水性木器涂料用新型有机硅表面活性剂

水性涂层系统不仅在DIY应用中减少挥发性有机成分方面起着关键作用，而且作为经典溶剂型涂层系统的替代品，它们在工业涂层过程中也变得越来越重要。在工业木材涂料应用的背景下，目前估计北美约40%的生产涂料是水性涂料系统，而且这一比例正在显著上升。除了物理干燥的单组分系统，水性双组分聚氨酯和辐射固化系统的使用也在增加。这种水性木材涂层系统的配方有时看起来非常具有挑战性，因为木材作为一种天然的、多孔的和吸收性的基材，可以对配方提出相当大的要求，特别是在基材的润湿和平整方面。水性木材涂层系统的不同用途，特别是在建筑产品、家具和硬木地板行业，导致了非常不同的应用方法(如喷涂、轧制、真空或窗帘应用)。此外，这些高剪切应用系统的影响可能会对这些水性涂层体系中的泡沫稳定提出重大挑战。水的高极性和表面张力使得有必要使用特定的表面添加剂，所谓的硅树脂表面活性剂，以确保水涂层系统对木材表面的充分润湿。传统的有机硅表面活性剂的特点是，在一定程度上，静态表面张力的降低非常强，导致高效的基材润湿。然而，它们在改善流平方面有限制，有时在涂层生产和应用过程中有稳定泡沫的倾向。本文介绍了一类新的硅酮表面活性剂，它能提供足够好的基材润湿性，显著改善流平性能，只有轻微的稳定泡沫的倾向。

结构特点:有机硅表面活性剂的比较

目前用于水性涂料的有机硅表面活性剂是“有机改性聚硅氧烷”，它由一个短的疏水有机硅骨架与亲水基团修饰而成。在大多数情况下，修饰涉及聚醚链(图1)，这导致相容性的改善。相容性的程度可以由这些侧链的数量来控制(即二甲基硅氧烷单位与聚醚修饰的比例)。同时，这也会影响表面张力:一般来说，二甲基硅氧烷(SiO(CH))单位越多，表面张力越低。

此外，聚醚链本身的结构也可以改变;这里的关键因素是极性。聚醚由环氧乙烷单元(EO)和/或环氧丙烷单元(PO)组成。EO是非常亲水的(极性的)，而相比之下PO是相当疏水的(非极性的)。

标准的有机硅表面活性剂具有仅含EO单元的聚醚链，用于获得良好的水溶解度。相比之下，新的有机硅表面活性剂经过改性，具有更亲两性的聚醚链。除了EO单元，PO单元也被使用。它们在聚醚链中的可调比例和排列带来了增强的性能范围，并且整个有机硅添加剂的极性可以通过EO/PO比控制。EO含量越高，极性越高，添加剂水溶性越好，在极性涂料体系中相容性越好。然而，与此同时，泡沫稳定的趋势增加。另一方面，较大比例的PO会降低其水溶性和起泡倾向。与标准的硅酮表面活性剂不同，这些新型硅酮表面活性剂的特点是，它们的定向不仅在涂层/基板界面(=改进的基板润湿性)，而且在涂层/空气界面(=对涂层流平的积极影响)。由于其受控，降低了系统兼容性，在涂料生产和应用中，它们也显著降低了稳定泡沫的趋势。

有机硅表面活性剂的应用技术比较

作为应用技术研究的一部分，我们对表1中所列的硅酮表面活性剂A1、A2、B1和B2进行了比较。为此，我们将这四种表面添加剂以不同的剂量添加到各种具有代表性的水性木材涂层体系中，并测试了它们对静态表面张力、涂层平整性的改善以及涂层应用中稳定泡沫的趋势的影响。

对静态和动态表面张力的影响

在应用技术研究的第一步中，我们在不同水性木涂料体系中测试了这四种不同的硅酮表面活性剂对静态表面张力的影响。为此，将被比较的产品以三种不同的剂量(根据总形成量分别为0.1%、0.3%和0.5%)添加到不同的涂层体系中，并采用杜Noüy环法建立其对静态表面张力的影响。

图2、图3和图4表明，无论测试的水性木器涂层体系如何，标准的硅酮表面活性剂A1和A2比两种新的硅酮表面活性剂B1和B2在静态表面张力的降低方面要强得多。乍一看，标准的有机硅表面活性剂似乎有明显的技术优势。然而，如果我们考虑到经典木材基材的表面能量，如山毛榉(59 mN/m)，橡木(49 mN/m)，松树(46 mN/m)，花旗松(39 mN/m)，甚至柚木(30 mN/m)，通常都大于30 mN/m，两种测试的新型有机硅表面活性剂提供了完全正确的静态表面张力降低程度，使基材充分润湿，同时也避免了不良的副作用，如找平问题或泡沫稳定。除了能精确地降低静态表面张力之外，这两种新型硅酮表面活性剂还能有效地降低动态表面张力，比传统的硅酮表面活性剂效果更显著。因此，有机硅表面活性剂B1和B2有助于显著增强表面平整性和最低泡沫稳定倾向，特别是在要求高的高速应用过程中，如辊涂或喷雾应用。

图2不同有机硅表面活性剂对基于聚氨酯丙烯酸酯分散体的水性辐射固化木器涂层静态表面张力的影响。

图3不同有机硅表面活性剂对基于氨基甲酸乙酯分散体的水性辐射固化木材涂层静态表面张力的影响。

比较中的水平提升

与不理想的找平问题形成鲜明对比的是，新的有机硅表面活性剂实际上有助于改善涂层表面的找平。图5在一份照片协议中记录了不同的硅酮表面活性剂对基于纯丙烯酸酯分散体的水性物理干燥木器涂层流平的影响。硅酮表面活性剂A1, A2, B1和B2添加到测试体系中，(在每种情况下)剂量为0.3%，基于总配方。然后用细孔moltoprene辊将它们涂在对比板上。在物理干燥后，他们的视觉评估方面的水平。当使用硅酮表面活性剂A1和A2以及硅酮表面活性剂B1和B2时，涂层表面的反射光源对涂层的流平有相当大的影响。

在涂覆过程中泡沫的稳定趋势

就各种硅酮表面活性剂稳定泡沫的倾向而言，在一些水性木材涂层体系中建立了相当大的差异。图6非常清楚地说明了这一区别。在这种情况下，硅酮表面活性剂A1, A2, B1和B2添加了(在每种情况下)0.3%的基于聚氨酯分散液的水性辐射固化木涂料。然后用细孔moltoprene辊将它们涂在对比板上。在物理和随后的辐射固化干燥之后，根据它们稳定泡沫的趋势，对它们进行了视觉评估。四种样品的照相比较非常清楚地表明，两种新型有机硅表面活性剂B1和B2的稳定泡沫的倾向大大低于两种标准有机硅表面活性剂A1和A2。

图6在以聚氨酯分散体为基础的水性辐射固化木涂料中，稳定泡沫的不同有机硅表面活性剂的趋势。

结论

新的有机硅表面活性剂B1和B2代表了为水性工业木器涂料量身定制的添加剂解决方案。水性木器涂料在显著的表面活性和可控的降低相容性之间的良好平衡提供了一个最佳的性能范围，包括静态表面张力的充分降低，动态表面张力的显著降低，流平改善，在涂料生产和应用过程中只有少量稳定泡沫的趋势。新的有机硅表面活性剂是物理干燥单组分体系、双组分聚氨酯体系和辐射固化体系广泛应用的理想选择，在大量的应用技术测试中，显示出比标准有机硅表面活性剂更优越的效率。