有機硅偶聯劑在水性聚氨酯涂料中的應用

水性聚氨酯樹脂

近年來，由于所具有的高彈性，抗低溫，不易磨損等優特點，使得其在生產生活中的應用越來越廣泛。但由于其分子中多含有親水基團，并且是線形的大分子結構，因此，樹脂的耐水性和耐溶性都表現的不如人意。而有機硅由于其具有的良好的抗低溫，不易磨損，憎水性，不易老化，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適光滑的手感。因此，越來越多的人都在考慮在在水性聚氨酯涂料中加入有機硅以改善其抗濕抗摩擦等性質。

　　一、有機硅偶聯劑的主要作用

　　在涂料中添加以有機硅為代表的偶聯劑，其主要的目的目標可以歸結為：1在涂層和底材之間發揮偶聯劑的作用;2在顏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，由于近年來各國對于環境問題和資源問題的重視程度與日俱增，更多的學者和教授著力于對水性聚氨酯涂料的開發與利用，以便能有效地降低和減少有機溶劑的毒性和有害性。雖然水性聚氨酯涂料具有抗磨性等一些良好的性能和優點，但其仍具有許多的不足之處。是一種以水為分散介質，不燃性好，最重要的無毒性且不會對環境造成污染，節約能源和資源，和便于加工的材料，正是由于其突出的優點，其在生活生產中的請用也越來越多。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能達到其運用領域和行業的標準和要求，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脂改性等辦法，但這些辦法在提高水性聚氨酯涂料的耐水性的同時，并不能對提高水性聚氨酯涂料的耐污性和穩定性產生很好的效果。而作為一類可以用于乳液的合成和水性涂料體系的建立的有機功能性硅烷化合物——有機硅氧烷，其中可作為代表也是應用最多的是含功能基團的有機硅氧烷(即為硅烷偶聯劑)。由于其特殊的結構，導致其中硅氧鏈段可以和無機材料緊密結合的同時帶來與有機材料的化學結合，使得其結構形成了是“ 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、耐化學品腐蝕性、耐溫變性、介電性、超強的伸縮性和彈性、生理惰性和低表面張力等能夠保證在使用過程中理化性能出色地特性，同時擴大了其的應用領域，使得其可在汽車，航天，飛機等領域中得到廣泛應用。

　　二、有機硅改性水性聚氨酯的主要方法

　　我們知道，要改善聚硅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,則可以使用聚硅氧烷乳液，同時兩者如果能夠共同使用，則可獲得取長補短，相互促進的效果。目前，應用較多的用以改善水性聚氨酯的性能的有機硅主要是羥基硅氧烷、氨基聚硅氧烷和環氧基硅氧烷這三種。而常用的改性方法則是包括將含有羥基或胺基的硅氧烷樹脂與二異氰酸酯產生反應, 然后加入水性聚氨酯乳液中, 通過異氰酸酯基和羥基縮合交聯，使水性聚氨酯的性能改性;或是在體系中加入環氧硅氧烷作為后交聯劑, 用以形成環氧交聯改性水性聚氨酯體系, 通過此種辦法來改善分散體的耐水性和力學性能。

　　(一)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，可以采用分散體和有機硅乳液進行物理共混改性，通過此種方法，就可以實現聚氨酯改善其性能的目的。而當我們將有機功能硅烷添加至水性聚氨酯乳液中時，硅烷就會和環境中的水汽發生水解反應，并通過反應形成共價鍵交聯，除此之外，它也會和包括玻璃，混凝土，金屬等多種基材表面所擁有的水解基團形成化學鍵合。由于其本身具有很高的水解敏感度，傳統的硅在水性體系中很容易產生水解交聯，會限制其進一步應用和發展的預交聯反應。而以通過水性聚氨酯中含有的羧基或羧基季胺鹽基團與偶聯劑中的環氧基發生反應及硅氧烷基之間的水解縮合反應來實現環氧硅氧烷改性水性聚氨酯的，反應之后所得到的涂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，固化溫度低，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，美國康普頓有限公司通過大力的研究，開發出了一系列具有良好的空間阻礙能力的能夠控制其水解敏感度的硅烷，因此有效的避免了上述的各種缺點和不利的情況。這些新型硅烷優勢在于設計上了較大的烷氧基團的結構，從而使其水解敏感度得以降低，表現出了即使是在水性體系中也可以長期貯存，并能保持其良好的物理特性和附著力不受影響。

　　同時，由于聚有機硅氧烷與聚氨酯鏈段的溶解度參數相差極大而導致的兩種樹脂極難相溶，在共混情況下會產生嚴重的分離情況，因此需在其中加入可以提供不同組成成分的相溶性的增溶劑，但值得注意的是，共混物帶來的不是化學鍵的形成而僅僅只是簡單的物理混合。因此會產生時效短的副作用，并且存在用量難以把握的缺點。因此，雖然用有機硅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，最好采用化學辦法。

　　(二)化學改性

水性聚氨酯

化學改性中的主要方法是利用氨基硅氧烷或羥基硅氧烷改性，利用乙烯基硅氧烷改性，聚硅氧烷/ 聚氨酯IPN改性和聚硅氧烷一聚氨酯的結構與性能,其中利用氨基硅氧烷或羥基硅氧烷改性中可采用端羥基的硅氧烷單體與二異氰酸酯和擴鏈劑反應，端氨基的硅氧烷單體與二異氰酸酯和擴鏈劑反應，端一N C O 基的異氰酸酯預聚物和端羥基硅氧烷單體或者聚硅氧烷反應這三種辦法來反應合成聚硅氧烷聚氨酯嵌段共聚物。接著，在水中分散共聚物，通過硅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, 從而得到交聯分散體，本文著重介紹前兩種。

　　而通過加入有機硅氧烷實現對丙烯酸聚氨酯雜合水分散體進行改性的目的,為了增強雜合水分散體膠膜的諸如耐熱性、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?？梢岳弥T如羥基、氨基、環氧基、乙烯基等有機官能團與聚氨酯預聚體產生反應。硅烷偶聯劑改性聚氨酯丙烯酸乳液，或者是使用丙烯酸單體與其實現混合共聚，從而實現在聚氨酯丙烯酸共聚乳液中加入有機硅氧烷。由于兩者之間的表面張力差，會使得低表面的物質逐漸向高表面能組分外部擴散和遷移，從而形成一種在乳液膠膜表面硅氧烷鏈段富集的情況，而活性硅氧烷基團會逐漸的產生水解反應形成硅醇，而硅醇的產生則會產生增加乳液內部的化學交聯點，從而使得交聯密度上升，增強涂料的致密性和抗熱性，并最終增強膠膜的耐水性和耐溶劑性。要實現這一方法，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法等的制備工藝。其中，前兩種在實際生產中的應用較多，但是由于硅氧烷的水解性過好從而降低了水性聚氨酯的穩定性，因此，總體來說，相對于其他方法，這個方法在實際生產中應用存在一定難度，并且研究也不是很多。

　　三、發展趨勢

　　隨著科技的進步與發展，新型高分子材料的應用與開發越來越普遍，有機硅改性聚氨酯也算是其中的一種，其用途非常廣泛。在水性聚氨酯粘合劑，防護涂料，紫外線光固化涂料，光學纖維和物品的保護涂層中使用有機硅偶聯劑，已收到非常好的效果。正是由于其使用的高效和廣泛性，對此進行研究的人數也越來越多。