家庭改造和改善的增加刺激了建筑涂料的增长。消费者看到了改造房屋的机会，而油漆是很容易让房屋感觉焕然一新的一个组成部分。¹消费者依赖于外部涂料具有优异的耐候性、长期耐用性和防紫外线能力，平均可以使用20多年。人们还希望涂料具有“干净”的外观，并减少多年来保持这种外观所需的清洁量。

自洁和耐污涂料已成为热门话题。防污一直都很重要，但在目前的气候下，这一点尤为重要。涂料供应商迫切需要市场数据、外观测试、如何提高涂料防污性的概念证明，以及作为最佳防污技术销售他们的涂料。有机硅提供了防水性能，减少了表面的水分含量，从而增加了污垢的排斥性。本文将讨论有机硅的化学性质，在各种涂料配方中使用的多种有机硅技术，以及户外暴露测试的结果与自然污垢收集。

硅胶的化学

术语“硅胶”是指具有经验公式R的化合物₂SiO，类似于有机化合物的公式R₂CO或酮。²硅和碳相似，都是四价的;然而，在它的基态，没有证据支持双键的形成。因此，真实的经验公式应该写成R₂SiO₂(½)与硅有四个单键。²

硅烷是指由单个硅原子组成的化合物。当描述不同的硅烷化学时，不同功能位点的数量Si-O，然后创建一个子分类为M, D, T或Q单位。图1通过将单个Si-O键称为单官能团或“M”单位说明了硅烷的命名法。含有两个Si-O键的硅烷被称为双官能团或“D”官能团，三官能团硅烷被称为“T”官能团。四官能硅烷被称为“Q”单位或称为四官能硅烷。含有硅氧键的物质称为硅氧烷。含有两个硅原子通过氧键相互结合的硅氧烷被称为二硅氧烷，含有三个硅原子的硅氧烷是三硅氧烷。聚硅氧烷是含有三个以上硅原子的硅氧烷。²

有机硅树脂乳液，有机硅添加剂的化学和行为

许多化学物质都迎来了它们的百年庆典，这提醒了我们它们所提供的主要优势，以及像硅胶这样的化学物质是如何随着时间的推移而进化的。1963年，一项水性有机聚硅氧烷技术的发明专利被申请，其中包括它们与有机树脂的使用。^3.所述有机聚硅氧烷组分被推荐用于涂层组合物中，以增加抗白垩性、抗污性、耐候性、拒水性并具有优异的空气和水蒸气渗透性。^3.获得专利的硅树脂乳液已成功应用于涂料超过50年。在这50年里，水性硅技术的创新进步不断增加了该技术的强大优势。

有机硅树脂是由含有机硅双功能和三功能单元的甲基有机硅树脂制成的。如上所述，使用D型和T型有机硅单元的选择决定了树脂的硬度和柔韧性。然后添加有机功能，以增加拒水性，碱性稳定性和增加与有机成分的兼容性。烷氧基则负责反应性、交联、与基材的粘附和涂层的内聚力。贡献化学物质然后形成一个硅树脂网络系统，如图2所示。然后，该网络形成疏水外壳，不允许水进入薄膜，但会产生疏水孔隙和毛细血管，使涂层薄膜具有水蒸气渗透性。硅树脂胶束通过保护表面不受降解环境的影响，增加了薄膜的疏水性。与其他粘合剂相比，硅胶抗紫外线的能力提供了关键优势。增强的紫外线防护是通过硅氧键(Si-O-Si)构建到结构的主干中，其键合强度约为110千卡/摩尔。⁴C-C键的键强度约为85千卡/摩尔，C-O键的键强度约为87千卡/摩尔。⁴这种强度允许使用少量的硅树脂添加物和可见的物理性能。总的来说，硅树脂网络增加了涂层膜的疏水性，减少了污垢的捡起，创造了防潮膜，增加了膜的长期耐用性。

在今天的市场上，硅树脂乳液可以作为唯一的粘合剂或涂料配方中的树脂改性剂。更常见的是，硅树脂乳液被发现作为树脂改性剂，因为它们的成本和在较低的负载水平下的有利性能。硅树脂分散在整个涂层中，并包裹填料和颜料，而有机粘合剂充当填料颗粒和基材之间的胶水。⁵硅树脂增加了拒水性，同时增强了薄膜的孔隙性。⁵与有机粘合剂相比，有机硅在油漆系统中的行为的机制显示在图3中的显微照片中。在高倍镜下，矿物颗粒之间的小半月板表明硅树脂网络的存在。硅胶网络均匀地覆盖了纳米级的TiO₂以及其他具有极薄薄膜的填料，它们可以在纳米级范围内加强涂料的微观结构，同时保留其微孔隙率。添加剂通过部分渗透到涂层中提供额外的支持，并在薄膜表面排列，以增加拒水性和视觉早期水珠。

重要的是要了解硅胶改性剂在涂层应用后的性能时间方面的有效性。有机硅乳液粘合剂需要一段时间才能发展成涂层，而低分子量的有机硅添加剂几乎在应用后立即减少吸水。添加剂的基本任务除了早期吸水外，还包括增加水的接触角。表面活性剂或分散剂可以降低涂层表面的初始硅酮效应，掩盖硅酮性能。UV和水暴露的膜可以增加表面活性剂从涂层中释放的去除速度，同时在此期间提高硅酮性能。

涂料中使用的有机硅添加剂通常与双功能单元配制，允许灵活性，并具有增加拒水性的活性化合物。三功能改性提高了硬度和结合力，增加了交联量。添加剂的分子量和活性基团可以决定添加剂与表面的相容性。所述添加剂硅材料粘度低，本身稳定性好，在涂层188金宝搏bet官网中稳定性好。它们的性能取决于它们的低表面张力和疏水成分，这些成分可以改变水珠接触角。对有机功能的修改产生了关键的优势，特别是如果使用氨基功能聚硅氧烷。在涂料中使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)化学成分配制氨基功能化聚硅氧烷添加剂的优点是耐久性、拒水性、紫外线稳定性、减少表面缺陷以及多年暴露后的持久性能。含有氨基功能聚硅氧烷化学物质的添加剂对基材具有更高的亲和力，也提高了附着力。与标准PDMS技术相比，这种类型的化学物质从涂层中洗出的趋势不存在。此外，氨基功能化聚硅氧烷由于其烷基功能也可重涂，这提高了表面能，从而实现了这一优势。 The organic functionality and unique emulsification system allow for easier formulation use in the coatings market, with the flexibility to be used in various types of organic binder systems, including acrylic, polyesters, alkyds, polyethers, hybrids, polyurethanes, etc. There are numerous silicone additive chemistries that are commercially available, but to reduce the testing size the selected few for this evaluation were as follows: silane/siloxane blend, silane emulsion and two different forms of reactive emulsions containing amino-functional polysiloxane.

硅胶外部暴露测试

有些人不相信硅胶在户外的真正优势，也不相信它们能减少污垢。为了证明有机硅的作用，在5%和10%的负载水平下，使用了三种配方与多种有机硅粘合剂和有机硅添加剂。所调查的所有原料的性能在所有三种配方中是相同的188金宝搏bet官网。因此，只显示了一种配方的结果(表1)。该配方是用PVC含量为35%的基础涂料原料构建的。188金宝搏bet官网该配方包含一个对照;苯乙烯丙烯酸。该配方是大规模制作的，然后硅胶原料被添加到后，以尽量减少变化。188金宝搏bet官网用量分别为5%和10%，见表1。如前所述，如果硅酮在研磨阶段之后和在丙烯酸酯释放之前被早期纳入配方中，以包裹填料和颜料，则通常可以看到硅酮的最终性能。后期添加用于表演材料的初步筛选。 If benefits can be seen with post addition, then it will also work well when added earlier in the formulation. More in-depth screening can be performed after narrowing down of sample chemistry and choosing an optimized loading level.

然后涂料被涂在36英寸长的南部黄松壁板和光滑的骨料混凝土板上。涂上两层涂层，晾干7天，然后收集初始颜色和吸水率数据。颜色和光泽度读数使用毕克光谱仪进行。对于混凝土板，吸水数据的收集遵循与ASTM D5401类似的程序，即将面板正面朝下放置在去离子水浸泡的海绵上。

首先取混凝土板的重量，然后在浸泡1小时、6小时和24小时后确定薄膜的吸水量。然后对数据进行分析，以提供关于涂层最佳性能的反馈。最初是这样，每六个月做一次。三个混凝土和木板中的两个放在密歇根的室外，呈45°角，朝南。一个面板被保留在室内作为对照，以比较不暴露的初始颜色和吸水性。

有机硅性能分析

在九个月的时间里收集了三组数据后，有足够的数据来确定硅胶的性能值。表2为暴露9个月后的吸水率数据。涂层混凝土面板在六个月后吸收的水比最初要少，这是由于薄膜需要通过清洗面板上的水溶性乳化剂来平衡。数据证实，这种特殊的丙烯酸吸水性随着暴露时间的增加而下降。在这项研究中评估的几乎每一项技术都表明，配方中添加的硅胶越多，总体上吸收的水就越少。这并不意味着它总是正确的。对于一些硅胶技术来说，可能存在一个临界水平，更多并不等于更好的结果。通过评估和数据收集获得的信息增加了我们对如何修改硅胶化学进一步优化的知识。

照片捕捉到了暴露9个月后污垢的恢复程度。捡污程度的差异是基于化学和硅酮化学的差异。作为对照的丙烯酸吸附了适量的污垢。硅烷/硅氧烷混合物在两种负载水平下都有最显著的污迹和条纹标记。两种反应性聚硅氧烷在5%的负载水平下都有轻微的中度污垢，而10%的负载水平有中度到重度污垢。结果表明加载水平是重要的，并验证了较软的有机硅添加剂在较低的加载水平下表现良好，但达到阈值。硅树脂/硅烷乳液显示出轻微的污垢。硅树脂乳液的污垢最少;在9个月的时间里，在两种加载水平下，颜色变化都很小。结果从物理上证明，添加到外部配方中的特定硅胶化学物质的好处可以在短短9个月内看到。 It is hard to see the magnitude of improvement from the photos, but the most observable panels are displayed in Figures 4, 5 and 6. In Figure 4 the concrete panels are displayed without the indoor controls at 10% silicone loading level in comparison to the acrylic control. In Figure 5 the concrete panels are displayed at 5 and 10% silicone loading levels with their controls (no exposure) to compare the initial color to the nine months discoloration of the panel. Figure 6 displays the southern yellow pine coated panel after nine months of exposure. The wood and the concrete both display similar results.

为了验证颜色的变化，包括delta E在内的颜色值包含在表3中。第一个面板是没有紫外线照射的控制面板。每个评估技术的面板2和3是外部面板。如你所见，δ E值越高，颜色变化越多。在从最少的污垢捡起到最多的污垢捡起的排名中，很容易与照片和颜色数据对齐;硅树脂乳液，硅树脂/硅烷乳液，低负荷水平的反应性聚硅氧烷，其次是高负荷水平的反应性聚硅氧烷，硅烷/硅氧烷共混和丙烯酸。它验证仪器读数与视觉外观相匹配。

结论

某些有机硅技术，如有机硅树脂乳液，由于其疏水特性，可以显著减少暴露中的污垢。所示配方和面板的户外暴露数据收集将持续数年，以验证硅胶性能的真正优势。由于清洁表面是消费者的重要需求，本研究提供了硅酮如何满足消费者需求的有效结果。这项初步工作为开始更多探索性工作提供了答案。需要做更多的工作来进一步缩小有机硅化学成分的范围，并有信心提供一个明确的有机硅技术响应，其中有机硅构建块技术提供了最佳的污垢收集解决方案。

确认

作者感谢James Greene, Andrew Pearson和Wacker化学公司Global SC同事的支持。注:所有数字和表格都是威克化学公司的财产

参考文献

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3.尼奇,美国;Pirson, E.;Roth, M.涂料代理商，美国专利，美国3,294,709 1966年12月27日。

4Andrews, A.使用有机硅复合材料改善木器涂料的好处，水性研讨会，2013年。

5Andrews, A.有机硅是建筑涂料的创新解决方案，水性研讨会，2015。

本文发表于2015年3月9-11日在肯塔基州路易斯维尔举行的CoatingsTech会议上。