有机硅在涂料化学中的应用

发布者:包尔得    更新时间:2017-04-19 13:25:50

有机硅在涂料化学中的应用

 

涂料助剂

涂料助剂,是指添加在涂料(可成膜物质)中,在由液态(粉末固体)转为固态后,达到人们所期待的要求的添加剂。

常用涂料(合成树脂)包括丙烯酸、聚氨酯、聚酯、醇酸、酚醛、硝基、氨基、环氧及各种复合体系,固化方式包括常温固化、高温固化、光固化、电泳等,涂料形态包括固态(粉末)、液态(溶剂型)、水性、无溶剂型。

作为涂料助剂,它所针对的应用方向,往往还不局限于涂料,还包括了诸如油墨、灌封胶、粘接剂、软磁材料等的功能改性,而其原理是与涂料基本相同。

人们更习惯于以功能来命名涂料助剂,如流平剂、润湿剂、分散剂、手感剂、光亮剂、助剥剂、隔离剂、消泡剂、抗刮伤剂、抗油污剂、抗静电剂、抗涂鸦助剂、防招贴助剂、耐水耐油剂、抗溶胀剂等等。

有机硅涂料助剂

有机硅是人工合成的化学材料。由硅烷单体延伸的产品,具有物理形态多样:乳液、油品、弹性体、橡胶、凝胶、树脂、粉末等。除了通常具备的生理惰性、抗紫外、低表面张力、可降解等特征外,其化学结构的设计选择十分宽广。不同的结构具备了不同的理化特性,如亲油亲水、疏油疏水、流平展布、消泡抑泡、稳泡控泡、柔软增亮、抗刮耐磨、助剥防粘、离型脱模、防污耐煮、抗菌阻燃、抗紫外耐老化等等方面有着出色的个性。

对于涂料工业而言,有机硅涂料添加助剂在降低涂料表面张力、消除贝纳德涡流、防止发花、桔皮、克服流平不良、缩孔、鱼眼、增强涂料对底材的润湿、提高附着力、增加平滑、抗刮伤、防粘附性能方面一直发挥着其他材料不可替代的作用。

有机硅最初引入涂料工业时,采用的是较小分子的二甲基硅油,用溶剂稀释后被用作涂料消泡剂。由于硅油的表面张力低,对涂料有优良的流平性能。但由于二甲基硅油与涂料的相容性差,使用中容易出现缩孔现象,故被称为麻烦的助剂。

之后,人们发现用聚醚改性的聚硅氧烷具有表面活性剂的特征,由于其分子结构中含有疏水基团和亲水基团,与涂料有良好的相容性,是一种理想的涂料流平剂。它克服了二甲基硅油易产生缩孔的问题,因而被称之为无麻烦的助剂。

随着人们对有机硅在涂料中应用机理认识的加深,各种聚醚改性及多元改性的涂料助剂产品相继开发成功并被广泛使用。

我公司从95年起研制有机硅涂料助剂至今,已经研发并商品化的型号有50多种。其中包括侧链型、端基型、嵌段型;包括不同链接数和比例可满足不同亲油亲水的需要;包括各种官能团多元改性的产品,以满足特种特殊用途的需要。

 

改性目标和功能设计

1、润湿、分散、流平

润湿:作为涂料的主体,往往由各类强极性的聚合物树脂及表面张力较高的化合物组成,因而其底材的附着力不一定理想。聚氨酯树脂体系中的添加有机硅润湿剂,可以有效提高树脂的展布性和渗透性,以达到所需的附着牢度。

分散:在传统涂料助剂概念里,分散剂通常指能起到增容效果的助剂,实际上是强调填料在体系中的分散稳定性,通过对树脂体系的增容,提高填料的悬浮稳定性。有机硅分散稳定的概念,偏重于提高填料与树脂的亲和性,因而建议在研磨工艺中添加,起到填料表面处理的效果,其主要目标在于提高填料在树脂中的亲和性和抗团聚,这一性能好了,分散稳定性也相应提高,也能克服浮色发花的问题。

流平:涂料漆膜流平的主要推动力是液气相表面能。有机硅添加剂能降低油漆表面张力,使其均匀铺展,克服缩孔、鱼眼、桔皮、发花等不良现象。

2、消泡、匀泡、控泡

消泡:消泡原理基于两个不相容且界面张力差距大的物质,通过破坏其界面能平衡而达到破泡的效果。有机硅对于碳氢类树脂具有这种特性,所以成为理想的消泡剂。但往往也容易产生缩孔、漂油、影响重涂等其他问题。所以,不相容与相容、界面张力大小的设计,一直是消泡剂研究的难题。

匀泡:发泡技术已经是一项非常成熟的工艺技术。聚氨酯、聚苯乙烯等材料制成的发泡制品,重量轻、弹性好、防震抗压、保温、隔音、隔热等等,有着出色的表现。匀泡剂专门针对发泡工艺中的开孔率、泡孔孔径、密度、回弹性等要求而研制,匀泡原理与消泡类似,但也有明显区别(控泡)。由于发泡材料的技术要求高,对匀泡剂的要求也高。所以一般量身定制。

控泡:就是针对上述问题而研究的技术。匀泡、控泡与孔率,以聚氨酯发泡为例,主要依赖聚醚多元醇链接长短,亲水硅油链接长短来调节。先将二甲基硅油侧链接上一定链接的聚醚,制成亲水硅油,以便于发泡树脂体系相容,并起到降低表面张力,改善树脂流动性展布性,同时利用有机硅消泡作用,使大泡破裂,逐渐趋向均匀的小泡。最新的控泡技术采用聚醚硅油直接与TDI反应,以满足低厚度发泡涂层的要求。这种涂料不仅可以涂覆于革基布表面,还可以涂覆于塑料、金属、木材等各种装饰件(如汽车仪表盘面及内装饰)的表面,使之具有温暖的感觉。

3、防水、拒油、亲水

防水:包括两个概念。一是抗溶胀、耐水煮。丙烯酸树脂、环氧树脂都有不耐水的问题,经常需要用有机硅助剂来提高抗溶胀、耐水煮性能。而聚氨酯树脂基本不存在这方面问题。另外一个概念是指表面疏水。或者说是改善树脂表面的疏水性,使水珠在成膜树脂表面的接触角增大,形成荷叶效应。在纺织品(如户外用品、防水布)防水处理方面,阻止水浸入和表面疏水有时是同时考虑的。

拒油:在树脂涂层领域,拒油通常与涂层耐油污同一个概念。这类问题通常需要有机氟或氟硅助剂来解决。有机氟与碳氢类树脂的相容性差,体现了抗油污的优势。同时,它与聚氨酯树脂混合性也差,需要改性。目前我公司研发的氟烃基聚醚改性硅油属于这个方向的助剂。

亲水:有机硅助剂亲水原理源于将二甲基硅油侧链接上亲水聚醚基团,使之与水性体系具有水分散性能。在环保要求下,水性聚氨酯、水性丙烯酸、水性环氧树脂未来前景看好,但仍有许多技术问题需要解决。亲水有机硅助剂在这个领域有很大市场。另外,有要求成型(成膜)树脂表面具有良好亲水性,如消雾膜、渗透膜、抗静电膜等,也依赖亲水有机硅提供帮助。

4、助剥、离型、脱模

助剥:合成革从离型纸脱模,要求有机硅助剂具有脱模、流平、保持光洁度、手感综合性能。这方面的助剥剂产品和工艺都是十分成熟的。

离型:在转移印花领域(主要是丙烯酸体系、包括光固化)要求基材表面涂布离型剂,即要满足印刷浆料铺展均匀不缩孔,并有一定的附着牢度,同时又要满足转移时能顺利离型。

脱模:脱模与离型其实一样,只是脱模是在一个有约束的场合中的表现。脱模材料在模腔与工件之间。脱模剂附着于模腔,是外脱模。脱模剂混溶在工件材料中,是内脱模。外脱模剂需要考虑的问题是怎么不在模腔内结垢污染模具。内脱模则考虑怎样使脱模剂与工件料又有良好的混合性,又能渗出到工件周围与模腔离型。另外,外脱模剂在加工自结皮发泡聚氨酯制品时,还需要考虑防止对聚氨酯材料发泡和结皮造成不良影响。

5、柔软、抗紫外、耐老化

柔软:由于有机硅主链的旋转结构,如果在端基或侧基有反应性基团,就可以与碳氢树脂或其他材料结合成永久的柔软手感。织物柔软剂就是典型的例子。在环氧树脂体系中添加合适的有机硅助剂,可以改善环氧树脂的柔性、抗水煮、降低应力性能,在丙烯酸体系中,可以表达柔软滑爽手感和抗粘连性能。聚氨酯涂层柔软要求可以通过发泡解决。但发泡的工艺控制更加严格。采用反应性硅油与聚氨酯共聚,可以改善聚氨酯涂层的柔软性。多官能活性硅油,则可以达到一剂多功能的目的。

抗紫外:含苯基的有机硅有抗紫外功能。但以助剂形式改善抗紫外性能效果不明显。以硅树脂或硅橡胶形态添加或涂覆于塑料制品表面,可以使塑料的耐紫外性能得到显著提高。

耐老化:有机硅助剂有助于塑料的耐老化。不过最好要选择具有反应性基团的改性硅油。这类产品目前市场上还不多。我公司这类产品主要有:羟基改性、丙烯酸酯改性、环氧改性这三类。

6、哑光、手感、抗刮耐磨防涂鸦

哑光:有机硅助剂也能起到相应的作用。烷基改性的聚二甲基硅氧烷,或者烷基聚醚共改性的聚二甲基硅氧烷,能起到哑光作用,并能对哑粉定向排列有帮助。

手感:有机硅手感剂按基团特征,可分为非反应性和反应性两类。非反应性指硅油不含反应性基团,与树脂只是物理混合,树脂固化成膜后,有机硅迁移到表面形成手感。其手感保持的持久性偏弱。反应性改性硅油因含有活性基团,与聚氨酯、丙烯酸、环氧等树脂混合过程中能参与反应,或互穿网络,所形成的表面效果持久。手感风格分油滑、绵滑、干爽,因客户不同要求而设计。但由于手感性能缺乏仪器测试标准,所以只能以客户认可为准。随着水性聚氨酯工艺的不断成熟,有机硅水性手感剂也在不断改进。

抗刮耐磨防涂鸦:抗刮耐磨通常以降低表面摩擦系数来实现,这在目前的产品中就能选出合适的助剂。另一种实现的方法是对成膜材料起到补强作用,这才是真正的抗刮耐磨助剂。防涂鸦、防粘贴性能,其实是两个不同的概念。防涂鸦是使涂层表面抗污(疏水疏油)性提高,使水性油性油墨不易附着,当然这也会使二次涂覆(重涂性)变得困难。防粘贴则类似于脱模,使涂层表面具有隔离性,作用主要是防胶水抗粘。相对而言,油性体系中比较容易实现。而水性涂料体系难度要大一些,它还需要克服来自乳化剂的干扰。

 

本文作者:杭州包尔得新材料科技有限公司应用技术部   倪宗豪  13606611993

 

 


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