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有机硅对外墙涂料的积极影响

作者:Amanda Andrews,研发化学家,瓦克化学,美国密歇根州阿德里安   |  发表于:2016-02-23   |  关键词:,有机硅树脂,助剂,树脂,苯,粘合剂   | 摘自: 2015年美国PCI中文版电子杂志11月刊

房屋装修和维修保养的增加推动了建筑涂料的增长。消费者希望有机会重新改造新家,而涂料是很容易使住宅再次变新的一个元素1。消费者希望外墙涂料具有优异的耐候性、长期耐久性和防紫外线功能,平均使用周期能够超过20年。同时也希望涂层外观“干净整洁”,降低清洗的次数,必须在经过这么多年以后还能保持良好的外观。

有机硅对外墙涂料的积极影响

耐沾污自清洁已成为热门话题。耐沾污一直很重要,但是在当前的气候条件下显得尤其重要。涂料供应商渴望得到市场数据、户外测试以及证明涂料污垢排斥性如何提高的证明材料,并将其涂料作为具有最好耐沾污性技术的产品销售。有机硅能提供耐水性,可降低表面的水分含量,从而提高耐沾污性。本文将讨论有机硅树脂的化学组成、不同涂料配方中使用的多种有机硅技术和大自然污染形成污垢的户外暴晒测试结果。

有机硅化学

术语“有机硅”是指具有如下最简式R2SiO的化合物,它类似于最简式为R2CO或酮的有机化合物2。硅与碳是相似,都是四价;然而在其基态,没有证据支持有双键的形成。因此,真正的最简式应该写成R2SiO2(½),其中硅有四个单键2。

图1 » 有机硅产品的基本结构单元

硅烷是含有一个硅原子的化合物。据官能团Si-O键的不同数量,又细分成M、D、T或Q单元。图1给出了硅烷的命名方法,将单一的Si-O键称为单官能团或“M”单元。含有两个Si-O键的硅烷称为双官能团或“D”单元,而三官能团的硅烷称为“T”单元。四官能团的硅烷称为“Q”单元,或称为四官能团硅烷。含有硅-氧键的材料称为硅氧烷。硅氧烷中含有两个硅原子通过硅氧烷键结合的称为二硅氧烷,具有三个硅原子的硅氧烷是三硅氧烷。聚硅氧烷是一种含有多于三个硅原子的硅氧烷2。

有机硅树脂乳液和有机硅助剂化学及性能

许多化学品已经有百年的历史,这提醒我们它们所能提供的重要优点,以及像有机硅这样的化学品随着时间推移的演变过程。1963年,水性有机聚硅氧烷技术的专利发明被申请,其中包括其在有机树脂中的使用3。在涂料组合物中建议使用有机聚硅氧烷组分来提高耐粉化性、耐沾污性、耐候性、憎水和优异的空气和水蒸汽渗透性3。涂料中享有专利权的有机硅树脂乳液已成功使用50多年了。在50年中,水性有机硅技术有了创新性进展,不断加大了技术的强劲优势。

图2 » 显示水蒸汽流动的硅树脂网络

有机硅树脂就像甲基硅树脂一样是由含有硅氧烷的二官能度和三官能度的硅氧烷单元组成。如上述,选择使用D和T硅氧烷单元就决定了树脂的硬度和柔韧性。然后加入有机官能团提高防水性、碱稳定性,并增加与有机组分的相容性。烷氧基决定了反应活性、交联、与基材的附着力和涂层的内聚力。起作用的化学结构就形成了硅氧烷树脂的网络体系,见图2。网络结构再形成疏水性的壳层,不允许水进入涂膜,但形成疏水性的孔和毛细管,允许该涂膜具有水蒸气透过性。有机硅树脂胶束通过保护表面免受环境的降解作用增加了涂膜的疏水性。有机硅的防紫外线性能是优于其它漆基的重要特点。用硅氧烷键(Si-O-Si)增加了结构主链的紫外线保护作用,硅氧烷键的键能约110kcal/mol4。CC键的键能约85kcal/mol,而CO键能约87kcal/mol4。这种强度可以只用添加较小的有机硅用量,物理性能即可表现出差异。总体而言,有机硅树脂网络结构增加了涂膜的疏水性,提高耐沾污性,得到防潮性涂膜,并增加了涂膜的长期耐久性。

目前的市场上,有机硅树脂乳液可以作为单独的基料或涂料配方的树脂改性剂。更常见的是,有机硅树脂乳液由于其成本效益和较低用量时的有益性能而作为树脂改性剂使用。有机硅树脂分散在整个涂料中包覆颜填料,而有机漆基作为填料颗粒和基材之间的粘合剂5。有机硅树脂提高了防水性,同时增强了膜的多孔性5。在涂料体系中有机硅的作用机理类似于有机漆基,见图3的显微照片。在高放大倍率下,矿物颗粒之间的小的弯液面说明有机硅树脂网络结构的存在。有机硅网络以极薄的薄膜均匀包覆了纳米级二氧化钛和其它填料,能增强涂料在纳米范围内的微观结构,同时保留微孔。助剂给予额外的支持,通过部分渗透进入涂层和更多地排列在涂膜表面而提高了防水性和目视的早期水珠。

图3:左图显示出颜料与有机漆基的相互作用,聚合物膜将孔部分封闭。右图显示出有机硅树脂网络很好地粘附在颜填料上,并具有清楚的毛细孔5

了解有机硅改性剂在涂料施工后在性能时间方面的有效性是重要的。有机硅乳液基料需要时间来形成涂层,而较低分子量的有机硅助剂在施工后几乎立即就能减少水分的吸收。除了早期吸水性外,助剂的基本任务就是提高水的接触角。表面活性剂或分散剂可在该涂层表面降低有机硅的初始效果,掩蔽有机硅的性能。涂膜暴晒于紫外光和水可提高表面活性剂从涂层中释放除去的速度,同时提高有机硅的性能。

涂料中使用的有机硅助剂通常是用二官能团的单元配制的,它能提高柔韧性,并具有高防水性的反应性化合物。三官能团的改性物能提高硬度和粘结力,能进行更多的交联。分子量和活性基团可以决定助剂与表面的相容性。添加的有机硅材料具有低黏度,其本身以及在涂料中优异的稳定性。其性能与它们的低表面张力和疏水性组分有关,可改变水接触角。用有机官能团进行改性得到重要的优点,尤其是如果使用含有氨基官能团的聚硅氧烷。在使用聚二甲基硅氧烷的涂料中使用含有氨基官能团的聚硅氧烷化学结构(PDMS)的助剂的优点是耐久性、防水性、紫外光稳定性、降低表面缺陷和经过多年暴晒后持久的性能。含氨基聚硅氧烷化学结构的助剂与基材具有更高的亲和力,也能提高附着力。与标准的PDMS技术相比,这种类型的化学结构被洗出涂层的倾向并不存在。此外,这种含有氨基官能团的聚硅氧烷也可重涂,这是由于它们的烷基官能团改善了表面能而使其具有这种优点。有机官能团和独特的乳化体系使其在涂料市场更容易配制涂料,在不同类型的有机漆基体系中能灵活使用,这些有机漆基体系包括丙烯酸类、聚酯类、醇酸类、聚醚类、杂化类和聚氨酯等。目前市场上有许多种有机硅助剂可以购买得到,但是为了降低试验数量,选择了以下几种用于评价:硅烷和硅氧烷混合物、硅烷乳液和两种不同氨基聚硅氧烷反应性乳液。

有机硅户外暴晒试验

还有一些人不相信硅在户外及其低沾污性的真正优点。为了证明有机硅性能,使用了各种有机硅基料和有机硅助剂的添加量均在5%和10%的三种配方。研究的所有原材料的性能在三种配方中都相同。因此,只给出了一种配方的结果(见表1)。配方是用基本涂料原材料配制,其PVC水平为35%。该配方包含一种对照品;苯乙烯丙烯酸。该配方是以大规模的量配制的,有机硅原材料是后添加的,以尽量减少可变性。采用的添加量为5%和10%,如表1所示。如果有机硅是在研磨阶段后、用丙烯酸配漆前较早地加入到配方中来包覆颜填料(如前所述),通常能看到有机硅的最终性能。对于性能材料的初步筛选,通常采用后添加的方法。在后添加时如果可以看到优点,那么较早加入到配方中也同样可以。在缩小样品化学品的范围后可进行更深入的筛查,选择一个最佳的添加量。

表1 » 用于测试的配方

然后将涂料涂到36英寸长的南方黄松轨道板上和光滑的混凝土板上。涂覆两道,放置干燥七天后测试初始颜色和吸水量数据。用BYK spectro-guide 仪器测试颜色和光泽。对于混凝土板,按照与ASTM D5401类似的程序测试吸水率,即将板面朝下放置在用去离子水浸透的海绵上。

一开始,先称量混凝土板的质量,然后分别浸泡1小时、6小时和24小时,以测定被涂膜吸收水的量。然后对数据进行分析,以给出涂层的最佳性能。最初要这样做,以后每六个月都这样做。将三块混凝土和木板中的两块放在密歇根州的户外,以向南45°角放置进行暴晒。另一块板放在室内作为对照板,来进行没有暴晒的初始颜色和吸收量的比较。

有机硅性能分析

经过九个月的过程收集了三组数据后,有足够的数据来确定有机硅的性能值。表2给出了经过九个月暴晒后的吸水量数据。六个月后涂漆的混凝土板吸收水的量比他们最初的要少,这是由于涂膜需要将板中的水溶性乳化剂洗出来达到平衡。这些数据证实了这种特定丙烯酸随着暴晒时间的推移吸水率下降。在这项研究中评价的几乎所有技术都表明,配方中添加的有机硅的量越多,总体吸收的水越少。这并不意味着总是如此。对于某些有机硅技术有一临界的吸水量,越多并不代表越好。通过评估和数据收集获得的信息增加了我们对有机硅化学品如何改性的了解,以便进行进一步优化。

表2 » 吸水量数据

照片拍摄了经过9个月暴晒后的沾污程度。沾污程度的差异是基于化学品和有机硅的差异。丙烯酸作为对照品沾染了中等量污垢。两种添加量的硅烷和硅氧烷混合物都有最显著污垢沾染量,有条痕。5%添加量的两种反应性聚硅氧烷都有稍小中等量的污垢沾染,而10%添加量的有中度到重度的污垢。结果表明该添加量很重要,证明了较软的有机硅助剂在较低添加量时性能良好,但是有一个阈值。有机硅树脂和硅烷乳液呈现轻微的污垢沾染。有机硅树脂乳液沾染的污垢最少;表明在两种添加量时,经过九个月的时间只有很小的颜色变化。

从物理学上证明将这种特定有机硅化学品添加到户外配方中的优点只要经过九个月就可以看出结果。从这些照片是很难看到改善的幅度,但是最明显的板显示在图4、图5和图6中。在图4中,显示的混凝土板没有10%有机硅添加量的室内对照板,只是与丙烯酸对照板进行比较。图5中的混凝土板显示了5%和10%两种有机硅添加量,并与其对照板(没有曝光)进行比较,比较初始颜色和经过九个月暴晒的变色情况。图6显示了经过9个月暴晒后的南方黄色松木涂漆试板。木板和混凝土板都显示了类似的结果。

为了证明颜色变化,在表3中列出了所有颜色值包括色差∆E。第一块板是对照板,放在室内,没有经过紫外线暴晒。每种评价技术的第2和第3块板是在户外暴晒的板。正如你所看到的,ΔE值越高,颜色变化越大。按照它们沾染污垢从最少到最多进行排列,与照片和颜色数据非常一致;有机硅树脂乳液、有机硅树脂/硅烷乳液,低添加量的反应性聚硅氧烷、接着是高添加量的反应性聚硅氧烷,硅烷和硅氧烷混合物和丙烯酸。这证明了仪器读数与目视外观非常匹配。

结论

某些有机硅技术,像有机硅树脂乳液,由于其疏水性,能使暴晒时的沾染污垢的量显著降低。对配方板的户外暴晒数据的收集将持续数年来验证有机硅性能的真正优点。清洁的表面是消费者明显的需求,这项研究提供了有效的结果,即有机硅如何能满足消费者需求。最初的工作为开始更多的探索性工作提供了答案。必须进行更多的研究来进一步缩小有机硅化学品的范围,我们有信心能够提供清洁的有机硅技术,这种有机硅结构链段技术能提供最佳的耐沾污性解决方案。

致谢

作者真心感谢瓦克化学的同事James Greene、 Andrew Pearson和 Global S的支持。

注:所有数据和表格的所有权归是瓦克化学。

参考文献

Hunter, B. Big-Ticket Remodeling Activity Grows 3.3% in 3Q, Remodeling 2014, http://www.remodeling.hw.net, January 8, 2015.

Heldman, D.K.; Larzelere, K. K.; Greene, J.D. Reaching Strict VOC Requirements with Outstanding Durability for Industrial Maintenance and Marine Coatings, Paint & Coatings Industry 2008, 34-43.

Nitzsche, S.; Pirson, E.;Roth, M. Coating Agents, US Patent, US 3,294,709 December 27, 1966.

Andrews, A. Benefits to Using Silicone Hybrids for Improvements to Wood Coatings, Waterborne Symposium, 2013.

Andrews, A. Silicones are the Innovative Solution for Architectural Coatings, Waterborne Symposium, 2015.




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