涂料行业中的硅基应用技术介绍

BMA004

一、介绍    道康宁公司（DowCorningCorporation）在新的硅基技术（Silicon-BasedTechnologies，SBTs）开发方面一直处于领导地位。硅基技术在促进涂料行业发展的同时，可以让配方设计师开发出适用于不同应用领域的新的功能。在过去的10年当中，应用于涂料硅基材料的新的相关专利呈指数性增长，在传统地需要依赖SBTs技术解决的问题方面表现得尤为明显，传统地需要依赖SBTs技术解决的问题包括：泡沫的控制、润湿性的提高以及粘连性的提高等。
    基于硅基技术的产品在涂料领域中有着广泛的应用。具体的应用领域包括：底漆、耐热涂层、工业维护涂料、卫生涂料、船舶涂料、杀虫涂料、防污涂料、抗磨损涂料、汽车清漆、以及建筑涂料。该类产品是或是作为配方中的主要成分，或是作为添加剂以进一步提高材料的性能。
    通过SBTs技术可以获得传统的有机涂料所没有的产品特性和性能属性。配方设计师通过使用SBTs技术对产品进行分化，并且根据特定市场的需求来提供相应的功能。这些需求包括：要求产品具有低的VOC值；更强的耐水、耐油和耐污力、更强的耐风化能力、更好的热稳定性、以及出众的变形能力。同时，基于SBTs技术所制得的产品是没有毒性的，而且可以降低产品的使用率。最后，硅材料还可以与许多有机单体和聚合物一起使用，这样就使得配方设计师可以研发既具有有机材料性能又具有无机材料功能性的特定共混物。
    二、应用于涂料的硅基技术化学品（SBTs）
    为了充分理解SBTs技术在涂料行业中的重要性，配方设计师需要了解可以选用的原材料有哪些，以及这些原材料在特定应用领域中的性质。近几十年来已经有很多硅基材料应用于涂料行业中，并且现在成为了新的研究与产品开发的基础。
    1.硅烷
    硅烷是一种含有一个硅原子的单体材料（图1）。硅烷经常和其他涂层材料共混，可以提高材料的粘连性、偶联性、填料的相容性（包括颜料）以及体特性。在类似于汽车底漆的应用中，硅烷可以对疏水性进行控制，维持材料的UV稳定性、热稳定性，并且有着良好的耐化学腐蚀性和腐蚀防护作用。

图1:硅烷单体

    硅烷的取代物有很多，既包括具有反应性的和非反应性的，还包括有机类和无机类的。
    无机活性基团包括：氯原子、烷氧基以及其他基团。这些集团具有良好的反应性能并且可以和玻璃、金属以及矿物质等无机物很好的粘连。     非活性基团包括：烷基、苯基以及三氟丙基，这些基团可以使材料具有良好的防潮性、有机兼容性以及耐化学腐蚀性。     有机活性基团包括：环氧基团、甲基丙烯酸盐、氨基、乙烯基、硫代物以及其他基团。这些基团可以使材料与有机树脂有着良好的兼容性和反应活性，因而作为有机涂层和无机基底物之间的偶联剂。     而且，由于烷基硅烷本身具有良好的抗风化能力以及防潮性能，因而该类物质适用于防水配方中，以满足工业技术规范以及消费者对于木材和砌筑体底物更高的保护要求。木材和砌筑体底物材料包括：混凝土、砂岩、花岗岩、石灰石、大理石、砖块、瓷砖、木材、石膏以及珍珠岩。
    2.二甲基聚硅氧烷（PDMSPDMS)
    二甲基聚硅氧烷（PDMS）是一种以硅为基体的无色有机聚合物，该物质由于具有好的防水性能（图2）因而应用于许多工业领域中。应用于涂料中的二甲基聚硅氧烷在材料湿度、水准测量，泡沫控制和光泽，以及耐损坏和耐滑移性方面都有着良好的性能。根据聚合程度的不同，PDMS的存在状态可以是挥发性液体直到变为胶状物。

图2:二甲基聚硅氧烷

    3.聚硅氧烷
    聚硅氧烷是一类特殊的聚合物，它们不但可以和有机材料很好的相容，而且具有很多和PDMS聚合物相同的功能。与此同时聚硅氧烷还有一些其它的特点，例如在不损失硅树脂的相关性能的前提下，具有进一步提高的有机体的相容性、更好的脱泡作用以及抗溶剂作用（图3）。聚硅氧烷主要用来满足涂料对于湿度、水平度、光泽度、消泡控制以及耐滑移和耐损坏的要求。聚硅氧烷也用于微发泡过程中以除去气体。另外聚硅氧烷具有良好的重涂性能。

图3:聚硅氧烷

    4.有机硅聚醚
    在有机硅聚醚中，聚醚官能团连接在硅树脂主链的末端或者侧链上（图4）。有机硅聚醚在涂料行业中有所应用。一直以来，配方设计师都在寻找硅基技术在涂料中的优点，包括耐毁坏/滑移性、湿度、水平和消泡控制。而有机硅聚醚中极性官能团的存在使得有机硅聚醚可以很好的掺入到涂料配方中。

图4:有机硅聚醚

    5.有机硅消泡剂
    有机硅消泡剂主要以以下几种形式存在于涂料配方中：硅油、复方消泡剂的配方（硅会与液体发生反应）、消泡剂乳液。只要使用很少的有机硅消泡剂，就可以有效地消除泡沫。有机硅消泡剂的具体类型有很多，包括：有机改性硅油，不同交联度的硅油以及其他类型的有机硅消泡剂。改变所使用的硅树脂的类型，交联的程度等等，消泡剂可以根据不同类型的涂料而进行特定的设计。
    6.有机硅树脂
    有机硅树脂可以与很多有机树脂低温共混或者与之发生反应，甚至可以作为一种单独的粘结剂应用于很多涂料配方中。它们主要作用是让排气管、炊具以及照明设备等材料具有良好的抗紫外线性能以及耐热性能。有机硅树脂具有由柔性一直到硬脆性的宽的柔度范围，并且与一系列有机物有着良好的相容性（图5）。

图5:与其他有机物结合的化合物结构,R代表甲基或/和苯基

    人们正在不断地研究新的树脂技术，旨在满足消费者的特定要求。例如有机改性树脂可以使树脂基体具有有机反应活性。这种新材料可以代替一部分交联剂，在保留良好的重涂性能以及漆膜硬度的同时，进一步提高了弹性。
    另一个新的应用领域是液体有机硅树脂的研发。配方设计师可以使用该项技术创造出具有独特性能的低VOC值产品，其独特性在于具有良好的有机树脂相容性、弹性以及热稳定性。
    7.硅橡胶
    硅橡胶是一类应用于弹性体领域的橡胶类材料，目的在于使材料具有良好的耐水性、耐擦伤性以及无光表面。在水相产品以及非水相产品中，由于硅橡胶的存在，使得很多产品具有良好的变形性。
    8.硅酸盐
    硅酸盐是一类水性溶液，该类物质可以用作具有低VOC值的透气性良好的防水涂料（图6），广泛应用于需要防潮的外表面材料中。甲基硅酸盐可以和二氧化碳反应形成不溶于水的有机硅树脂。这类材料也用于要求具有低VOC值、好的透气性以及防水性的敏感领域中。

图6:硅酸盐

    另外，硅酸盐也用作材料表面的防潮和防水保护。微孔粘连封闭剂可在混凝土表面形成一层树脂屏障，当这类物质部分或者全部填充于混凝土表层的微孔中时，并不会深入渗透到材料的内部。另一方面，防水密封剂可以使混凝土具有良好的透气性，并且可以加入到预固化的混合料中。两种溶液都可以满足特定的市场要求，并且可以使得配方设计师在作决定时有了更大的灵活性。
    三、氟技术
    含氟类聚合物用作保护涂料的功能性成分已经有着多年的历史，原因在于该类物质具有抗风化能力、绝缘性以及耐化学腐蚀性。而在新型杂氟硅氧烷化学方面的进展，使得该类物质具有很多具有工业应用价值的新的功能和表面性能。另外，监管环境要求以及涂料市场的变化正在推动产生新的氟硅氧烷涂料以及添加剂。

	硅树脂	氟
表面张力	22 - 24 dynes/cm, 低	10 - 16 dynes/cm, 非常低
防油性指数	0 ? 无	8 ? 优异
防水性	优异	中等
耐化学腐蚀性	中等	优异
外观/柔软度	手感柔软/ 感觉舒适	手感粗糙/ 感觉差
热性能	优异	优异
抗风化力	中等	优异
成本	低	高
所存在的化学物	涂料, 树脂, 聚合物, 硅烷, 溶胶-凝胶, 弹性体, 纳米微粒, 柔性的	涂料, 树脂, 聚合物, 硅烷, 溶胶-凝胶, 弹性体, 纳米微粒, 极小的柔性
是否可固化	是	是
主链	柔性的	刚性的

表1:氟硅氧烷技术中硅树脂和氟的性质

    氟硅氧烷中的氟成分使得材料具有优异的热性能和耐化学腐蚀性的同时，硅树脂成分则可以使材料的释污能力得到改善，并且使得材料具有防紫外和防水性，从而扩大了材料的应用范围。表1逐一比较了每种材料的功能性。而基于这种“混合”技术的新产品也使得材料在防水、防污、低沾污性、防化学腐蚀性、易清洁和防划性等方面有了新的进展。
    与其他氟类化合物（聚四氟乙烯，PTFE和四氟乙烯，TFE）不同，氟硅氧烷可以在低温或空气气氛中进行固化。这种类型的涂料可以应用于最普通的工作环境中并且可以应用于多种基底物中。这些基底物具体包括：石头、金属、玻璃、塑料、皮革以及纸张。另外，与偏氟乙烯（PVDF）以及全氟代烷基乙烯基醚相比，这些材料在有机溶剂中具有更好的溶解性。同时，在聚合过程中，活性单体可以很容易的引入到氟硅氧烷中，从而更有针对性地提高耐污力和可清洁性等性质（图7）。

图 7: 氟硅氧烷的性能

    由于该类物质具有更低的固化温度、良好的溶解性以及更强大的客户化水平，涂料配方设计师可以更好的开发新的技术解决方案以满足不同行业的要求并且可以对竞争者产品的细化提供多种选择。
    四、结论
    SBTs技术已经促进了涂料在细化产品、以客户为中心等方面的创新。一直以来，道康宁公司不但努力通过使用现有的解决方案，还不断进行新的研究来促进涂料的创新。氟硅氧烷方面的研究就是一个很好的例子。通过六十年来SBTs技术的经验，道康宁可以在公司专家的意见和产品要求不同时，确定出特定的要求和具体的应用领域。
    硅基技术不但可以提供材料传统的性质，例如泡沫控制、粘连性、在很多涂料配方的关键性，硅基技术还可以使得材料具有很多其他优点。配方设计师们利用道康宁的技术和客户支持，正在寻找新的方法来细化他们的产品并进一步提高产品的光泽度/无光控制能力、奶水/油/污性能、防滑/防损伤性、变形性、热稳定性/抗风化性。
    SBTs技术在满足材料在涂料应用中所需要的许多性能的同时，使得一些新的功能得以开发并且可以利用这些新的进展来促进工业的发展。

ww1973

佩服道康宁的新的硅基技术，就是价格嘛。。。。:lol

blzhanghappy

整理的非常好，辛苦了，虽然不会买但还是要学习呀