MomentivePerformanceMaterials，PingJiang，LouisaMaio，VikramKumar，MartinWusik，YogeshTiwary，MikeSeeber

　　硅油和有机硅树脂可以提高室外涂料的耐候性，但与水性体系存在相容性问题。一种新型低VOC含量的交联有机硅树脂乳液具有高弹性和高相容性。将其添加到纯丙，苯丙乳液以及市售的混凝土涂料中，可提高涂膜性能。

　　有机硅树脂一直用于提高有机树脂组合物的耐候性。例如，采用有机硅改性醇酸树脂和丙烯酸树脂，可提高户外用溶剂型涂料的耐久性。

　　但是，对VOC排放的关注促进了水性技术的发展。事实上，由于有机硅树脂和水性有机树脂成分之间的不相容性和不混溶性，很难将有机硅树脂加入到水性有机树脂中。

　　正因为如此，作为助剂使用的有机硅材料通常都是硅油和有机硅树脂，而不是交联的凝胶或弹性化合物。然而，大量添加硅油和有机硅树脂通常是不能与水性有机树脂相容的。

　　因此，为了能加入数量较大的有机硅树脂材料，首先采用了带官能团的有机硅树脂中间体对有机树脂进行化学改性，然后进行乳化。使用硅油和树脂需要多项工艺步骤，包括树脂合成和乳化，这些步骤难以实施，也会使最终的改性有机树脂乳液成本增加。

　　现推出了一种可与水性有机树脂（例如丙烯酸乳液）相容的新型交联型有机硅树脂乳液（Y-19231）。这种新型水性有机硅树脂不含VOC。在室温下能固化成弹性膜，达到只有通过交联凝胶或弹性材料才能赋予的涂膜性能。

　　将这种有机硅树脂与水性有机树脂（例如丙烯酸乳液）简单混合，就可得到一种相容且稳定的树脂，在室温下可固化成均匀的涂膜。

　　结果一览

　　→研发出了一种新型的可交联的有机硅树脂乳液，具有高弹性，与标准水性乳液相容性优异，且几乎不含VOC。添加到纯丙和苯丙乳液中，可提高涂膜性能。

　　→特别是QUV耐候性明显提高。同时，耐渗碱性和耐沾污性也有所改善。

　　→也作为一种混凝土涂料的助剂进行了试验。涂料在进行热老化前后，在混凝土表面的附着力均有明显提高。添加一种可相容的硅烷可进一步提高性能。

　　新型有机硅树脂乳液的主要特征

　　实际上，该产品是一种具有交链有机硅树脂结构的低黏度乳液。其主要特点汇总见表1。可在室温下固化形成疏水性弹性膜。涂膜的基本性能详见表1。

表1 Y-19231水性有机硅树脂及其固化膜的典型物理性能（25℃固化）

　　在拉力试验中，将约30g的有机硅树脂放入4x8英寸（10x20cm）的Teflon模具中，25°C下干燥7d，制备样板。将标有长度的哑铃形样板从1inch拉伸到2inch（2.5~5cm），在23°C/相对湿度50%下保持24h，测量弹性恢复。

　　在释放拉力30min后，对标记长度进行重新测量。如果测量出的恢复长度还是原来的1inch，那么弹性恢复为100%。固化膜也呈现出耐高温性能。例如，TGA（热重分析）数据显示固化膜在400°C下仍然稳定。

　　由于有机硅树脂乳液可以固化形成弹性膜，所以在一些体系中可单独作为基料使用。但本研究中只是将其放在丙烯酸树脂乳液中同作为共基料使用。具体应用实例以下将说明。

　　提高丙烯酸乳液性能

　　最开始的研究旨在考察有机硅树脂与丙烯酸树脂乳液的相容性。采用外用涂料的市售纯丙乳液作为参照乳液，与它和有机硅树脂乳液的各种混合物进行对比。涂膜性能对比见表2所示。

表2 水性有机硅树脂（作为共基料）与丙烯酸乳液共混的对比研究

　　即使在混合比高达30%的情况下，有机硅树脂与市售丙烯酸乳液仍高度相容。通过对比，发现传统的有机硅树脂乳液在混合比例为10%时，就会产生部分不相容，在混合树脂膜表面上观察到缩孔。

　　其次，将有机硅树脂与丙烯酸树脂乳液进行简单的混合就能够提高涂膜表面疏水性。同时，还观察到有机硅树脂的其他典型特征，例如：较低的摩擦系数。

　　不出所料，在对照乳化膜上未观察到元素硅。但是，在10%的共混树脂膜上观察到有6.4%（质量分数）的硅元素，其中按均匀体积分布进行理论计算应该有4%（质量分数）的硅元素。该结果证明了在丙烯酸有机硅树脂共混树脂膜表面上或近表面处存在有机硅浓缩物。

　　还提高了未加颜料的苯丙乳液的性能

　　有机硅树脂乳液还有助于提高苯丙乳液膜的耐紫外线性能。将市售柔性苯丙乳液试样与含10%新型有机硅树脂乳液共混物的试样进行对比。

　　室温下，将2种树脂膜放在铝基材表面进行固化，然后进行QUV-B试验2000h。锥轴弯曲测试显示曝露试验后树脂膜的柔韧性存在差异。在对照样苯丙树脂膜上出现了裂纹，而在添加有10%有机硅树脂成分的共混树脂膜中未观察到裂纹（见图1）。

图1 添加有机硅树脂乳液能提高柔韧性（锥轴弯曲试验）

　　因此，有机硅树脂乳液有助于保持树脂的柔韧性，否则在接触紫外线后，柔韧性会降低。

　　丙烯酸外用色漆的试验程序

　　作为外用涂料的共基料，新型有机硅树脂有助于提高各种抗性，如耐水性和耐UV性。使用缎光（29%，PVC）和哑光（66%，PVC）的配方来证明其作为外用涂料共基料的价值。2种配方如表3所示。

表3 缎光配方（29%，PVC）和哑光配方（66%，PVC）

　　试验前，2种涂料样品在室温下固化7d。通过加速UV曝露试验和吸水性试验对耐候性进行检测和对比。

　　使用AtlasUV加速老化仪进行加速老化试验。根据ASTMD4587-11标准的方法，使用荧光UVA灯在0.89W/m²UV强度下，进行8hUV辐射和4h冷凝循环。采用BYK公司的Trigloss光泽仪测定光泽。

　　使用ColorEye分光光度仪，测量不同时间的L、a、b值，然后计算颜色变化的色差（ΔE），公式如下：

　　采用按工业惯例自主开发的方法进行吸水试验。对于低PVC涂料，通过在聚四氟乙烯片基涂覆涂层，然后剥离制备游离膜，而对于高PVC涂料，在铝盘内制备薄膜，因为该薄膜很脆，不能用作游离膜。

　　将游离膜浸入水中或在铝盘内添加水，24h后取出，在淋干和用纸巾轻轻地吸收多余的水之后对试样进行称重。吸水率（%）通过以下公式进行计算：（终重-首重）/膜重x100(W_最终-W_初始)/W_涂膜x100。

　　吸水性和老化试验结果显示出优势

　　测量两种缎光涂料试样在UV老化前后的光泽。与丙烯酸对照样相比，含14%作为共基料的有机硅树脂的试样，其保光性要好得多（在1000hQUV-A后，失光率分别为18%与53%）。在1000hQUV-A老化后，对这两种缎光涂料试样的变色进行测量。与丙烯酸对照样本（ΔE=2.5）相比，含14%作为共基料的新型有机硅丙烯酸共混乳液的颜色变化色差（ΔE）降低了29%（ΔE=1.8）。

　　在以上的试验条件下，与丙烯酸对照样本对比，含14%水性有机硅树脂的丙烯酸混合物试样（作为共基料）的吸水率降低了49%。

　　测定了2种哑光涂料在1000hQUV-A人工老化后的变色色差。与丙烯酸对照样相比，含14%有机硅树脂乳液的丙烯酸混合试样（作为共基料）的颜色变化色差（ΔE）降低了45%（分别为ΔE=2.5与ΔE=4.5）。

　　在相同的试验条件下，与丙烯酸对照样本相比，含14%新型水性有机硅树脂的丙烯酸混合试样（作为共基料）的吸水率降低了51%。对新型硅树脂作为共基料对哑光涂料配方中耐粉化性的影响也进行了研究。采用了按工业惯例自主开发方法（ASTMD7072方法的改进）。

　　在薄型水泥砂浆（纤维水泥）瓷砖上的两面以及每个边（留一边）上分别涂覆含和不含有机硅树脂单层涂料。在室温下干燥24h，然后将其垂直放入2%(质量分数)NaOH溶液中，未涂覆的一边朝下。NaOH溶液透过基材发生迁移，通过毛细管作用逐渐润湿已涂覆的表面。对瓷砖进行数日的监控，直到能在其中一个试样上看到白色盐垢（通常情况下3～7d内），然后将瓷砖取出，并至少干燥24h，目测观察，对相对抗渗碱性进行评估（见图2）。

图2 通过添加有机硅树脂乳液提高耐渗碱性

　　在室温下干燥4d，并经户外曝晒4d后，进行耐沾污性评估。用刷涂法涂上污染物（氧化铁色浆或木炭水桨），在室温下干燥1h，然后再在50°C下干燥2h。然后，将样板在流动的水下进行冲洗，同时用干净的软布轻轻擦拭。如图3所示，加入有机硅树脂成分后能保持或改善对照产品的耐沾污性。

图3 添加有机硅树脂乳液与不添加有机硅乳液的耐沾污性对比

　　提高市售涂料在混凝土表面的附着力

　　在此例中，通过在一种单组分苯丙乳液车库用涂料中加入水性有机硅树脂，证明有机硅树脂有助于提高和保持涂料在混凝土基材上的附着力。

　　在市售涂料中添加助剂（按照总的树脂固体分）制备涂料。然后通过机械搅拌30min，高速混合涂料配方的各组分，然后在密闭容器中，室温下平衡24h。从MasonryTestBlock公司购得混凝土基材。涂装前，使用市售酸性混凝土酸蚀剂和清洁剂将其清理干净，然后进行冲洗。允许基材在室温下干燥24h，或者直到观测到达到衡重为止。采用涂刷或辊涂进行涂覆。控制每一块基材上的干膜总重，使每块涂覆涂料后的基材达到标准统一。将涂覆涂料的基材在室温下固化7d，然后测定附着力。按照ASTMD3359-09，用划格法测附着力。

　　附着力也可以定量测定，在4次胶带拉拔试验之后，通过计量涂膜在混凝土上残留的格子数量定量表示。通过使用木质压舌板压胶带来确保胶带与混凝土之间有足够的附着力。将胶带旋转90°后拉拔。

　　在50°C下，进行2W的热老化处理。将涂料密封在容器内，置于50°C烘箱中放置2W。然后取出，搅拌，在室温下放置24h，然后涂覆在混凝土基材上。将刚老化的涂料以预老化涂料相同的方式，涂覆在新的混凝土基材上。

图4 添加/不添加有机硅树脂乳液和硅烷的涂料试样品经老化后附着力的对比（在混凝土上进行附着力试验）

　　如图4所示，对不同老化程度涂料试样的附着力进行目视对比。由于混凝土表面存在差异，需在2个不同位置进行测量。众所周知，环氧硅烷有助于提高在混凝土上的附着力，但通常缺乏所要求的罐内稳定性，在涂料存储或加速老化期间附着力会下降。

　　但是，在该涂料配方中，当将2%的新型有机硅树脂乳液作为后添加助剂加入时，可观察到老化前后的附着力变得更强。CoatOSilMP-200硅烷与有机硅树脂的混拼表现出更佳的性能。

“有机硅树脂材料也可引起附着力或重涂性问题。”

　　向PingJiang提出3个问题

　　为什么有机硅树脂和水性体系之间会存在兼容性问题？

　　当有机硅树脂材料用作水性体系中的共基料时，可以通过以下一些现象来说明不相容问题：无法与配方中的其他基料均匀混溶；即使在配方中可以混溶，但固化后不能形成相容的掺混膜；即使最初形成了相容的膜，但是也经常可以看到有机硅树脂向表面迁移（所谓的“有机硅树脂溢出”）。此外，有机硅树脂材料也会产生附着力或重涂性的问题。为解决这些不相容的问题，特研发出Y-19231有机硅乳液（现作为市售CoatOSilDRI水性有机硅树脂）。

　　这些新型乳液可用于哪些户外外用涂料呢？

　　无论是作为单一基料或者共基料，Y-19231有机硅乳液均可提供与典型有机硅材料同样的良好性能，如：良好的耐水性和耐UV性和耐高温性等。由于其持久的弹性强度，还有助于提高丙烯酸树脂的伸长率或柔韧性。因此，对任意一种对耐候性或耐久性有要求的外用涂料而言，都可将Y-19231有机硅乳液作为共基料或者单一基料用于绝大多数的水性涂料配方中。

　　新型树脂也可以用于内用涂料吗？

　　与外用涂料相比，内用涂料对性能要求可能不同，因此根据个别性能要求，Y-19231有机硅乳液可能可用，也可能不可用。