из раствора четвертичного аммониевого основания в ограниченном объеме. Система была описана моделью, объединяющей метод Монте-Карло с термодинамическими ограничениями. Термодинамические характеристики были оценены с помощью статистического полимерного метода (предположение равновесия). Модель была использована для оценки таких характеристик, как концентрация мономера и извилистость. Результаты компьютерного моделирования были использованы для прогнозирования свойств покрытий и практической подготовки образцов с покрытием композициями на основе силиката четвертичного аммониевого основания [64,65].