有機硅樹脂在粉末涂料中的改性及應用

粉末涂料作為一類綠色環(huán)保型涂料近年來在眾多領域特別是金屬涂裝方面得到了廣泛的應用。粉末涂料常以環(huán)氧、聚酯、丙烯酸、聚氨酯等有機樹脂作為基體,由于受基體樹脂自身結構的影響和限制,這些常用粉末涂料在一些性能上存在著不足之處,導致了應用上的局限性與通常的有機樹脂相比,有機硅樹脂有著更為優(yōu)良的耐熱、耐候、耐水性及電絕緣性能。粉末涂料中使用有機硅樹脂,可以改進其耐熱性及耐候性,但單純使用有機硅樹脂存在價格昂貴,對基材附著力差等問題。因此,常利用有機硅樹脂改性其他有機樹脂,可以將有機硅樹脂和其他有機樹脂的優(yōu)點結合起來,彌補相互的不足,改善漆膜耐候、耐熱等性能,得到性能優(yōu)異的粉末涂料,這也是發(fā)展功能性粉末涂料的一條有效途徑。
1有機硅改性粉末涂料的原理及其應用
有機硅樹脂在涂料行業(yè)有著廣泛的應用[5-9],但在作為新興環(huán)保型涂料的粉末涂料中的應用還缺乏系統(tǒng)的研究,目前主要是國外各大公司的性研究報道?？v觀國內外在此領域的研究開發(fā),有機硅樹脂改性粉末涂料主要有3種方式:有機硅樹脂與有機樹脂共混改性;有機硅樹脂化學改性有機樹脂;有機硅樹脂作為固化劑直接參與粉末涂料成膜。
1.1有機硅樹脂與有機樹脂共混改性
簡單地將有機硅樹脂與有機樹脂相混合,對于粉末涂料性能的改善效果往往不佳。這是因為有機硅樹脂往往與有機樹脂的相容性較差,有機硅出現溢出現象,富集于表面,容易發(fā)生明顯的微相分離。微相分離對改性樹脂的硬度、穩(wěn)定性及機械性能都有很大的影響,使zui終涂膜的總體性能不佳。目前,簡單共混方式主要應用在添加少量的有機硅樹脂作為助劑使用。如作為粉末涂料的流平劑,使涂料與被涂物具有良好的潤濕性,且不至于引起與縮孔的物質之間形成表面張力梯度。常用的有聚酯改性硅氧烷、聚醚改性硅氧烷等。在粉末涂料中,使用硅烷偶聯(lián)劑對顏料進行預處理,可以提高涂層的附著力、柔韌性及抗沖擊性等物理機械性能[10]。在其他條件相同的情況下,用偶聯(lián)劑處理過的涂層附著力從3級變?yōu)?級;柔韌性從Φ2.5ｍｍ開裂提升到Φ2ｍｍ通過。當粉末涂料內存在少量硅烷偶聯(lián)劑時,在粉末涂覆熔融后,硅烷會遷移到涂層和底材的界面,進而與底材的表面形成氫鍵或縮合成—Ｓｉ—Ｍ共價鍵（Ｍ為無機表面）
氫鍵和共價鍵遠比界面的范德華力強,因此呈現出很強的對底材界面的初始附著力。另外,由于硅烷偶聯(lián)劑的存在,使顏料顆粒在粉末熔融流平過程中分布更加均勻、致密,這樣可以提高涂層的流平性和光澤。少量有機硅烷偶聯(lián)劑也能在有機樹脂與有機硅樹脂之間起連接作用,為此有學者提出了增加第三相或物質的概念[11]。另外,通過化學作用將有機硅樹脂用有機樹脂包覆起來,再與環(huán)氧、聚酯等粉末涂料常用樹脂混合,亦可提高混合體系的穩(wěn)定性。Ｗａｃｋｅｒ公司采用乳液聚合法,制備了以（Ｒ2ＳｉＯ2/2）ｘ（ＲＳｉＯ3/2）ｙ（Ｒ2ＳｉＯ4/2）ｚ（ｘ=50%～99%,ｙ=1%～50%,ｚ=0～20%,Ｒ為烷基、烯基、苯基等）有機硅彈性體為核,以聚甲基丙烯酸甲酯樹脂為殼的核殼結構聚合物微粒[12]。研究表明,核殼型聚硅氧烷微粒能較好地混容并分散于粉末涂料樹脂中,并能改善涂層的沖擊強度和低溫柔韌性,使耐候性有較大的提高。將核殼粒子混入飽和羧基聚酯中,經過263ｈ鹽水噴灑對比實驗后,發(fā)現涂膜附著力及抗沖擊性能均有提高。
2000ｈ中波紫外線照射后,不加核殼粒子的涂膜失光率是加了10%核殼粒子涂膜失光率的2倍。
另外,在丙烯酸樹脂類粉末涂料中添加有機硅彈性體微粒,也可以改善涂膜的抗沖擊性能,10%核殼粒子加入量的涂膜抗沖擊性能比2%加入量的提高了50%。在環(huán)氧樹脂粉末涂料中添加10%核殼型有機硅改性劑,涂膜抗沖擊性能提高40%,同時石片破碎抵抗力也有提高。帶有反應性官能團的有機硅樹脂在與其他含有活性基團樹脂的共混中,通過化學鍵合,增強了相互間作用和相容性,可以提高相應粉末涂料的性能。Ｍｏｒｔｏｎ公司[13]提出將帶羥基的硅樹脂與含羧基的丙烯酸樹脂共混,以異氰酸三縮水甘油酯（ＴＧＩＣ）作為固化劑,在較低的溫度下,丙烯酸樹脂首先固化,形成良好的膜表面;在高溫下硅樹脂繼續(xù)發(fā)生自身的交聯(lián),形成互穿網絡結構。zui終涂層被賦予了較好的耐熱性能,在650℃下無可見的膜表面損壞。同時,耐候性能也較改性前有了提高。為了提高涂膜的耐熱性,Ｍｏｒｔｏｎ公司[14]還在羥基聚酯及其固化劑、顏填料混合體系中添加有機硅樹脂（有機鏈節(jié)取代度≤15）和少量硅橡膠?；旌衔锕袒赡ず?所得的平滑粉末涂層在熱老化實驗中表現優(yōu)異,不出現剝落、起泡等受損現象。
ＤｏｗＣｏｒｎｉｎｇ公司[15]用75份環(huán)氧樹脂與25份的硅樹脂混合,以均苯四酸二酐為固化劑,所得涂層與不加硅樹脂相比,耐高溫性能優(yōu)異,250℃下100ｈ,損失為7.6%。同時,電氣性能、顏料保留能力都得到了提高。一種改進型粉末涂料組合物———含帶有活性羧基的聚硅氧烷、反應性丙烯酸樹脂及交聯(lián)劑[16-17]組合物用于粉末涂料,可以提高涂膜的耐絲狀腐蝕性能。對比試驗發(fā)現,加入含活性官能團的聚硅氧烷,4周后涂膜的耐絲狀腐蝕指標為2ｍｍ（ＡＳＴＭ13368-68）,相比之下,不加入聚硅氧烷的涂層的對應性能指標為4ｍｍ。