有机硅流平剂在溶剂型木器涂料中的应用

有机硅流平剂在溶剂型木器涂料中的应用     沈国栋 刘志华 段合龙
    （道康宁（中国）投资有限公司，上海201203）      摘要：针对流平性、平滑性、稳泡性和重涂性，研究了各种有机硅流平剂对溶剂型木器涂料性能的影响。根据各种流平剂的结构，讨论了有机硅流平剂对这几方面的影响。
    关键词：木器涂料；有机硅流平剂；聚醚有机硅
    0 引言
    由于有机硅独特的性能，其被广泛地用作涂料助剂（参见表1）。常用的有机硅助剂一般基于聚二甲基硅氧烷（PDMS），也称甲基硅油。通过改变PDMS的相对分子质量和黏度，可以使其在涂料中有不同的作用，如低黏度的PDMS可以帮助润湿和流平；中等黏度的可以起流平和平滑作用；高黏度的可以用于消泡；更高黏度的可以使漆膜有锤纹效果。但是由于有机硅与有机树脂的不相容性，未作改性的PDMS使用起来非常不方便，很容易造成缩孔。现在市售的有机硅助剂一般都通过改性来提高其相容性，接入聚醚链段是应用最多的技术。
    表1 有机硅助剂的效用

    道康宁公司是最早研究聚醚改性有机硅技术的公司之一，在20世纪50~60年代就报道了其在这方面的技术［1-4］。随着合成方法的成熟，各种不同结构的聚醚有机硅不断问世。通过在聚氨酯发泡工业中的应用及对其稳泡行为的研究，不同结构的聚醚有机硅的性质也慢慢被人们所了解［5-6］，从而也催生了其作为涂料流平剂的应用，最终发展成为涂料流平剂中重要的分支。常用的聚醚改性有机硅有ABA型和悬挂型（梳状），结构见图1。

    图1 聚醚改性有机硅的结构
    通过不同聚醚链段的引入和分子设计获得可接受的相容性，从而可以使有机硅助剂用于水性、溶剂型、高固体分体系或UV固化体系，并提供各种功能，如平滑和抗划伤效果；改善流动性、流平；改善光泽和消泡效果等。本文重点介绍有机硅流平助剂在溶剂型木器涂料中的应用研究。溶剂型木器涂料在我国具有很大的市场，仅此应用的有机硅类流平剂每年就约有600t。虽然木器涂料市场日趋成熟，用于该领域的流平剂的选择也很多，但是随着人们生活水平的提高，对木器涂料提出了更高的要求，从而对流平剂也提出了新的要求。总的来说，主要有以下几个方面：
    ●更好的流平效果和更快的流平速度
    ●更好的手感
    ●不易起泡
    ●重涂性好
    针对这些要求，通过对分子结构的设计及优化，道康宁开发了新的聚醚改性有机硅流平剂58Additive。本文考察了58Additive在木器涂料中的应用，并与其他市售有机硅流平剂产品进行比较。

1 实验部分    1.1 涂料配方及所用助剂
    为了更好地评估助剂在涂料中的应用，涂料配方被尽可能简化，所用原料也是木器涂料的常用原料，助剂的添加量为典型的0.1%~0.3%。少数情况下，为了更好地考察助剂在更宽添加量范围下的表现，助剂的添加量为0.075%和0.45%。
    表2 双组分PU木器涂料配方

    表3 所列为实验中考察的助剂。它们虽然都是100%有效成分的聚醚改性有机硅，但是结构却千差万别，有ABA型，有悬挂型，有的相对分子质量很大，有的很小。聚醚链段的结构也不尽相同，这些结构的不同都会体现在对涂料性能的影响上。
    表3 所用助剂

    1.2 实验过程
    按表2配方配制涂料，用混合溶剂兑稀至施工黏度，制板，将涂好的试板放置5d，充分固化后测试涂膜性能。
    1.3 测试项目及方法
    测试项目及方法见表4。
    表4 测试项目及方法

2 结果与讨论    2.1 流平性
    促进流平是木器涂料流平剂的基本要求。我国大多数厂家基本上采用喷涂后目测的方法来判断涂料的流平速度及效果。为了更好地贴近实际应用，本文对流平性的评级标准主要也是基于目测，辅助参考仪器测试数据。从图2可见：有机硅流平剂的加入，能有效促进漆膜的流平。但是由于结构的不同，其效果有好有坏。助剂1、助剂2、DC助剂3、58 Additive呈现出最好的流平性。如果参考这些助剂的结构，我们可以看出：中等偏低相对分子质量的有机硅链段更有利于促进流平。然而由于涂料体系的复杂性和多样性，再加上聚醚有机硅结构的千变万化，很难通过一次简单的实验而得出规律。作为偏重于应用的助剂科学，涂料用户只能根据自身体系的特点通过应用试验来选择合适的助剂。

    图2 不同有机硅流平剂对流平性的影响
    2.2 平滑性
    木器涂料中的流平剂不仅需要提供很好的流平性，还必须能赋予漆膜良好的手感。手感更体现为一种滑感。没有添加有机硅流平剂的漆膜有一种涩的感觉，不利于体现木器或家具的品质，所以手感在木器涂料中很重要，而赋予手感的有机硅助剂显得尤为关键。分布于漆膜表面的有机硅由于其链段的柔顺性和较小的分子间力，受到外力时能自由旋转和移动，从而人在触摸时能感觉到滑度，带来一种舒适的手感。在本文的实验中，采用了两种评判方法：一种是通过不同人的感觉来评判，另一种则是更为客观的摩擦系数。不同有机硅助剂对手感和摩擦系数的影响分别见图3、4。

    图3 不同有机硅助剂对手感的影响

    图4 不同有机硅助剂对摩擦系数的影响
    从图3、4可见：摩擦系数基本上与手感成对应关系。摩擦系数小，手感好。但是也不完全对应，DC助剂1和DC助剂2的摩擦系数较低，但手感却并不很出色。表现最好的是助剂2和58 Additive，在提高手感方面非常有效，只要很少的用量（0.075%）就会大幅提高手感，这对涂料厂家来说可以节省成本。从结构上考察，助剂2的有机硅链段较长，所以具有较高的平滑度，然而这是以牺牲其它性能为代价的。而58 Additive由于在结构上的优化，很好地兼顾了这些性能。由于DC助剂3的有机硅链段所占比例过小，对手感没有很大提升。

    2.3 稳泡性    木器涂料对助剂的稳泡性很重视，而暗泡也是困扰一些木器涂料厂商的一个严重问题。虽然这些暗泡可能是由于PU体系带来的弊病，但稳泡的助剂会加大这个弊病，所以木器涂料厂商们会尽可能选用不稳泡的流平剂。由于要求有机硅流平剂与木器涂料有很好的相容性，而其又是一个表面活性剂的结构，所以大部分用于木器涂料的流平剂都会有一定的稳泡作用。对于流平剂的生产厂商，在结构设计时，需要很好地掌握好相容性及稳泡性的平衡。不同有机硅助剂对稳泡性的影响见图5。

    图5 不同有机硅助剂对稳泡性的影响
    从图5可见：这些流平剂都会有一定的稳泡作用。助剂2虽然有很好的平滑感，但同时却极易稳泡。58 Additive的稳泡性较低，对比没有任何助剂的对照样，泡沫消除的时间仅略长。
    2.4 重涂性
    重涂性也是一个用户在使用有机硅类助剂时需要考虑的问题。由于有机硅的表面张力很低，有机硅流平剂在帮助漆膜润湿底材的同时，却很难让重涂的漆膜润湿。好的有机硅助剂需要在兼顾其他性能的情况下，尽可能地通过分子设计来减少对重涂性的影响。图6对比了上述助剂在木器涂料中对重涂性的影响。

    图6 不同流平剂对重涂性的影响
    从图6可见：没有一个助剂完全不影响重涂性，但是影响程度有所不同，有的会造成完全无法重涂，如助剂2和DC助剂2，有的则影响较小，如58 Additive，其重涂漆膜只在边角略有缩边，整板都没有缩孔。另外，通过对比3种不同用量下的重涂情况发现：似乎用量的多少并不是一个影响重涂的关键因素。对于一些重涂性较好的流平剂来说，成倍上升的用量也没有进一步恶化重涂，如58 Additive和DC助剂3。而很少用量的助剂2和DC助剂2就表现出比其它助剂更高用量差得多的重涂性。从试验结果来看，流平剂对重涂性的影响主要决定于其分子结构，而并非用量的多少。
    表5 对上述流平剂在各项性能中的表现进行了总结，并简单评述了各个助剂的优缺点。
    表5 流平剂对木器涂料性能的影响

    总的来说，道康宁58 Additive在兼顾了综合性能的基础上，能赋予漆膜更好的平滑性和手感，由于合理的分子设计，在不影响相容性的情况下，降低了稳泡性。
    3 结语
    由于涂料体系的复杂性和多样性，没有一个助剂能放之四海而皆准。即使是针对溶剂型木器涂料这一特定领域，溶剂的选择，树脂的不同，施工方法，甚至气候条件都会对流平剂在体系中的性能表现产生影响。58 Additive在典型的木器涂料配方中的测试结果表明：它是一个出色的流平剂，其他助剂也各有特色，但是它们是否适用于特定的木器涂料配方，则需要广大木器涂料生产商的应用试验及考证。


   

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