硅烷可以改善膜的性质树脂体系反应时的树脂或纳入一个树脂解决方案作为添加剂。改进的性能源于其独特的功能,它允许inter-polymer交联许多底物和化学成键。由于硅烷的反应活性高,特别是对水解和自凝固,在水基系统可以作为食品添加剂是有限的。因此,它是理想的成功驱散硅烷添加到水性树脂系统,这个系统保持稳定。工作是做调查的结构、功能和加工条件,成功分散硅烷具有不同功能和乳胶树脂的分子量。应用程序工作做是为了测试这些硅烷在清晰的树脂和添加剂的影响涂料配方。这个应用程序的研究表明分散硅烷与标准乳胶的优势完全制定系统。作者的理由,这种新技术提供的属性增强应该适用于DTM,建筑和工业维护涂料。
Alkoxysilane结构和化学概述
对交联结构和化学影响
的化学和反应alkoxysilanes已得到充分的研究。1根据alkoxysilane类型和反应条件,alkoxysilane反应可能难以控制。然而,在最佳条件下,alkoxysilanes可以一个有价值的选择来提高性能的系统中使用。
使用alkoxysilanes solventborne系统已经实施一段时间。他们已经反应到溶剂型树脂或融入溶剂型树脂相对轻松地。然而,使用水性系统需要更多的考虑。2如图1所示,alkoxysilanes将与水反应生成硅醇。根据不同的反应条件下,水解硅醇可以迅速与本身形成硅烷交联网络。pH值、温度、催化剂,在硅烷和其他官能团的功能都能稳定的硅烷水解的影响。
结构和化学与衬底的交互
一旦它本身很容易反应,形成硅醇与功能性树脂或衬底。每一个可能的反应可能需要不同的条件进行。催化剂通常是自凝固所需要的硅醇。催化剂和/或热通常用于与其他树脂和底物的反应。图2显示了凝结到衬底。一个衬底需要与现有的羟基反应。第一步包括氢键协调,那么热量用于驱动耦合。
缩合步骤是关键的一步,它提供了(1)键/衬底附着力,和(2)中的分子间交联膜改善膜性能。
分散在水中
很多行业工作领域的持续创造稳定的烷氧基硅烷在水分散的解决方案。烷氧基硅烷单体与功能方面组织已经成功地转化为稳定的硅醇,用于水性系统。3工作也已完成与亲水组件在硅烷单体类型。我们的工作是关注higher-molecular-weight higher-branched烷氧基硅烷,添加更多的硅醇的功能。挑战与higher-molecular-weight higher-functional硅醇不仅是水稳定性,而且在水性树脂使用时的稳定性和/或完全制定油漆和油墨。
先前的研究表明,成功的烷氧基硅烷在水中分散被转换到相应的硅醇增强。这已经完成在不同pH值条件下,但通常在4 - 7 pH值范围内。适当的表面活性剂的使用也有利于分散和水溶液的稳定性。即使这些控制条件,有限制的稳定性更高分子量较高的功能。因此,我们所看到的并不是所有的硅烷能够成功分散在水中。
在我们的工作,我们看着两个不同级别的分子量和烷氧基硅烷的功能。化合物1是一个lower-molecular-weight分叉很多,功能强大的烷氧基硅烷。化合物2是一个higher-molecular-weight、lower-branched lower-functional烷氧基硅烷。参见图3上一页的一般公式。化合物都成功地分散在水中通过调整pH值范围,使用表面活性剂,应用必要的混合。这些稳定的水性分散体被用来测试乳胶树脂。
乳胶加工条件对乳液的影响
各种处理条件进行优化整合稳定水分散乳胶。我们研究的三个条件是温度、搅拌速度和硅醇的添加时间的解决方案。
第一组条件测试是为了模拟一个橡胶生产过程中。温度是40°C,混合是150 rpm(与标准桨叶)和硅醇添加在~ 30分钟。这代表了一个低切混合过程。在试图将化合物1合并到乳胶在这种情况下,我们注意到树脂上的一些玻璃器皿。添加完成后,举行了两个小时,倒出通过一个油漆过滤材料。图4显示了开发的固体。这是认为lower-molecular-weight物种会容易分散到树脂。据信高水平的官能团反应成不溶性的物种。化合物2很容易纳入乳胶在这些条件下。没有残留在瓶或油漆过滤。
第二个条件是为了模拟在油漆或油墨配方。混合温度~ 25°C,是1000 - 2000 rpm(考尔斯叶片)和硅醇添加快速涡流。这代表了一个高剪切混合过程。两种化合物混合出现在好,没有明显的粒子开发配方中可观察到船或油漆过滤。然而,在坐着,化合物1开发出一种细粒,导致很难解决,而化合物2在解决方案。
总的来说,在两个标准应用程序进程,化合物2是容易纳入乳胶和保持其稳定性。
乳胶树脂方面的考虑
两种类型的乳胶树脂被用于这项工作。一个产品是一个苯丙胶乳与低Tg和pH值小于7。第二个产品是100%丙烯酸胶乳温和的Tg和pH值大于7(表1),化合物1与低pH值不兼容的橡胶和乳胶部分兼容高pH值。化合物2是兼容乳胶产品。苯丙乳液的酸性环境被认为是导致不稳定的增加高度功能性硅醇。因此,所有明确膜测试和漆膜测试集中在树脂2粘合剂。
乳胶测试,清晰的电影
物理解决方案属性
工作在我们的清晰的电影和油漆电影使用了100%的丙烯酸树脂与硅醇预混合胶乳。梯子测试的影响:研究硅醇在不同的水平。表2显示了湿财产这些混合的结果。没有一个明显的变化在潮湿与硅醇的增加属性。
清晰的电影结果
所有的样本标签。2都应用于Leneta图表、铝面板和冷轧钢材(CRS)面板的湿膜厚度6毫升。物理数据是7天后在一个受控环境的房间里。下图强调这项工作的重大发现。0%的数据点是乳胶没有添加剂,控制。
图5显示了20°和60°光泽的结果。随着越来越多的硅醇添加,光泽值呈下降趋势。2%的水平显示了从控制最重要的下降。
图6显示了块电阻增加添加剂的接近1%。1%之后我们看到了块电阻恢复回到控制。硅烷应该改善块电阻,我们看到1%硅烷补充道。然而,这部电影似乎软化后1%。
图7以下页面上显示了表面能下降将添加更多的硅烷。这可能预测改进污垢拾音器阻力。
图8、图9和图10显示硬度测试。铅笔硬度和Koenig硬度被用来监视这个属性。我们看到改进的铅笔硬度铝硅醇的下级。在冷轧钢材,我们看到同等硬度控制到更高级别的硅醇。Koenig硬度类似于CRS的结果。类似的硬度是观察到的控制,直到达到较高的硅醇。
图11和图12显示硅烷对附着力的影响。我们确实看到一滴粘附在更高水平的铝硅烷。然而,并没有下降在钢铁附着力。
对涂料的影响
物理油漆性质
高质量的定制白色半光泽的油漆是制定和作为基础为每个添加剂的浓度。表3列出使用的涂料配方。注意,1.5%的水平乳胶没有油漆测试中使用。潮湿的属性为这些配方如表4所示。
可以看到在RVT KU粘度数据选项卡。4、有粘度下降更多的硅醇添加剂使用。图13显示了通过布鲁克费尔德粘度粘度的趋势。添加剂可以作为分散援助以来,涂料配方胶乳粘度没有明显趋势。需要更多的工作来理解这一趋势。
漆膜的结果
所有的样本标签。3都应用于Leneta图表、铝面板和CRS面板的湿膜厚度6毫升。数据收集后7天在一个受控环境的房间里。下图强调这项工作的重大发现。
图14显示了20°和60°光泽的结果。随着越来越多的硅醇添加,我们看到了光泽水平略有下降,但没有出现明显的在这些层面。
图15显示了一个块增加阻力甚至达到了0.23%。块电阻持续的改善与每个增加硅醇与控制。在最高的层次上研究没有电影删除,如图16所示。这些结果是基于一个测试运行。工作计划在其他颜色测试结果。
图17显示了表面能下降,随着越来越多的硅烷添加预期。这可能预测改进灰尘传感器电阻的油漆。
图18、图19和图20显示硬度测试油漆。铅笔硬度和Koenig硬度被用来监视这个属性。我们看到类似的铅笔硬度铝控制相比,高达0.94%,然后我们看到的硬度下降。在冷轧钢材,我们看到类似的各级硬度控制。Koenig硬度显示增长趋势的0.94%水平,则观察到的硬度下降。这项工作表明,软化影响上级的电影。
图21和图22显示硅烷对附着力的影响。我们看不到一滴粘附在更高水平的CRS油漆在铝或硅烷。图23中的阴影粘连图像显示测试结果在铝
灰尘传感器测试是由浇注的混合炭黑和黑色氧化铁涂Leneta图表的一部分。与刷粉然后传播覆盖整个部分。这是烤1小时50°C,然后冷却1小时。粉用水冲洗,用湿布擦拭。
我们看到一个可观测的改进公司的硅醇添加剂。如图24所示,改进是最重要的在0.94%的水平。这项工作是定性的。优化的灰尘传感器测试将通过使用分光光度计在未来的测试获得定量结果。
结论
这项工作的目的是改善涂料性能的高分支/功能性硅醇。硅醇可以改善粘附基质,并根据功能,增加树脂耦合。这种耦合可以改善耐化学性等膜性能,防沾污性和耐蚀性。的硅醇也可以self-crosslink,提供另一个方法来改善薄膜的性质。理论上,lower-molecular-weight higher-branched功能性硅烷可以提供的最好的电影属性增强。然而,这些都是最困难的分子纳入水性溶液并保持树脂/漆系统兼容。
我们的工作表明,higher-molecular-weight higher-branched /功能性硅烷可以制成稳定的硅醇水溶液。硅烷的结构和层次的功能可以确定稳定的水性硅醇在乳胶,并最终在油漆。创建稳定的硅醇解时,它可以添加在橡胶生产阶段在低剪切混合或在高剪切涂料配方的阶段。一旦纳入乳胶和/或油漆在最佳水平,改善性能。
引用
奥特曼1,s;菲佛,j .的水解/冷凝行为Methacryloyloxyalkylfunctional Alkoxysilanes: Structure-Reactivity关系,Monatshefte毛皮化学134 1081 - 1092 (2003)。
2哈林舞,R.A.美国专利5552476,1996。
3 Arkles, b;斯坦梅茨,jr;Zazyczny, j .;梅塔,p(1992)因素Alkoxysilanes在水溶液的稳定性,在硅烷和其它耦合剂(ed K.L.米塔尔)CRC出版社,页91 - 104。
本文提出了在2020年水性研讨会在新奥尔良。有关更多信息,电子邮件Sims.Michael@dystar.com。
