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有机硅树脂在水性木器涂料中的应用

有机硅树脂在水性木器涂料中的应用 近几年来，在全球范围内，尤其是欧洲的涂料工业都在朝着一个共同的发展方向努力，那就是减少涂料体系中溶剂的含量。汽车工业和一些其他相关行业已经在这方面走在了前面，水性涂料体系在这些行业中的成功应用和日益严格的环境法规将成为其他行业使用水性涂料的驱动力。据预计，欧洲水性涂料体系的市场份额将从1994年的13%上升到2004年的22%左右okmart.com。与其他的涂料体系相比，水性涂料体系的增长速度最高。在溶剂型木器涂料领域，有机硅树脂多年以来一直被用作提高各种性能的重要组分。近年来，水性涂料配方的研究与开发成了业界关注的焦点，因而可以推断水性涂料的性能必定会赶上并超过溶剂型涂料。改良型有机硅树脂在这一应用中具有很大的优势，它与水性木器涂料的相容性较好，只要所选择的有机硅添加剂或添加剂组合配方合理，就可以获得较好的表面润滑性、光泽度、流平性、粘连性和耐化学性。在室外木器涂料中，水性涂料体系已得到了广泛的应用。但在包括家具在内的室内涂装施工方面，水性涂料的使用量却一直较低。家具和木材工业鼓励人们使用过渡产品，并将在立法中给与相应的保证。目前，水性涂料的市场份额虽然相对较小，但是却具有较高的增长速度。与整个市场2%左右的增长速度相比，水性涂料体系预计将以每年约10%的高速增长。用水性涂料代替溶剂型涂料将面临许多问题，主要的难题是水性涂料具有完全不同的物理-化学性质。由于在水性涂料中作为载体的是水，这就需要不同的干燥工艺过程、流变参数、木纤维的溶胀率等等。化学改性方法 添加聚醚链是一种改性方法，它将产生具有相容性的共聚物。加入活性有机硅-聚醚共聚物可固结到涂层中，这样就可以避免添加剂迁移到表面区域，而在表面区域存在有机硅材料可能会产生一些不利影响，例如粘附在家具表面上等等。物理改性方法 基于丙烯酸材料的游离基固化涂料相对来说具有极性，因而PDMS对于它们是不相容的，通过将PDMS变成自分散形态便能解决这一问题，这是一种与水性涂料添加剂相同的技术。就辐射固化涂料而言，这些添加剂是100%活性化合物并以无水状态存在。活性材料是专门设计的，它能快速迁移到液体涂层表面，可以在紫外线照射下发生反应，这样就能直接达到减少摩擦系数的目的。因而不会出现摩擦系数随时间变化的情况，也就是说在污染会造成减少附着力等问题的场合适合采用活性有机硅添加剂。 这些添加剂对其他表面性质影响的测试结果表明，只有活性有机硅聚醚能增强光泽度和减少浑浊度，对于在紫外固化涂料中产生优良相容性和表面效应来说，该添加剂一直有着最佳的效果。非活性添加剂对于光泽度没有影响，但是却能使浑浊度稍稍增加，这表明相容不充分。有机蜡则对光泽度和浑浊度都表现出一种负面影响。在上述测试期间采用有机蜡时，有空气进入而导致在液体试样表面产生了泡沫，甚至在48h之后，有机蜡所引起的泡沫也未消失。表面活性是有机硅聚合物链迁移到溶剂界面的驱动力，这种表面活性有助于加大底材润湿程度和减少表面张力梯度，而在干燥期间表面张力梯度有可能产生桔皮等漆膜弊病。表面活性也有助于改善涂层的耐磨损性，例如PDMS（聚二甲基硅氧烷）向气/液界面迁移，在涂层表面产生一个有机硅材料层，由于链间的分子间力较低，因而该有机硅材料层使涂层表面具有了润滑性。可选择某一分子量的PDMS以达到所要求的不同溶剂/基料组合的混容性平衡。PDMS之所以会具有如此多的优点，是因为高挠性无机聚合物主链允许甲基迅速地达到界面，产生极低的表面能量。而且，由于甲基基团能有效地屏蔽无机主链的权性，因而PDMS具有极低的分子间力，主链能够相互通过而几乎没有任何阻碍。在溶剂型木器涂料方面，芳烷基改性PDMS的使用在底材润湿、流平性和耐磨性等方面产生极好的效果。这种有机硅材料还有助于通过置换木器表面残存的微小气泡而将气体排除，这样就产生出一种改善润湿状况的良好效果。PDMS不溶于水并且将浮在水面上，因而不可能赋予水性涂料所需的特性。较大的有机硅液滴将导致涂层表面缺陷，这种情况可通过将PDMS预分散成一种乳液来加以克服，液滴大小一般小于1μm，PDMS添加剂以这种形式提供良好的润滑性能，并且不会产生表面缺陷。改善相容性 水对空气的表面张力大约为72mN/m，该数值大大高于传统涂料溶剂，产生较小的底材润湿能力。由于有机硅改善了溶剂型涂料的底材润湿性能，因而将它用于水性涂料体系是有理由和发展前途的。但在进行这种应用时，应注意最后一层涂层的涂装施工，在涂装完这一涂层之后，有机硅添加剂不会导致鱼眼、陷穴等表面缺陷的产生。然而，在干燥期间要将添加剂推到涂层表面以发挥如润滑之类的作用时，会有一定程度的不相容性，实现这种相容性平衡一直是有机硅添加剂领域开发的关键目标之一。经过改善有机硅添加剂的物理或化学性质，已经产生了多种用于水性涂料的有机硅添加剂。使PDMS与水性涂料相容的另一种方法是将PDMS作为一种自分散形式的聚合物，在这里添加剂由PDMS和有机硅表面活性剂化合物组成，其中后者可以使液滴稳定下来防止在分散之后发生聚结，这些化合物需要高度混合以在涂层中达到良好分散状态。PDMS与水的相容性可通过将亲水基接到聚合物链上而得到改善，这些聚合物具有表面活性剂的典型特征，例如疏水基团和亲水基团。疏水基团/亲水基团之比对于获取所需的相容性平衡十分重要。较高的疏水基团含量可能会导致反润湿缺陷。另一方面，较高的亲水基团含量则可能增加这种聚合物的溶解度,以致于干燥过程中在涂层与空气界面间没有聚结的动力。用于PDMS改性中最受欢迎的亲水基是聚醚链，它能附着于有机硅主链的各结点上，产生一种梳状结构。此外，它们还能附着于有机硅聚合物的两端，形成一种线性结构。这种共聚物结构对其性质产生一种像润滑添加剂那样的重要影响。相容性对透明涂料特别重要，光泽度不能下降且不能发生浑浊现象。由于这类共聚物具有表面活性剂的特性，因而它们经常表现出诸如良好的底材润湿性、耐磨损性和流平性等的特性组合，同时涂料的再涂性能也得到了较好的改善。对有机硅添加剂的测试是在一些透明家具清漆(钙脂清漆)和一种透明窗框清漆配方中进行的。这些测试主要包括润滑性能、光泽度、浑浊度、抗粘连性、耐水性、耐化学性及流平性。所有的添加剂都能降低摩擦系数，但只有在有机蜡添加量达到1/4 的情况下有机硅添加剂才能发挥作用。PDMS化合物正在显示出最佳综合性能，在基于丙烯酸酯的家具清漆和窗框清漆中取得类似的结果。这些摩擦系数的测试值都较低，但是各种添加剂的影响却表现出相同的倾向，在所用配方中采用PDMS化合物的性能最好。由于光泽度是涂装施工的一个主要特点，因而必须对这些涂层的光泽度进行测试。在有机硅添加剂对光泽度几乎没有影响的同时，有机蜡添加剂却正在使光泽度下降，而采用有机硅-聚醚共聚物则能增强光泽度。产生这种特性可从活性材料的物理性质及其与涂膜的相容性的方面进行解释，有机蜡的熔点大约为100℃，并且在涂层表面仍保持其固体粒子形态。这些固体粒子可能会产生某种附聚作用，使表面的光散射增强而降低了光泽度。有机硅-聚醚共聚物的主要优点在于它们与所处的液体环境及其所形成的涂层有较高的相容性，并能在表面形成一层薄膜，同时使有机硅链指向外界和使聚醚链留在涂层中。光泽度的增量较少可能与有机硅聚醚改善流平性有关，而流平性的改善减少了涂层表面的光散射。有机硅乳液和有机硅混合物中的PDMS液滴将随着水的蒸发而聚结，在涂层表面形成一个薄层，这一薄层对光泽度没有影响，但因整个涂层表面增加了一PDMS薄层的厚度而使光泽度有少许减小。改善抗粘连性 PDMS化合物改善了高温条件下的抗粘连性，表面润滑作用与抗粘连性等其他涂层性质有关，抗粘连性测试是在室温条件下经过24h干燥之后进行的。将两个涂层表面面对面放置，并加载25kg/cm2压力，分别在室温和50℃条件下持续放置16h，然后将两个涂层表面分开，肉眼观察涂层表面缺陷(可分四个等级无缺陷、少许缺陷、较多缺陷及严重缺陷)。该系列试验表明高温将对家具清漆的抗粘连性产生影响，但在室温条件下的家具清漆则表现出极好的性能，只有PDMS化合物才能改善高温条件下的抗粘连性，而且家具制造商可以在生产工艺流程确定之后不久就能对涂装设备进行组装。PDMS化合物具有良好的性能是因为它使用了分子量极高的PDMS树脂，为了让它能与水性涂料各成分相容，将它与有机硅表面活性剂混合以避免出现陷穴、反润湿等缺陷。对一种特殊核/壳分散体的窗框清漆进行试验所获得的结果表明，亲水性组分(如有机表面活性剂，有机硅聚醚)将降低高温条件下的抗粘连性，这种情况归因于一种软化作用。增加耐化学性 家具清漆的另一个重要特性就是耐化学性，总的来说，耐化学性基本上是一种体相性质，它受到清漆基料的影响。对水、口红、皮革光亮剂、调味蕃茄酱、咖啡和氢氧化钠的耐抗性则不受任何添加剂的影响。丙烯酸酯清漆对甜菜根有很强的耐抗性。加入PU(聚氨酯)基料可以降低对甜菜根的耐抗性，而加入这些添加剂对甜菜根的耐抗性又能重新得到增强。丙烯酸酯清漆对洗涤剂、漂白粉和洗衣粉的耐抗性通过采用适当的添加剂均能得到改善，综合测试的最佳结果是PDMS化合物。此外，PU基料也对清漆的体相性质有影响，导致这些添加剂产生出一些稍有不同的结果。所有的添加剂均可改善对洗涤剂的耐抗性，但只有加入PDMS添加剂才能改善对洗衣粉的耐抗性。在添加剂测试中，流平性是另一个必须的特性。采用有机硅聚醚共聚物的效果最佳，因为这种材料具有表面活性剂的结构，所以在干燥期间它会均匀地聚积于涂层和空气界面之间，这样它就能消除表面张力梯度和提高流平性，这种乳液和化合物颗粒的特性是在液滴聚结<

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