聚矽氧烷-高性能樹脂性能及應用

2020-12-05 慧聰網

    慧聰表面處理網訊：1 矽氧烷的性能

    1.1矽的基本特性

    矽是自然界中含量最豐富的元素之一，它約佔地殼質量的25.7%，僅次於氧元素。在自然界中無游離狀態的純矽，而是以氧化物形式出現，如二氧化矽以及矽酸鹽等。Si-O-Si鍵作為聚矽氧烷的主要結構出現在常見的無機物質中如砂、石、玻璃、陶瓷、及石英等。

 

    1.2矽氧烷的基本性能

    矽氧烷的Si-O-Si鍵長較長、鍵角較大，容易旋轉，其對側鏈轉動的位阻小，分子體積大而內聚能密度低，減少了空間位阻，使得側基的自由旋轉較為容易，具有玻璃化溫度低、表面張力及表面能低、溶解參數低及介電常數低特性。

    聚矽氧烷樹脂是半無機、半有機結構的高分子化合物，從而兼有有機聚合物和無機聚合物的特性。這些性能包括耐高低溫、耐氣候老化、電氣絕緣、耐臭氧、憎水、難燃、生理惰性、耐油、耐溶劑、耐輻射。

    1.3矽基樹脂應用

    最為經典的實際應用就是無機富鋅塗料，其基料的組成為矽酸酯類，該塗層作為防腐塗料可提供長達50年耐用壽命。而作為表面塗層的環氧－有機矽體系因其極佳的耐候和防腐蝕性也有超過20年的實際應用。

    其他應用領域：底漆、耐熱塗層、工業維護塗料、衛生（抗菌）塗料、船舶塗料、殺蟲塗料、防汙塗料、抗磨損塗料、汽車清漆、以及建築塗料。

    該類產品可以是配方中的主要成分，也可以作為添加劑以進一步提高材料的性能。

    1.4矽氧烷不易破壞的原因

    （1）與C-C鍵能344.4kJ/mol相比，Si－O鍵能相當於270nm紫外光（422.5kJ/mole），普通紫外光280-340nm。

    （2）矽氧烷鍵具有50％離子特性，在酸或鹼的催化下容易水解，塗層的耐候性得益於矽氧烷水解的可逆性，漆膜不會遭到永久破壞。

    （3）主鏈中50%－75%的矽元素已氧化（平均一個矽原子與兩個或者三個氧原子相連），很難發生有機聚合物中的C－C鍵氧化。抗氧性和化學氧化性明顯增加。

    1.5矽氧烷的特有性能

    （1）施工固體分＞90％，滿足排放要求。

    （2）在金屬和水泥基材表面優良的韌性和附著。

    （3）不採用異氰酸酯交聯，消除對人體的毒害。

    （4）純矽氧烷不燃，即使有機改性其耐火等級以及有毒氣體生成量都比普通塗料有明顯改善。

    （5）抗輻射性極佳，良好的耐化學介質性保證良好的核汙染淨化性能。

    （6）耐紫外光、抗氧性、耐高溫性和防腐性

    1.6矽樹脂比較

 

    2 矽氧烷的合成

    2.1雜化體系分類

    無機類：少量的有機材料加入到大量的無機基質中，混合後簡單的包埋於其中；

    有機類：含有無機顏填料的普通塗料，指無機材料以粘合的方式同有機組分牢固的結合在一起的塗料；

    IPN類：有機和無機聚合物網絡結構各自單獨形成，但又輕微粘結在一起，含有溶膠－凝膠固化體系。

    真正的雜化類：有機和無機體系以化學鍵連接形成分子雜化。

圖1 四類雜化體系示意圖

    2.2矽酸酯原料及合成

圖2 矽酸酯原料結構

    其中R表示甲基或者乙基，R1表示有機基團，可能為甲基、乙基、苯基、巰基、烯丙基、胺基、環氧基等。

    當有機基團為甲基時，可賦予聚矽氧烷樹脂熱穩定性、脫模性、憎水性、耐電弧性；為苯基時，賦予聚矽氧烷樹脂氧化穩定性，在一定範圍內可破壞高聚物的結晶性。

    反應以醇作為溶劑，加入少量水來控制反應進程。首先通過水解使烷氧基組分變成醇而生成溶膠，然後乾燥塗覆的溶膠生成有微孔結構的凝膠塗層，最終經過高溫固化形成一種高緻密的陶瓷塗料。

圖3 溶膠-凝膠反應示意圖

 

    採用此類技術可以製備出高性能的柔性陶瓷塗料。下面的視頻詮釋了柔性陶瓷塗料兼具了柔性和陶瓷硬度的優點。

    3 應用

    重防腐領域：硬度和柔韌性的平衡，耐紫外線、耐介質

    光學領域：相近的塗層折光率，高達7H的鉛筆硬度。

    木器領域：降低基材表面能，減少水滲透，改善耐磨；同時具有改善尺寸穩定性、阻燃性，防止昆蟲（白蟻）的攻擊。兼具屏蔽和透明性的優勢。

    抗菌領域：既硬又薄，透明性良好，在多種基材上的優異附著，可接枝具有破壞細菌生物膜的作用的季胺類化合物，耐清洗。

    添加劑領域：改善耐磨性；降低水的滲透性（含氟矽氧烷水阻隔性提高90％以上）；增加表面硬度；調整光學透明性。

    4 發展和展望

    聚矽氧烷大規模商業化應用於工業塗料出現在九十年代，目前單獨使用量不大。

    配方設計師通過聚矽氧烷與許多有機單體和聚合物一起使用，可以研發出既具有有機材料性能又具有無機材料功能性的特定共混物。「有機-無機雜化」塗料採用的就是含有聚矽氧烷樹脂的有機摻和改性樹脂。

    隨著對雜化塗料研究的深入，聚矽氧烷樹脂的應用將產生較大的發展，而最終的爆發有可能是技術、環保壓力和性價比共同的結果。

責任編輯：鄭必佳

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