• 主题:建筑涂料,树脂
扩大有机硅化学的应用

特约作家

有机硅具有独特的物理特性,并赋予油漆和涂料一系列特性。当以非常低的量用作添加剂时,它们可以显着改善加工条件和油漆的最终外观。有机硅交联剂还可用于改善醇酸和丙烯酸涂料的性能。与传统环氧树脂相比,采用有机硅粘合剂的保护涂层具有更高的性能。例如,无机有机硅涂料用于高温应用,因为它们比有机树脂更热稳定。为给定的应用选择正确的有机硅化学并实现与其他涂料成分的兼容性对于最大限度地发挥有机硅添加剂、交联剂和树脂的优势都至关重要。

根据 Grand View Research 的数据,全球有机硅市场正以 4.6% 的复合年增长率扩大,预计到 2025 年将达到 187.3 亿美元。市场包括纯有机硅、混合和无机树脂、橡胶化合物和低聚物用于建筑和建筑、塑料和复合材料、油漆和涂料、化学品、个人护理、食品和饮料、电气、汽车、能源和其他应用。在有机硅树脂领域,油漆和涂料应用占据了越来越大的市场份额,因为配方设计师希望利用它们提供的疏水性和水蒸气渗透性、耐热性和抗紫外线性、柔韧性、抗腐蚀性和电绝缘性。流体、凝胶、树脂和弹性体形式的有机硅添加剂用作消泡剂,

油漆和涂料中使用的有机硅可以是完全无机的或无机/有机混合物。无机(100% 有机硅)树脂目前在建筑涂料和非高温工业应用中用作添加剂。高耐热性源自 100% 无机基树脂。具有优异热稳定性的全无机树脂还为专为极高温应用而设计的涂料提供腐蚀保护和耐候性。有机含量低的聚甲基硅氧烷也可用于一些高温涂料。通过将有机硅与有机树脂共聚制备的杂化树脂也用于涂料体系,最常用于改善建筑涂料的耐候性和耐化学性。有机硅添加剂赋予理想的流动性和流平性,减少泡沫,有助于防水,并赋予释放和表面滑爽特性。有机硅固化剂也被设计用来提高涂层性能并有可能取代传统的、不太理想的材料。

树脂共混物中使用的有机硅树脂通常可替代 5-15% 的现有树脂。在高温涂料中,有机硅占树脂含量的 100%。例如,当用作添加剂以减少泡沫时,它们通常占总配方重量的不到 0.5%。氨基聚硅氧烷的加入量通常占总配方重量的 1-3%。

有机硅树脂化学进展

油漆和涂料中使用的许多有机硅树脂是混合树脂,例如含有机硅的丙烯酸树脂和聚酯。阿克苏诺贝尔全球技术集团研发高级科学家 Alex Yahkind 表示,在建筑涂料中,由于硅化聚酯树脂比传统的不含硅树脂具有优异的耐久性,并且与含氟聚合物相比成本更低,因此越来越受欢迎。许多有机硅树脂用于卷材涂料,在工厂中用于金属,后来用于制造屋顶和壁板。“有机硅的加入提高了这些涂层的抗紫外线能力,这在这些应用中是必不可少的,”Yahkind 说。

旨在减少后固化的有机硅交联剂(聚硅氧烷)的最新进展已取得成功,并且也有助于保护涂料领域的发展。

根据陶氏化学公司陶氏涂料材料北美营销总监乔恩·费德斯 (Jon Fedders) 的说法,在高温涂料领域,以前的有机硅树脂要么是热固化的,要么是风干的。“风干树脂会出现固化后脆化,通常会变硬。最近的有机硅材料表现出更好的室温固化和相当大的柔韧性,”他观察到。例如,他以 DOWSIL™ 2405 树脂为例,它为配方设计师提供了显着扩展室温固化配方空间的选项,此外还提供柔韧、抗冲击的耐高温涂料无溶剂输送。“由于这些类型的进步,有机硅在保护涂料市场中的使用可能会增加,”Fedders 补充道。

材料来自世界各地的全球保护涂层项目日益复杂,这也推动了更多有机硅树脂的使用。“保护涂层不仅必须在涂层涂覆后提供防腐蚀保护,而且还必须在施工和组装阶段提供防腐蚀保护,这通常发生在不同的地方,”阿克苏诺贝尔防腐和饰面开发实验室经理 Sioned Ferriday 评论道。阿克苏诺贝尔开发了新型环境固化涂料,旨在应对这一挑战。Ferriday 表示,这些配方涂料易于应用,并在其整个生命周期内提供保护,包括在环境和高温下的出色性能。

Fedders 表示,旨在减少后固化的有机硅交联剂(聚硅氧烷)的最新进展已经取得成功,并且也有助于保护涂料领域的发展。他还指出,虽然工作仍处于初步阶段,但硅氧烷正日益成为油漆和涂料中异氰酸酯交联剂的可能替代品。“与开发有机硅作为非异氰酸酯溶液相关的咨询数量正在增加,这表明我们将看到该领域的进一步发展,”Fedders 评论道。据 Yahkind 称,反应的类型取决于交联剂的化学结构和所用的树脂体系,但总体结果是提高了耐化学性、耐久性,以及涂料对各种基材的附着力。此外,低和中等分子量的乙烯基和氢化物反应性聚合物,例如由 AB Specialty Silicones (ABSS) 制造的聚合物,赋予额外的功能,例如用于热稳定性的苯基或用于表面改性的氟基。据业务发展总监 Charles Olsen 称,它们的可用性增加了可以从改进的性能中受益的涂料配方的范围。他的公司在此类别中提供 Andisil FS 乙烯基和 Andisil SF 二苯基二甲基乙烯基共聚物。据业务发展总监 Charles Olsen 称,它们的可用性增加了可以从改进的性能中受益的涂料配方的范围。他的公司在此类别中提供 Andisil FS 乙烯基和 Andisil SF 二苯基二甲基乙烯基共聚物。据业务发展总监 Charles Olsen 称,它们的可用性增加了可以从改进的性能中受益的涂料配方的范围。他的公司在此类别中提供 Andisil FS 乙烯基和 Andisil SF 二苯基二甲基乙烯基共聚物。

还值得注意的是,有机硅的疏水性和湿气渗透性继续推动它们在许多类型的油漆和涂料中的应用。“有机硅可以将水分拒之门外,但允许基材水分蒸发到大气中。结果是增加了涂层和基材的使用寿命,同时降低了维护成本,”瓦克化学公司营销经理 Mark Westfall 说。他补充说,额外的进步与控制有机硅树脂的玻璃化转变温度 (T g ) 相关,这会影响许多性能,例如附着力、耐磨性和耐沾污性。

有机硅添加剂化学进展

Westfall 表示,所有类型的有机硅,包括树脂、氨基聚硅氧烷、pH 调节剂、泡沫控制产品等,都用作油漆和涂料的添加剂。“这些不同化合物中的活性硅原子改变了许多不同的涂层特性,”他解释说。例如,他指出氨基聚硅氧烷可改变开放时间以防止搭接痕迹并改善颜色接受度、早期防水性、流动和流平控制以及减少沾污。“减少沾污和染色是瓦克的主要关注领域,”他补充道。

Ferriday 有机硅添加剂的一项重要特性是其灵活性。“用有机硅添加剂配制的涂料具有所需的灵活性,可以为他们提供更多的定制产品选择,”她评论道。据 Yahkind 称,有机硅添加剂还有助于配方设计师控制其涂料的流动、流平和消泡性能。对于 Fedders 来说,除了消泡剂应用之外,作为添加剂的有机硅化学最重要的特性是防水剂的作用。“众所周知,防水剂以提供低吸水率同时提供高度透气性而著称,因此可以在涂层的整个生命周期内释放基材中的水分,”他说。

根据 Fedders 的说法,疏水物的最新进展现在不仅提供了防水性和透气性,而且还解决了所谓的“蜗牛痕迹”或表面活性剂浸出问题。他指出,DOWSIL 904H 涂料添加剂是一种用于建筑外墙涂料的有机硅添加剂,通过减少水溶性成分浸出到表面时常见的蜗牛痕迹效应,增强建筑外墙的美感。通过增加表面疏水性,它还可以提高防水性、拒水性和成珠性。

根据奥尔森的说法,乙烯基官能聚合物也可用作添加剂。当在醇酸配方中加入二甲基、甲基苯基或氟官能团时,它们可以赋予涂料额外的耐高温性、低表面能(来自二甲基硅氧烷基团)或超低表面能(来自三氟丙基甲基硅氧烷基团) .

无机涂层进展

无机硅涂层,通常称为惰性多元聚合物基质 (IMM) 涂层,非常灵活,可耐受高达 650°C (1202°F) 的温度。因此,根据 Ferriday 的说法,它们被广泛应用于石油和天然气行业。“在指定在较高温度下使用的涂层时,重要的是要考虑钢结构可能暴露的环境温度条件。涂层中的树脂封装允许涂层在环境温度下固化。涂料配方设计师必须考虑颜料包以及这些材料如何影响最终涂料的性能。定制是高度技术性的,它需要了解涂料中的所有原材料,以优化成品配方的性能,”她观察到。

为了解决这些问题,阿克苏诺贝尔开发了 Interbond 1202UPC,它符合 ISO12944-9:2018 海上 CX 环境涂层性能国际标准。“与传统的 IMM 涂层不同,环境固化、防腐性能是在高温服务期间后固化之前获得的。涂层可以承受在涂层应用和开始高温服务之间通常很长的时间段和严酷的条件。此外,它的腐蚀蠕变小于 3 毫米——这一结果通常只能从基于无机硅酸锌的系统中看到,”Ferriday 说。

克服挑战

与大多数涂料成分一样,在涂料配方中使用有机硅化合物会带来一系列独特的挑战。找到正确的数量就是其中之一。“在涂料中使用有机硅时,你必须非常小心——一点点可以很好地改善涂层的性能,但太多可能会产生附着力和重涂性问题,并导致表面缺陷,如所谓的“鱼眼” ‘,”Yahkind 观察到。奥尔森表示,实现适当的化学反应也至关重要。“ABSS 为客户提供技术援助,以帮助确保成功的配方开发项目,”他指出。另一方面,使用有机硅时的高效率意味着可以减少剂量。“减少剂量会降低使用成本,

为给定的保护涂层应用选择正确的树脂类型是必须认真解决的第三个问题。例如,对于非常复杂的石油和天然气项目,Ferriday 指出,需要不同的系统来满足广泛的操作温度、钢材类型和绝缘条件。她进一步指出,耐温涂料通常需要在较高温度下进行一定程度的后固化,才能完全抗腐蚀和抗损坏。由于环境固化不足,IMM涂层在投入使用之前已经腐蚀的例子。“虽然无机硅酸锌底漆可用于保护 IMM 涂层免受环境固化破坏,但它们很难正确应用,并且系统中额外涂层的要求会降低生产率。由于在钢铁表面的恶劣环境中锌会迅速消耗,因此也不建议在绝缘下使用它们,”Ferriday 评论道。因此,需要一种涂料,在不使用无机硅酸锌底漆的情况下,兼具出色的环境固化和高温性能。阿克苏诺贝尔开发了 Interbond 1202 UPC 来满足这些要求。

有机硅可以防止水分进入,但允许基材水分蒸发到大气中。结果是增加了涂层和基材的使用寿命,同时降低了维护成本。

在涂料中使用有机硅化学时,保持项目正常进行有时可能是一个问题。“有机硅就像许多其他前沿技术一样。有足够多的与有机硅相关的未开发特性,项目蠕变通常会影响开发时间表,”Westfall 说。确立目标并坚持项目对于将产品推向市场至关重要。

在涂料配方中使用有机硅树脂和添加剂时,与有机物的不相容性是一个同样重要的问题。Westfall 以涂料生产过程中的离子和阳离子冲突为例。然而,Fedders 表示,在考虑使用消泡剂时,这一挑战可以转化为强大的力量。“有机硅以提供出色的消泡性能而闻名,其兼容性通过有机改性进行管理,”他说。“事实上,”Fedders 补充道,“有机硅材料的有机改性也克服了之前几乎所有其他应用中的不相容性问题,包括汽车相关应用。现在可以认为有机硅添加剂化学用途广泛且易于用于大多数类型的溶剂型和水性配方。”

对于一些涂料配方设计师来说,有机硅成分的较高成本也可能是一个问题。它们提高的效率,特别是对于有机硅添加剂,可以克服这个问题,在某些情况下甚至比传统添加剂节省成本。使用有机硅树脂在耐久性和耐腐蚀性、耐化学性和耐候性方面获得的卓越性能也平衡了这些材料的较高成本。

作为有机硅金属的主要供应商,中国的新环境法规导致许多生产基地关闭和/或关闭,影响了全球供应。

然而,最近由于原材料供应的限制,有机硅化合物的价格一直在上涨。预计这些问题将持续到 2019 年。作为有机硅金属的主要供应商,中国的新环境法规导致许多生产基地关闭和/或关闭,影响了全球供应。

超越限制

Ferriday 表示,涂层可以高度工程化,工程水平通常反映在价格点和市场接受程度上。成本/收益分析可帮助制造商决定涂层的类型及其使用方式。“例如,虽然在涂料中使用比有机硅树脂便宜的环氧树脂材料很常见,但有机硅在构建定制涂料结果方面提供了更多选择,”她断言。然而,根据 Westfall 的说法,正确配方的涂料的成本与价值的问题仍然是一个挑战。“有机硅可提高涂料的特定性能。通过适当的制定,我相信我们可以在我们的绩效范围内实现大多数已确定的目标。我们的大部分新开发都集中在性能属性的改进上。

Fedders 表示,大多数高温有机硅涂料是溶剂型的,然而,随着该领域对水性材料的需求增加,这正成为一个问题。“第一代水性产品还不能满足市场需求,通常仍含有高含量的助溶剂,干燥性能较差。水性高温材料肯定有很大的改进空间,随着油漆和涂料行业对水性产品的需求持续增长,我们预计会有更多的发展,”他观察到。

“看到有机硅添加剂从像消泡剂这样的隐形问题解决者转变为真正为配方增加消费者价值的领域,这是非常令人兴奋的。当我们展望未来时,肯定会有很多新的进步需要注意,”费德斯断言。Westfall 同意这一点,但将其扩展到有机硅化学的所有方面,而不仅仅是添加剂:“我们看到配方设计师使用有机硅的方式发生了代际变化。虽然客户过去常常寻求有关如何将有机硅加入油漆中的帮助,但他们正在寻求通过使用有机硅来改善油漆性能的帮助。”

发表评论

后才能评论