I silani Garsil sono componenti che hanno come base l’atomo di silicio: il silicio è l’elemento centrale dei silani e come il carbonio forma quattro legami.
Grazie alla sua elettropositività, il silicio non forma doppi legami stabili e subisce molte reazioni interessanti. Attaccando un gruppo funzionale al silano si ottiene un composto estremamente reattivo.
Come potremo vedere in seguito, essendo molto reattivi i Garsil reagiscono immediatamente con l’acqua per formare silanoli, caratterizzati da gruppi OH terminali.
Più silanoli reagiscono tra loro, quindi formano legami silossanici molto stabili che, contemporaneamente, possono reagire con i gruppi ossidrili dei metalli, vetro rame ecc. formando un legame SiO molto forte sulla superficie del substrato (condensazione). Per questo motivo i Garsil vengono utilizzati anche come promotore di adesione.
I silani organofunzionali GARSIL svolgono un ruolo molto importante perché combinano un gruppo organico reattivo e la funzionalità inorganica di un alchilsilicato in un’unica molecola.
Questa caratteristica dei silani Garsil fa sì che possano essere usati come ponti molecolari tra polimeri organici e materiali inorganici. La scelta del gruppo funzionale X (ammino, epossi, glicidossi, isocianato, metacrilossi, etc..) dipende dalla natura del polimero organico. Il legame con il materiale inorganico è influenzato dal tipo di gruppo funzionale –OR (generalmente metossi o etossi).
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La nostra storia
lunga un secolo
Garzanti Specialties ricerca, valida, e distribuisce non solo una vasta gamma di prodotti nei settori
tradizionali ma anche di ingredienti per una più ricca, sana, ed equilibrata alimentazione umana e animale.
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tradizionali ma anche di ingredienti per una più ricca, sana, ed equilibrata alimentazione umana e animale.
È quasi un secolo che…
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Cosa sono i silani
I silani Garsil sono componenti che hanno come base
l’atomo di silicio: il silicio è l’elemento centrale dei silani e
come il carbonio forma quattro legami.
Grazie alla sua elettropositività, il silicio non forma doppi legami
stabili e subisce molte reazioni interessanti. Attaccando un
gruppo funzionale al silano si ottiene un composto
estremamente reattivo.
Come potremo vedere in seguito, essendo molto reattivi i Garsil
reagiscono immediatamente con l’acqua per formare silanoli,
caratterizzati da gruppi OH terminali.
Più silanoli reagiscono tra loro, quindi formano legami silossanici
molto stabili che, contemporaneamente, possono reagire con i
gruppi ossidrili dei metalli, vetro rame ecc. formando un legame
SiO molto forte sulla superficie del substrato (condensazione).
Per questo motivo i Garsil vengono utilizzati anche come
promotore di adesione.
I silani organofunzionali GARSIL svolgono un ruolo molto
importante perché combinano un gruppo organico reattivo e la
funzionalità inorganica di un alchilsilicato in un’unica molecola.
Questa caratteristica dei silani Garsil fa sì che possano essere
usati come ponti molecolari tra polimeri organici e materiali
inorganici. La scelta del gruppo funzionale X (ammino, epossi,
glicidossi, isocianato, metacrilossi, etc..) dipende dalla natura del
polimero organico. Il legame con il materiale inorganico è
influenzato dal tipo di gruppo funzionale –OR (generalmente
metossi o etossi).
5. 5
Introduzione generale
alla chimica dei silani
Garsil
• Chimica di base dei Silani
• Concetto di Idrolisi e
Condensazione
• Funzionalità e Beneficts
• Meccanismi e Cinetiche
di Reazione
• Tecniche di Applicazione
• Pre trattamento o
aggiunta in
formulazione?
• Selezione dei Silani
• Conclusioni
8. 8
I Silani sono molecule Bi-Funzionali
Chimica di base dei silani
Contengono una parte organica , in grado di legarsi o interagire con polimeri o matrici organiche.
9. 9
I Silani sono molecule Bi-Funzionali
Chimica di base dei silani
La seconda funzionalità consiste in uno o più gruppi idrolizzabili in grado di legarsi o interagire con molecole inorganiche,
dopo reazioni di idrolisi e condensazione.
11. 11
Meccanismi di reazione dei gruppi
funzionali dei silani
Concetto di Idrolisi e Condensazione
1- Idrolisi
Mineral substrate or interface
2a - Condensazione – Adesione su superficie e/o coupling
Idrolisi e Condensazione: reazione in due passaggi
12. 12
Meccanismi di reazione dei gruppi
funzionali dei silani
Concetto di Idrolisi e Condensazione
1- Idrolisi
2b – Condensazione - Crosslinking
Idrolisi e Condensazione: reazione in due passaggi
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Struttura di un Silano
Organofunzionale
Funzionalità e Benefits
Y—R’_Si_OR3
Y - Gruppo Organofunzionale
Epossidico
Metacrilico
Mercapto (SH)
Polisulfur (Sx), etc.
Ammina primaria o secondaria
Alchil o Aril
Alchil
Isocianato
Urea
Vinil
etc.
OR - Gruppo Idrolizzabile
Me-O-
Et-O-
i-Pr-O-
15. 15
Silani Organofunzionali
Funzioni Primarie
Funzionalità e Benefits
Promotore di Adesione
• Fornisce un’ interfaccia di adesione chimica molto forte – miglioramenti significative in condizione umide.
Coupling Agents
• Aiuta a migliorare il legame tra fibre o polveri minerali con le matrici polimeriche – miglioramento delle proprietà meccaniche.
• Migliora il legame dei fillers minearil con gomme e plastiche , prevenzione dell’ assorbimento di acqua mantenendo proprietà di isolamento elettrico
e proprietà Meccaniche invariate.
• Miglioramento delle proprietà DMA di elastomeri caricati con fillers.
• Miglioramento della compatibilizzazione tra I pigmenti e le matrici polimeriche (miglior ritenzione del colore).
As Crosslinkers
• Legare o unire tra loro molecole polimeriche modificate con silano mediante legami chimici per formare reti.
• Migliorare le proprietà chimiche, ambientali, meccaniche e termiche.
16. 16
Silani Organofunzionali
sono utilizzati anche per:
Funzionalità e Benefits
Come water/moisture scavengers
• Sfruttando la reazione dei silani con l'umidità.
• Il silano selezionato deve consumare tracce di acqua prima delle altre specie sensibili all'umidità presenti nella formulazione.
Come modificatore della tensione superficiale
• Uso di un silano a lunga catena alchidica (ad es. da C3 a C16) per conferire un comportamento idrofobico a una matrice porosa (calcestruzzo, gesso).
• Uso di un silano con un gruppo organico idrofilo per disperdere meglio i riempitivi o i pigmenti nelle soluzioni a base d'acqua (si prevede una
viscosità inferiore o un carico di riempimento superiore) Garsil Octeo.
• Cementi e TIO2 principalmente nell'edilizia.
18. 18
Reazione dei silani con le superfici
Meccanismi e Cinetiche di Reazione
1. Reazione con Acqua – Reazione di Idrolisi
H2N(CH2)3 Si (OCH3)3 H2 N(CH2)3 Si OH + 3 CH 3 OH
Garsil AMMO
OH
H2O
2. Formazione del legame con il substrato – Reazione di Condensazione
H2 N(CH2)3 Si OH + HO Si H2 N(CH 2)3Si O Si
OH OH
- H2O
Superfice del silanolo Superfice funzionalizzata
19. 19
Reazione dei silani con le superfici
Meccanismi e Cinetiche di Reazione
Sfere di vetro non trattate Sfere di vetro trattate con amminosilano
20. 20
Utilizzo degli alcossi silani
Meccanismi e Cinetiche di Reazione
Gli alcossi silani devono essere convertiti in silanoli reattivi mediante idrolisi
Y-R’-Si(OR)3 + 3H2O Y-R’-Si (OH)3 + 3ROH
21. 21
Parametri della struttura del silano
che influenzano l’idrolisi
Meccanismi e Cinetiche di Reazione
• I gruppi X idrolizzabili sono scelti per controllare la velocità di idrolisi.
• I gruppi X più voluminosi sono più lenti da idrolizzare
• Il gruppo metile sull'atomo di silicio rallenta l'idrolisi => un di-alcossisilano è significativamente più lento del suo equivalente tri-alcossi
• Gruppi Y reattivi scelti per la reattività organica - influenzano la cinetica di idrolisi e condensazione dei gruppi alcossi
• Solubilità del silano in acqua Ponte R scelto per la convenienza sintetica e la compatibilità con le resine
• La catena R più lunga tende a diminuire la reattività del silano
• Fattori sterici e polari
Y-R-Si-Men X3-n
22. 22
L’impatto dell’ambiente sull’idrolisi
dei silani
Meccanismi e Cinetiche di Reazione
• Concentrazione dei silani in acqua
• Catalisi acida e basica specifica
• Condizioni di Temperatura
23. 23
Silani organofunzionali: equilibrio tra
velocità di polimerizzazione e stabilità
Meccanismi e Cinetiche di Reazione
• Rate of Hydrolysis minimal at pH = 7
• Rate of Condensation minimal at pH = 4-5
25. 25
Tasso di condensazione dei silanoli
Meccanismi e Cinetiche di Reazione
Per reticolare o accoppiare, i trioli di silano devono condensare per formare legami silossanici
La Condensazione è influenzata da:
• Fattori sterici e polari
• Accellerata da gruppi che sottraggono elettroni
• Rallentata dall’ ingombro sterico
• Concentrazione dei silani dell’ acqua
• Condensazione rallentata a 4-5 pH
2 (HO)3Si-R’-Y Y-R’-Si(OH)2-O-Si(OH)2-R’-Y + H2O
26. 26
Tasso di condensazione dei silanoli
Meccanismi e Cinetiche di Reazione
Per reticolare o accoppiare, i trioli di silano devono condensare per formare legami silossanici
La Condensazione è influenzata da:
• Fattori sterici e polari
• Accellerata da gruppi che sottraggono elettroni
• Rallentata dall’ ingombro sterico
• Concentrazione dei silani dell’ acqua
• Condensazione rallentata a 4-5 pH
2 (HO)3Si-R’-Y Y-R’-Si(OH)2-O-Si(OH)2-R’-Y + H2O
28. 28
Silani come crosslinker
Tecniche di Applicazione
functional
silane Si(OR)3
Si(OH)3
H2O
- ROH
- H2O
catalyst
[catalyst and/or
peroxide]
thermoplastic
polymer Si O Si
OH
OH OH
OH
crosslinked
polymer
29. 29
Silani come coupoling agent
nei primers
Tecniche di Applicazione
Sistemi con isocianato reattivo
Glass
Si
Si
Si
OH
OH
OH
30. 30
Silani come coupoling agent
nei primers
Tecniche di Applicazione
Sistemi con isocianato reattivo
Glass
Si
Si
Si
O - Si-CH2CH2CH2-NH2
O
O
O - Si-CH2CH2CH2-NH2
O - Si-CH2CH2CH2-NH2
31. 31
Silani come coupoling agent
nei primers
Tecniche di Applicazione
Sistemi con isocianato reattivo
Glass
Si
Si
Si
O - Si-CH2CH2CH2-NH-C-NH
O - Si-CH2CH2CH2-NH-C-NH
O - Si-CH2CH2CH2-NH-C-NH
O
O
O
O
O
Coating
C
C
C
32. 32
Gestione dei silani Garsil
Tecniche di Applicazione
• I silani sono dei prodotti chimici liquidi
• Acciaio inox e teflon, sono i materiali di costruzione per i contenitori di stoccaggio, pompe, guarnizioni, ecc.
• Generalmente a bassa viscosità
• Nella maggior parte dei casi è possibile l'erogazione a pompa o a spruzzo
• Alcuni sono volatili
• Molti hanno un basso valore di punto di infiammabilità
• Sensibili all'umidità
• Mantenere il contenitore chiuso tra un uso e l'altro, coprire con un'atmosfera asciutta/interma.
• Manipolare sempre secondo le raccomandazioni della scheda di sicurezza
33. 33
Metodo di applicazione del silano
rispetto al funzionamento previsto
Tecniche di Applicazione
Ruolo del Silano Tecnologia Applicativa correlata
Primer Pre-trattamento del substrato
Filler coating
- coupling
- dispersione
- Controllo della reologia
Pre-trattamento della superficie
Crosslinker
Co-monomero
Additivazione in miscela
Coupoling agent
Promotore di adesione
Additivazione in miscela
Moisture scavenger
Additivazione in miscela
Pre-trattamento della superficie
Modificazione della tensione
superficiale
Pre-trattamento della superficie
Additivazione in miscella
Post-trattamento
34. 34
Gestione dei silani Garsil
Tecniche di Applicazione
Vantaggi
• Utilizzo più efficiente del silano
• Problemi di stabilità minimi
• Può essere utilizzato come metodo di screening rapido per la selezione del silano
Svantaggi
• Processo a due fasi
• Difficile sapere se è stato applicato il primer.
• I benefici del trattamento con silano possono essere limitati nel tempo.
• Metodo
• 0,5 - 5,0 % in peso di silano disciolto in solvente.
• Si consiglia il 95/5 wt% di IPA/acqua.
• È necessaria una regolazione del pH per i prodotti non amminici.
38. 38
Metodi di applicazione del silano:
Additivazione in miscela
Pre-trattamento o aggiunta in formulazione
Vantaggi
• Sistema a pacchetto unico
• Processo in un'unica fase
Svantaggi
• L'idrolisi/condensazione del silano può causare problemi di stabilità allo stoccaggio (shelf-life).
• Il silano si diffonde nella maggior parte della matrice polimerica, non solo all'interfaccia, dove è previsto.
• Può avere un impatto sulle proprietà del polimero (questo può anche essere un vantaggio).
Metodo
• 1,0 - 3,0 parti per cento parti di resina (phr)
39. 39
Efficacia del silano rispetto al
substrato utilizzato
Pre-trattamento o aggiunta in formulazione
41. 41
Selezione del silano rispetto al ruolo e
alla matrice polimerica
Selezione dei silani
Acrilica
• Silani Acrilici / metacrilici Garsil Memo (modifica polimero)
• Amminosilani Garsil Ameo, Garsil Ammo , epossisilani Garsil Glymo
Uretanica
1K
• Amminosilani, (modifica polimero)
• Epossisilani (in Blend)
2K
• Amminosilani (attenzione!), epossisilani nella componente isocianato
Epossidica
• Amminosilani Epossilani
Sistemi a secco 1
42. 42
Selezione del silano rispetto al ruolo e
alla matrice polimerica
Selezione dei silani
Resine Siliconiche
• Applicazione in sigillanti siliconici Garsil Ammo, Garsil VTMO Garsil DAMO Garsil Oil
Come Crosslinkers
• Alcossi: Garsil MTMS, acetossi Garsil MTAS o ossimasilani Garsil MOS, Garsil VOS,in base alla chimica prevista dal silicone
• Promotori di adesione
Amminosilani Garsil Ammo, Garsil Ameo, Garsil Damo
Polisolfuri
• Garsil MTMO, amminosilani Garsil Ameo, epossisilani Garsil Glymo
Polimero ibrido STP , Sigillante MS
• Crosslinkers
Amminosilani secondari Garsil 1401
• Promotore di Adesione
Amminosilani Garsil Ameo, Garsil Ammo, Garsil Damo, amminosilani oligomerici Garsil 1146
• Moisture scavenger
Vinil trimetossisilano Garsil VTMO, Metiltrimetossisilano Garsil MTMS
Sistemi a secco 2
43. 43
Selezione del silano rispetto al ruolo e
alla matrice polimerica
Selezione dei silani
Acrilici
1K
• Epossisilani (blend) Garsil Glymo, vinilsilani (modifica del polimero) Garsil VTMO
2K
• Epossisilani, amminosilani (in blend)
PUD
1K
• Amminosilani
• Epossilani (in blend)
2K
• Epossisilani, amminosilani (in blend)
Epoxy
2K
• Amminosilani
• Epossilani (in blend)
Sistemi all’acqua
44. 44
Silani Oligomerici
Selezione dei silani
Caratteristiche
Molecole parzialmente idrolizzate e condensate
• Numero tipico di oligomerizzazione : da ~3 a ~10
Ingombro sterico maggiore
• Minor Volatilità
• Minor rilascio di alcol durante l’ idrolisi (low VOC)
• Classe di infiammabilità inferiore
46. 46
Parametri da considerare nella
selezione dei Garsil
Conclusioni
• Qual è la resina nel sistema (uretanica, siliconica , acrilica, epossidica...)?
• 1K o 2K? Se 2K, in quale componente può essere introdotto il silano?
• Qual è il substrato di destinazione (metallo, vetro, plastica (produttore di compound per cavi come reticolante, legno...)
• Obiettivi prestazionali (adesione, proprietà meccaniche, resistenza chimica...)
• Applicazione finale (automotive, edilizia...)
• Caricato o trasparente
• Tipi di cariche - trattamento della superficie
• Meccanismo di polimerizzazione (umidità, reattivo...)
• Shelf-life
• Altri silani già valutati, livelli di utilizzo, carenze
• Aspetti economici
47. 47
Parametri da considerare nella
selezione dei Garsil
Conclusioni
L'uso del silano in una formulazione richiede una comprensione specifica
delle sue interazioni con il polimero di base e gli altri ingredienti della formulazione.
L'efficienza del silano dipende da:
• Benefici attesi
• Struttura del silano
• Livello di aggiunta
• Catalisi
• Modalità di applicazione
• Fase di introduzione
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Alberto Pinzo
Sales Manger
alberto.pinzo@garzantispecialties.it
Alberto Pinzo
Sales Manger
alberto.pinzo@garzantispecialties.it
Simone Luinetti
Sales Manger
Simone Luinetti
Sales Manger
Costantino Simola
Sales Manger
costantino.simola@garzantispecialties.it
Costantino Simola
Sales Manger
costantino.simola@garzantispecialties.it
Fabrizio Guerci
Bu Manger
Fabrizio Guerci
Bu Manger
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Bu Manger
Il nostro team
Andrea Capuzzi
Sales Manger
andrea.capuzzi@garzantispecialties.it
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