有机聚硅氧烷杂化涂料的研究进展

摘要：有机改性聚硅氧烷杂化涂料是新一代的高性能防护涂料，广泛用于海上装置、石化设备、工业防护及桥梁、机场、体育场馆等。文章综述了有机改性聚硅氧烷杂化涂料的种类及性能和领域内待解决的问题及发展前景。　　　　关键词：防护涂料；有机聚硅氧烷；杂化涂料　　　　1引言　　　　自20世纪90年代中期，环氧聚硅氧烷杂化涂料开始产业化以来，有机改性聚硅氧烷杂化涂料的研究得到迅速发展，成为近年来涂料工业中最迅速庞大起来的领域，并以其优异的耐久性、高固体分、低VOC和非异氰酸酯固化的优势，成为取代聚氨酯面漆、环氧丙烯酸面漆、氟聚合物及其它高耐候性面漆的理想产品。大量的实验室研究和实际应用证明，在富锌底漆上使用脂肪族环氧聚硅氧烷面漆的双涂层体系，在性能上相当于甚至超过传统的三涂层及更多涂层体系，并以其较佳的防腐性能在海上装置、石化设备、风力发电设备及工业防护中得到大量应用。而丙烯酸聚硅氧烷涂料更以其优异的耐候性和外观装饰性在基础设施，如桥梁、机场、电视塔、体育场馆等方面得到广泛应用。随着该领域研究的不断深入，会有更多的有机物结构引入到聚硅氧烷分子链中，不断地改进现有产品的性能，有机聚硅氧烷杂化涂料的应用将越来越广泛。　　　　2有机聚硅氧烷杂化技术　　　　环氧、聚氨酯以及其它有机涂料因热氧化、光引发氧化或者化学物质腐蚀而降解，导致涂膜褪色，光泽下降，柔韧性、附着力以及耐腐蚀性降低，进而降低了涂膜的耐久性和使用寿命。　　　　有机聚硅氧烷杂化技术是利用聚硅氧烷的多功能性，通过缩聚反应将各种有机官能团连接到无机聚硅氧烷的主链上，主链上重复的Si—O键的键能（452kJ/mo）l高于有机聚合物的C—C键（350kJ/mo）l，所以耐热耐紫外线，并且其氧化状态使之特别耐氧和其它氧化物质，因此有机聚硅氧烷杂化涂料比有机涂料更耐降解。同时，有机改性平衡了聚合物的柔韧性和附着力等性能，还降低了生产成本。　　　　用于改性的有机树脂可以选择丙烯酸聚氨酯、环氧及各种改性丙烯酸酯（带有环氧基、羟基、氨基和硅氧烷基）等。聚硅氧烷多为相对分子质量为600～1000的含烷氧基或硅醇的有机硅树脂中间体以及含有机官能团的氧化硅烷类。市场上的各种有机聚硅氧烷杂化涂料，有机树脂占树脂固体含量的20%～70%。有研究指出，根据附着力和室外挂板及实验室加速耐久性测试，20%～30%的有机改性可获得较佳的漆膜性能。具体应用上取决于对有机树脂的正确筛选和对聚硅氧烷的适度改性，这样才能取得施工和漆膜性能的平衡。　　　　2.1有机聚硅氧烷的固化反应　　　　在有机聚硅氧烷杂化涂料中，存在多个交联反应，聚合形成的网络结构比较复杂。　　　　目前，大多数品种的有机改性聚硅氧烷杂化涂料采用氨基硅氧烷固化，如DynasylanAMEO、AMMO等，发生环氧基与胺的开环加成或双键与胺的麦克尔加成反应，固化剂的硅氧烷基团/聚硅氧烷树脂在潮湿条件下发生水解缩聚反应，如果有必要，可加入有机锡等金属有机物作为催化剂加快缩聚反应的进行；潜在的其它反应也可能发生，并且随着温湿度的变化，反应的复杂性进一步增加。　　　　2.2有机聚硅氧烷杂化的技术特征　　　　有机聚硅氧烷杂化技术的关键特征如下。　　　　⑴高固体分、低VOC含量、低毒性聚氨酯面漆的VOC含量通常为340g/L，甚至达到420g/L，要降至250g/L以下仍有技术难度。其它高耐候性面漆像丙烯酸酯面漆和有机氟涂料，同样存在着固体含量低、VOC高的问题。随着HSE（健康、安全及环境）法律的日益完善，对VOC的含量限定更加严格，致使这些产品的应用受到极大限制。而聚硅氧烷树脂体系具有非常低的黏度，经有机物改性的杂化技术可以配成高固体分、低VOC的体系，根据杂化配方，VOC可低至100g/L。非异氰酸酯固化机理及主链上重复的Si—O键，使之不易燃烧，避免了有机涂料燃烧时产生大量浓烟和有毒气体。　　　　⑵颜色和光泽保持性优异　　　　光泽保持率反映了涂料耐热及光照氧化降解的能力。环氧和醇酸漆较早表现出粉化和褪色，聚氨酯、丙烯酸酯面漆在暴露3～5年后也表现出褪色和失光，而有机聚硅氧烷杂化涂料因主链上重复的Si—O键而使之更耐降解，能在较长时间内保持初始的颜色和光泽。大量的QUV加速耐候性测试和大气自然曝晒试验证明，有机聚硅氧烷杂化涂料比有机涂料有着更优异的颜色和光泽保持性。　　　　⑶耐磨性、耐沾污性和耐涂鸦性极佳　　　　有机聚硅氧烷杂化涂膜因为交联密度高，有较高的玻璃化转变温度，再加上有机硅主链又赋予涂膜较低的表面张力，因而具有很好的耐沾污性；其表面能低，表面不容易被“润湿”，具有很好的耐涂鸦性，表面的涂鸦很容易清除干净，同时并不降低涂层的光泽。　　　　⑷费用低　　　　使用有机聚硅氧烷杂化涂料可有效降低防护费用，这可从以下几个方面分析：①性能因素：提高了颜色和光泽保持性，涂料耐久性好，使用寿命长；②健康、安全及环境因素：降低了VOC的释放，减少了生产、贮存、运输及施工过程中事故的发生，不含异氰酸酯，不易燃烧等；③施工因素：减少了涂层道数，节约了人力，提高了效率，降低了废弃物。

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