用于水性涂料的有机硅助剂及其构效关系

该文所有文字与图表版权属于<中国涂料>, 已发表于<中国涂料>2012年1月刊,未经许可,请勿以任何形式商用. ___________________________________________________________ 用于 水性涂料 的 有机硅助剂 及其 构效关系 田骏翔 * ，熊邦虎 （上海泰格聚合物技术有限公司，上海 201203 ） 摘要 ： 有机硅助剂用于提高水性涂料生产效率和改善涂料性能。根据使用性能的不同，可分为有机硅润湿剂、分散剂、流平剂、消泡剂、附着力促进剂和外交联剂等。通过调节分子结构中的亲水亲油段比例值和硅氧烷链段的含量，可以有效控制有机硅助剂的相对相容性以及附属的手感、滑度等性能。从结构和性能的对应关系上阐述了各类助剂的结构特征和效果控制因素。 关键词 ：有机硅；改性硅油；助剂；水性涂料；构效关系 0 引言 涂料的水性化以低挥发性有机化合物 (voc) 释放和无火灾隐患等特征快速适应了人们对其环保和低碳要求，成为涂料工业发展的重点方向之一。然而， 与溶剂型涂料的表面张力相对较低不同， 以水为分散介质也会带来如因表面张力高出现涂膜极易缩孔、体系极易起泡、颜料难分散、底材难有效润湿和附着等弊病。为了消除 以上因水的高表面张力引起的各种漆膜弊病 ，越来越多的助剂产品被 应用到水性涂料体系当中 ，如水性流平剂、水性消泡剂和水性分散剂等。 通常，用于水性体系的助剂主要是一些界面活性剂，他们一般通过降低表面张力（如漆膜 - 空气界面）和界面张力（如颜料 - 漆膜界面，漆膜 - 底材界面等）来消除相应的漆膜弊病或提高漆膜的性能。 有机硅类化合物由于其结构的特点，通常具有较低的表面张力 ， 有较高的表面活性，在水性涂料体系有广泛的应用，是水性涂料助剂的重要品种 。 并且有机硅由于其结构可调，可以通过对其结构的调整，达到不同的使用效果，提供多样化的性能。 用于水性涂料体系的有机硅助剂从其化学成分来分，主要有硅烷和硅油两大类，如图 1 所示。硅烷主要是一些小分子化合物，结构中通常含有一个硅原子，在水性涂料当中主要用作附着力促进剂，外交联剂，分散剂等等；用于水性涂料体系的硅油类助剂主要成分都是一些改性硅油，通过调整助剂的分子量，改性基团的种类和含量以及端基的官能团的种类，可以得到各种不同性能的助剂。 图 1 硅烷与 硅油分子结构模型 在水性涂料体系用的最多的硅油类助剂其化学成分是聚醚改性硅油，其具有如图 2 的结构，其中 m ， n 的数值大小决定了结构当中硅氧烷链段的含量， x ， y 数值的大小决定了聚醚链段的分子量大小和亲水性（ x 单元表示环氧丙烷单元的数量，是疏水单元， y 单元表示环氧乙烷单元的数量，是亲水单元，当 x 大于 y 的时候，聚醚链段是疏水链段， x 小于 y 的时候，聚醚链段是亲水单元）， m ， n ， x ， y 的数值决定了相应的聚醚改性硅油的性能，也决定了他们用做水性涂料助剂时的用途。 比如当需要助剂提供较好的手感的时候，可以通过提高 m ， n 的数值来达到，当需要助剂具有良好的消泡能力的时候，可以通过提高 m ， n ， x 的数值，降低 y 的数值达到，当需要提高助剂的使用安全性，降低产生漆膜弊病的风险的时候，则可以通过提高 m ，降低 n 的数值来达到。 图 2 聚醚改性硅油分子结构模型 我们将在接下去的篇幅中分别举例讨论不同 结构 的有机硅助剂其结构和性能之间的构效关系。 1. 用作水性涂料流平剂的有机硅助剂 通常，涂料当中的流平剂的结构一般都由两部分组成，与体系相容链段和与体系不相容并且表面张力低于体系的链段。在施工成膜过程中，由于低表面张力不相容链段的分离迁移作用，助剂会自发迁移到涂料体系的表面，形成单分子膜，从而为体系提供均匀的表面张力，消除因表面张力梯度所引起的各种漆膜表面弊病。 下图是一个用作水性涂料流平剂的聚醚改性硅油的结构。 图 3 聚醚改性硅油流平剂分子结构模型 在上述结构当中，有机硅链段有 15 个硅氧烷单元，是与体系不相容且表面张力低于体系的链段；聚醚链段中含有 8 个亲水的 eo 单元， 2 个疏水的 po 单元，因亲水单体占多数，故整体属于亲水链段，用于水性体系，是与体系相容的链段；故上述结构的聚醚改性硅油可用于水性涂料体系做流平剂使用。另外由于上述结构当中硅氧烷链段共有 15 个单元，有足够的长度，故上述聚醚硅油在提供流平性能的同时，还可以提供良好的滑度和抗划伤性能。 2. 用作水性涂料消泡剂的有机硅助剂 具有下图结构的聚醚改性硅油在水性涂料体系可以用作消泡剂。 图 4 有机硅消泡剂的分子结构模型 根据公认的消泡理论，一个物质能够用作 涂料体系的消泡剂 ，通常 需要满足两点：一是具有比应用体系低的表面张力；二是与应用体系不相容。由于矿物油型消泡剂 对漆膜表面的光泽等会产生不利的影响 ， 故 有机硅型消泡剂在 中高档的 水性涂料中应用更普遍。如 上图