有機矽偶聯劑在水性聚氨酯塗料中(zhōng)的應用

水性聚氨酯樹(shù)脂

近年來，由于所具有的高彈性，抗低(dī)溫，不(bù)易磨損等優特點，使得(de)其在生(shēng)産生(shēng)活中(zhōng)的應用越來越廣泛。但由于其分子中(zhōng)多含有親水基團，并且是線形的大分子結構，因此，樹(shù)脂的耐水性和耐溶性都(dōu)表現的不(bù)如人(rén)意。而有機矽由于其具有的良好的抗低(dī)溫，不(bù)易磨損，憎水性，不(bù)易老(lǎo)化(huà)(huà)，抗輻射等諸多優點，并且最突出的還是它具有良好的柔韌性質和舒适光(guāng)滑的手感。因此，越來越多的人(rén)都(dōu)在考慮在在水性聚氨酯塗料中(zhōng)加入有機矽以改善其抗濕抗摩擦等性質。

　　一(yī)、有機矽偶聯劑的主要作用

　　在塗料中(zhōng)添加以有機矽為代表的偶聯劑，其主要的目的目标可以歸結為：1在塗層和底材之間發揮偶聯劑的作用;2在顔料和填料之間發揮偶聯劑的作用。

水性聚氨酯材料

除此之外，由于近年來各國(guó)對于環境問(wèn)題和資源問(wèn)題的重視程度與日俱增，更多的學者和教授著(zhe)力于對水性聚氨酯塗料的開(kāi)發與利用，以便能有效地(dì)(dì)降低(dī)和減少(shǎo)有機溶劑的毒性和有害性。雖然水性聚氨酯塗料具有抗磨性等一(yī)些(xiē)良好的性能和優點，但其仍具有許多的不(bù)足之處。是一(yī)種以水為分散介質，不(bù)燃性好，最重要的無毒性且不(bù)會(huì)對環境造成污染，節約能源和資源，和便于加工(gōng)的材料，正是由于其突出的優點，其在生(shēng)活生(shēng)産中(zhōng)的請(qǐng)用也(yě)越來越多。然而常用的線型大分子結構的水性聚酯脂材料的性能還不(bù)能達到其運用領域和行業(yè)的标準和要求，為增強其性能，擴大對其的利用深度和廣度，需要通過在其中(zhōng)添加材料來對其改性。而現在最常用的辦法則是使用能夠提高水性聚氨酯的交聯密度的丙烯酸酯或環氧樹(shù)脂改性等辦法，但這些(xiē)辦法在提高水性聚氨酯塗料的耐水性的同時，并不(bù)能對提高水性聚氨酯塗料的耐污性和穩定性産生(shēng)很(hěn)好的效果。而作為一(yī)類可以用于乳液的合成和水性塗料體(tǐ)系的建立的有機功能性矽烷化(huà)(huà)合物——有機矽氧烷，其中(zhōng)可作為代表也(yě)是應用最多的是含功能基團的有機矽氧烷(即為矽烷偶聯劑)。由于其特殊的結構，導緻其中(zhōng)矽氧鍊段可以和無機材料緊密結合的同時帶來與有機材料的化(huà)(huà)學結合，使得(de)其結構形成了是“ 有機基團” 和

　　“ 無機結構”的巧妙組合，并且擁有了無機物和有機物兩方面的諸如良好的的耐水性、耐化(huà)(huà)學品腐蝕性、耐溫變性、介電性、超強的伸縮性和彈性、生(shēng)理惰性和低(dī)表面張力等能夠保證在使用過程中(zhōng)理化(huà)(huà)性能出色地(dì)(dì)特性，同時擴大了其的應用領域，使得(de)其可在汽車(chē)，航天，飛機等領域中(zhōng)得(de)到廣泛應用。

　　二、有機矽改性水性聚氨酯的主要方法

　　我們知道(dào)，要改善聚矽氧烷乳液的耐油性可以使用聚氨酯，而要改善水性聚氨酯的耐水和耐溶劑性能,則可以使用聚矽氧烷乳液，同時兩者如果能夠共同使用，則可獲得(de)取長(cháng)補短，相(xiàng)互促進的效果。目前，應用較多的用以改善水性聚氨酯的性能的有機矽主要是羟基矽氧烷、氨基聚矽氧烷和環氧基矽氧烷這三種。而常用的改性方法則是包括将含有羟基或胺基的矽氧烷樹(shù)脂與二異氰酸酯産生(shēng)反應, 然後加入水性聚氨酯乳液中(zhōng), 通過異氰酸酯基和羟基縮合交聯，使水性聚氨酯的性能改性;或是在體(tǐ)系中(zhōng)加入環氧矽氧烷作為後交聯劑, 用以形成環氧交聯改性水性聚氨酯體(tǐ)系, 通過此種辦法來改善分散體(tǐ)的耐水性和力學性能。

　　(一(yī))物理共混改性

水性聚氨酯

為了改善和加強聚氨酯乳液的耐油、耐非極性溶劑的性能，可以采用分散體(tǐ)和有機矽乳液進行物理共混改性，通過此種方法，就(jiù)可以實現聚氨酯改善其性能的目的。而當我們将有機功能矽烷添加至水性聚氨酯乳液中(zhōng)時，矽烷就(jiù)會(huì)和環境中(zhōng)的水汽發生(shēng)水解反應，并通過反應形成共價鍵交聯，除此之外，它也(yě)會(huì)和包括玻璃，混凝土，金(jīn)屬等多種基材表面所擁有的水解基團形成化(huà)(huà)學鍵合。由于其本身具有很(hěn)高的水解敏感度，傳統的矽在水性體(tǐ)系中(zhōng)很(hěn)容易産生(shēng)水解交聯，會(huì)限制(zhì)其進一(yī)步應用和發展的預交聯反應。而以通過水性聚氨酯中(zhōng)含有的羧基或羧基季胺鹽基團與偶聯劑中(zhōng)的環氧基發生(shēng)反應及矽氧烷基之間的水解縮合反應來實現環氧矽氧烷改性水性聚氨酯的，反應之後所得(de)到的塗層具有耐水耐有機溶劑性能好的特點和優勢，除此之外，還具有安全，無毒，固化(huà)(huà)溫度低(dī)，所要求的資源使用量小等利于可持續發展的特點。

　　而最近幾年以來，美(měi)國(guó)康普頓有限公司通過大力的研究，開(kāi)發出了一(yī)系列具有良好的空間阻礙能力的能夠控制(zhì)其水解敏感度的矽烷，因此有效的避免了上述的各種缺點和不(bù)利的情況。這些(xiē)新型矽烷優勢在于設計(jì)上了較大的烷氧基團的結構，從而使其水解敏感度得(de)以降低(dī)，表現出了即使是在水性體(tǐ)系中(zhōng)也(yě)可以長(cháng)期貯存，并能保持其良好的物理特性和附著(zhe)力不(bù)受影響。

　　同時，由于聚有機矽氧烷與聚氨酯鍊段的溶解度參數相(xiàng)差極大而導緻的兩種樹(shù)脂極難相(xiàng)溶，在共混情況下(xià)會(huì)産生(shēng)嚴重的分離(lí)情況，因此需在其中(zhōng)加入可以提供不(bù)同組成成分的相(xiàng)溶性的增溶劑，但值得(de)注意的是，共混物帶來的不(bù)是化(huà)(huà)學鍵的形成而僅僅隻是簡單的物理混合。因此會(huì)産生(shēng)時效短的副作用，并且存在用量難以把握的缺點。因此，雖然用有機矽共混改性聚氨酯的方法操作簡單易行但存在極大的局限性，性能方面受到嚴重的影響。因此，當對性能有較高要求時，最好采用化(huà)(huà)學辦法。

　　(二)化(huà)(huà)學改性

水性聚氨酯

化(huà)(huà)學改性中(zhōng)的主要方法是利用氨基矽氧烷或羟基矽氧烷改性，利用乙烯基矽氧烷改性，聚矽氧烷/ 聚氨酯IPN改性和聚矽氧烷一(yī)聚氨酯的結構與性能,其中(zhōng)利用氨基矽氧烷或羟基矽氧烷改性中(zhōng)可采用端羟基的矽氧烷單體(tǐ)與二異氰酸酯和擴鍊劑反應，端氨基的矽氧烷單體(tǐ)與二異氰酸酯和擴鍊劑反應，端一(yī)N C O 基的異氰酸酯預聚物和端羟基矽氧烷單體(tǐ)或者聚矽氧烷反應這三種辦法來反應合成聚矽氧烷聚氨酯嵌段共聚物。接著(zhe)，在水中(zhōng)分散共聚物，通過矽氧烷的水解縮合交聯反應來實現改善水性聚氨酯的性能的目的, 從而得(de)到交聯分散體(tǐ)，本文著(zhe)重介紹前兩種。

　　而通過加入有機矽氧烷實現對丙烯酸聚氨酯雜合水分散體(tǐ)進行改性的目的,為了增強雜合水分散體(tǐ)膠膜的諸如耐熱(rè)性、耐溶劑性和硬度等特性，從而使其能夠擁有更為廣闊和更為深層的應用和發展前景。可以利用諸如羟基、氨基、環氧基、乙烯基等有機官能團與聚氨酯預聚體(tǐ)産生(shēng)反應。矽烷偶聯劑改性聚氨酯丙烯酸乳液，或者是使用丙烯酸單體(tǐ)與其實現混合共聚，從而實現在聚氨酯丙烯酸共聚乳液中(zhōng)加入有機矽氧烷。由于兩者之間的表面張力差，會(huì)使得(de)低(dī)表面的物質逐漸向高表面能組分外部擴散和遷移，從而形成一(yī)種在乳液膠膜表面矽氧烷鍊段富集的情況，而活性矽氧烷基團會(huì)逐漸的産生(shēng)水解反應形成矽醇，而矽醇的産生(shēng)則會(huì)産生(shēng)增加乳液內(nèi)部的化(huà)(huà)學交聯點，從而使得(de)交聯密度上升，增強塗料的緻密性和抗熱(rè)性，并最終增強膠膜的耐水性和耐溶劑性。要實現這一(yī)方法，可以采用包括了諸如種子乳液聚合法、原位乳液聚合法和溶液聚合轉相(xiàng)法等的制(zhì)備工(gōng)藝。其中(zhōng)，前兩種在實際生(shēng)産中(zhōng)的應用較多，但是由于矽氧烷的水解性過好從而降低(dī)了水性聚氨酯的穩定性，因此，總體(tǐ)來說(shuō)，相(xiàng)對于其他(tā)(tā)方法，這個(gè)方法在實際生(shēng)産中(zhōng)應用存在一(yī)定難度，并且研究也(yě)不(bù)是很(hěn)多。

　　三、發展趨勢

　　随著(zhe)科技的進步與發展，新型高分子材料的應用與開(kāi)發越來越普遍，有機矽改性聚氨酯也(yě)算是其中(zhōng)的一(yī)種，其用途非常廣泛。在水性聚氨酯粘合劑，防護塗料，紫外線光(guāng)固化(huà)(huà)塗料，光(guāng)學纖維和物品的保護塗層中(zhōng)使用有機矽偶聯劑，已收到非常好的效果。正是由于其使用的高效和廣泛性，對此進行研究的人(rén)數也(yě)越來越多。