偶联剂在涂料中的应用

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一、钛酸酯偶联剂在涂料中的应用
1、应用机理：
(1)偶联剂和表面活性剂的区别：
　　在涂料制造过程中，需要将属于亲水的极性物质颜、填料分散到属于疏水的非极性物质有机基料中去。为了增加无机物与有机高分子之间的亲合性，一般要用偶联剂或其它表面活性剂等处理无机物的表面，使它由亲水变为疏水性，从而促进无机物和有机物之间的界面结合。
　　偶联剂和表面活性剂在分子结构和应用性能方面有些相似，但也有差别。二者都是由亲水和疏水两种基团组成。表面活性剂通过分子中亲水基团定向吸附在无机颜、填料表面形成单分子层，这是一种物理吸附现象，从而提高颜填料在基料中的分散性和润湿性，因此仅是物理吸附，所以表面活性剂有迁移现象影响光泽，外观和附着力。偶联剂是通过化学反应和无机颜填料表面进行偶联结合并和高分子基料进行交联，把两种不同性质的物质结合起来，起桥梁作用，从结合强度，提高颜、填料在基料中的分散程序以及降低界面自由能的幅度，偶联剂都大大胜过表面活性剂。
(2)偶联剂的偶联机理：
　　关于钛酸酯偶联剂的作用机理，一般认为是在单烷氧钛酸酯偶联剂中只有一个异丙氧基团是能和无机物偶联的水解基团，因此就可以在无机颜、填料的表面形成单分子层相比之下，钛酸酯偶联剂更能紧密地把无机颜产填料和有机高分子材料连接起来，充分发挥每个钛酸酯分子的作用。因此，用量小、效果大。由于钛酸酯偶联剂以单分子状态包复在无机颜、填料表面取代原来吸附的微量水分及气体，同时通过分子中长碳链疏水性非水介基闭，增加了和有机高分子基料的相容性，降低界面的自由能，从而有利于粉体聚集体被有机高分子基料所润湿和分散。
2、实用研究：
　　鉴于钛酸酯偶联剂在涂料工业中的应用前景非常广阔。国内一些单位正在研制、生产钛酸酯偶联剂，在钙、塑材料方面已经有一定程序的应用和发展，涂料品种结构正由低档向中、高档产品发展。涂料品种正由传统的溶剂型涂料逐步向水性高固体分子溶剂，粉末和无机涂料方向发展，除明显提高涂料的装饰性和保护性外，又要求涂料向高效能、多功能、特效和专用方向发展，需要各种各样新型功能涂料。由于钛酸酯偶联剂独特的结构和多品种、多功能的特性。虽然用量少，却能满足涂料多方面的性能要求。
3、应用功能：
　　由于钛酸酯偶联剂分子结构中6个不同的功能区的特点，可以根据涂料工业的需要设计出不同基团的钛酸酯偶联剂，使其成为特定的，或兼有多种功能的偶联剂，赋于涂料、油墨具有如下功能：
(1)良好的分散润湿功能，能明显提高大部分无机与有机颜、填料在有机基料中的分散性，对炭黑、酞箐兰、铁红、中铬黄等分散也特有效。
(2)防沉性能好，提高贮存稳定性。
(3)有助磨作用，能缩短研磨道数和时间，同样研磨时间可使粒子研磨得更细。
(4)能增加漆膜对基材的附着力，提高漆膜对各种金属，玻璃及无机材料的粘结性，改善耐磨擦性，提高冲击强度，增加柔软性。
(5)能明显增加涂料的着色强度和反射能力，提高漆膜光泽，增加覆盖率。
(6)在防火涂料中能产生阻燃效果。
(7)在防锈涂料中能起防锈效果。
(8)能降低涂料体系的粘度，降低树脂的固化温度。
(9)具有较好的触变性能，并能提高涂膜的斥水性、耐磨性和耐洗涤性。
(10)具有较好的抗氧化性能，及抗紫外线功能。
(11)显著改进涂膜的机械性能，耐侯性，耐盐雾性及抗泛黄性。
3、使用方法：
　　钛酸酯偶联剂能在颜、填料表面进行化学反应：形成单分子层发挥每个分子的桥梁作用，因此用量少、作用大。为了使少量钛酸酯偶联剂能够均匀分布在颜、填料表面：就要采用有效的使用方法，并要遵循如下原则：不要另外再添加表面活性剂，因为它会干扰钛酸酯在填料界面上的反应，这样才能发挥其应有的效果。
　　根据偶联剂的结构类型，耐水性，实际使用对象和使用场合，应采取不同方法，现将几种使用方法介绍如下：
(1)颜、填料预处理法：
　　将钛酸酯偶联剂予先包覆到颜、填料表面的方法，虽然比较麻烦，但这样处理的效果比较好。
　　方法是：将偶联剂溶解在少量甲苯，二甲苯等烃类溶剂中，加入颜、填料里，在高速搅拌下(约1000转/分)适当升温至90℃左右搅拌约半小时左右，使每个颜、填料颗粒都能包覆上一层偶联剂。颜填料经偶联剂包覆后，就可按通常方法配制涂料。
(2)直接添加法：
　　在制漆过程中，在高速分散之前直接加入偶联剂的方法。
　　方法是：将称量偶联剂用溶剂汽油，二甲苯等溶剂将偶联剂溶解，再分散到有机基料中，再加入颜料，填料进行高速分散，再按通常方法配制涂料。
　　水性涂料使用水溶性偶联剂，处理方法同上述一样溶剂换成水就可以了。
4、偶联剂的用量：
　 偶联剂的用量理论上是要使偶联剂中全部亲水反应基团与颜、填料所提供的羟基或质子发生反应，没必要过量，但实际上的用量，要根据填料的粒度和表面官能团的情况等，来决定最合适的用量。可以用粘度测定法求得粘度和偶联剂用量的关系。
　　粘度下降最大点就是最合适的钛酸酯用量。
根据经验，偶联剂用量应该是涂料中固体颜、填料量的1-3％左右，颜、填料的粒度越细，表面积越大，偶联剂的用量就越多。
在水性涂料中，由于溶剂少，润湿性低，因而附着力不如相应的溶剂型涂料好，钛酸酯偶联剂可与聚合物及无机底材形成桥键，由于偶联剂中引入极性基团（如环氧基团），与底材亲和力提高，因而附着力明显提高，这是钛酸酯偶联剂在水性涂料中应用最突出的优势。与硅烷偶联剂相比，它不会提高涂层硬度，但可以提高柔韧性。
　　钛酸酯偶联剂是近十年来迅速发展并广泛应用于许多生产领域的一类新颖化工助剂，在合成及应用，国外见诸报导较多，国内也正在越来越受到关注。
钛酸酯偶联剂广泛用于涂料工业，是一种多功能性助剂，但也要经过实际应用试验才能取得最佳效果。为了实现涂料工业现代化，必须广泛开展钛酸酯在涂料工业中的应用研究。
二、硅烷偶联剂在涂料、油墨工业中的典型应用
1、伴随着改善物理性能和延长寿命的要求更高，涂料工业对挥发有机组分法规也越来越严格，硅烷技术越来越引起人们的关注。
硅烷偶联剂在涂料中，主要用于填料改性、树脂改性和用作底涂，主要起到如下作用：  
(1)提高涂膜与基材的附着力、耐水性、耐候性和耐磨性
(2)改善机体树脂与颜料和填料的相容性、分散性
(3)改善基体树脂的交联成分  提高涂膜表面的硬度
2、经硅烷改性的聚合物中的烷氧基在湿态下水解形成硅醇基团，该基团通过缩合反应可形成交联的聚合物涂层。使用硅烷改性涂料聚合物主要有两种方法：
(1)共聚合
(2)后添加
在溶剂型体系中，聚合物单体可以与硅烷通过共聚合反应形成硅烷改性聚合物。
在水性体系中，丙烯酸酯或其他单体，与硅烷共聚可得到硅烷改性的水性丙烯酸乳液。   
也可以将硅烷接枝到聚合物上形成硅烷改性的聚合物。3、溶剂型体系
(1)硅烷改性丙烯酸酯聚合物
将丙烯酸酯和苯乙烯单体与硅烷共聚可得到硅烷改性的丙烯酸酯聚合物，从而制成湿法交联的硅烷改性丙烯酸酯涂料。
经过硅烷改性的汽车面漆具有非常好的耐候性，可以通过QUV加速老化实验器来测定涂层的保光性。在测试的最后阶段，经过甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷改性的树脂显示出优异的保光性，而对比样品则出现黄变和龟裂。
(2)硅烷改性聚氨酯
氨基硅烷可与含异氰酸酯封端的聚氨酯反应生成硅烷改性的聚氨酯涂料聚合物，选取合适的硅烷来降低进一步的反应，这样可以避免体系粘度持续升高。
4、水性体系
(1)硅烷用于乳液聚合
将丙烯酸或其他单体，与硅烷在水性体系ZG聚可得到硅烷改性的丙烯酸乳液。   
将1%的乙烯基硅烷与醋酸乙烯和乙基丙烯酸己酯共聚，制成硅烷改性的乳胶漆，可显著提高涂膜的附着力、耐擦洗性和耐溶剂性。
(2)硅烷用于聚合物后添加剂
聚合物形成后，活性的功能硅烷（主要是环氧类硅烷）可与之在水性体系中进一步反应，从而增加体系交联密度、提高耐水、耐溶剂、耐化学品和耐沾污等特性。适合于此应用的聚合物体系有：单组份水性丙烯酸酯、水性聚氨酯分散体、水性环氧和水性醇酸等。
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