基于硅氧烷的多功能添加剂| 2012-01-04 | PCI杂志

基材润湿和流动的挑战对水性涂料的配方者来说尤其成问题。1-4不仅在常见的低能基材(如塑料)上，而且在润湿高能基材(如金属)时，创建一个封闭的、无缺陷的水性涂层是困难的，因为它可能不总是干净的或没有表面污染物。木材的润湿是至关重要的，因为木材需要适当的渗透到毛孔和颗粒中，而且通常含有天然油脂。

基材润湿添加剂——一种能改变界面张力的特殊表面活性剂——通常被用来克服这些问题。通常，它们将涂层的表面张力降低到均匀的低水平，使涂层成功地润湿基材。需要非常强的表面张力降低，以达到满意的润湿对油和油腻的污染物。然而，同样的基材润湿添加剂显著降低了表面张力，往往会造成很大程度的泡沫和空气滞留。通过添加剂技术的创新发展，基于硅氧烷的多功能方法现在可以在提供消泡效果的同时降低表面张力。

现有的添加剂技术

许多不同的技术^5、6用于为涂料和油墨行业提供有效的基材润湿助剂。如在表1，不同的属性配置文件使不同的类或多或少适合不同的应用程序。

这些添加剂中的一些提供非常强的表面张力降低，使基材润湿即使在污染的基材上。在较高的添加水平下，它们也倾向于稳定泡沫。对于氟碳表面活性剂尤其如此，但在较小程度上也可能适用于硅氧烷基表面活性剂。有些有机表面活性剂几乎不起泡，甚至有轻微的消泡作用。然而，这些不是非常有效的表面张力减压剂，当应用于极低能量的基材或污染的基材时，往往会失败。

与大多数添加剂一样，使用水平是关键。在考虑所需的表面张力降低程度时，还必须考虑低使用水平下的有效性。在低使用水平下有效的添加剂是理想的，无论是就成本效益比，还是成功地创建无缺陷的涂层。

一种消泡、表面活性高的基材润湿添加剂的研制

在讨论发展目标时，赢创团队认为以下标准是最重要的:

•提供强大的表面张力减少良好的基材润湿性;

•在非常低的添加水平下有效;

•在大多数水基涂料中提供独特的消泡或泡沫中性效果;

•生态友好。

开发团队知道，以硅氧烷为基础的表面活性剂可以提供强大的表面张力降低。研究表面活性剂行为的文献，发现由Fredric Menger讨论的“Gemini”结构⁸在1991年，可以在非常低的水平上显示高效率，并可能有助于低发泡性能。^9、10选择相对疏水的结构意味着额外的消泡性能。

因此，基于硅氧烷和Gemini技术组合的多功能添加剂的想法被开发出来。这种组合可以显著降低表面张力，同时也有助于消泡和避免空气滞留。因此，赢创的“双胞胎”技术诞生了。

在选择潜在的原材料和最终的结构时，团队特别注意了结构的生态188金宝搏bet官网影响，如水污染。开发一种对最终涂层体系的VOC影响最小或没有影响的分子也很重要。

选择正确的结构

文献上的双子表面活性剂又称双尾或双尾表面活性剂。^7、8、10它们的特征是至少有两个疏水链，两个离子或极性基团，并存在一个间隔。间隔物可以具有不同的化学性质，如简单烷基链、聚氧炔段或芳香单元。大多数双子表面活性剂是对称结构，如图所示图1．

与传统的表面活性剂相比，Gemini型表面活性剂显示出非常不同的聚合行为。这显著降低了临界胶束浓度(CMC)和更高的表面活性(高达100倍/1000倍)，使它们非常高效。^{11 - 13}根据它们的结构，它们也会显著降低泡沫的稳定性。

通过结合不同的内部技术，赢创团队能够合成双硅氧烷基多功能添加剂的结构进行评价，如图所示图2．

不同的结构参数，极性基团的性质和整体分子量，得到几个不同的种类，显示出明显不同的性能。为了筛选目的，所有结构都在多种水基树脂中进行了所需性能的测试。表2总结了所获得的各种性能。

很明显，结构D和结构E提供了完全符合团队最初标准的特定属性。选择结构D和E作为本实验的基础作为进一步评价的最佳分子。

初步测试结果

将该添加剂组的特性与现有技术进行比较，得到了令人印象深刻的数据，强调了这种新Twin技术的特殊行为。硅氧烷基多功能添加剂D和E显示极低的临界胶束浓度和最低的静态表面张力读数的所有表面活性剂(表3)．

然而，当添加剂是水中唯一的成分时，这个数据只适用于描述添加剂的行为。要在涂料配方中成为有效的基材润湿剂，添加剂必须在其他表面活性成分(如乳化剂或分散剂)的存在下表现出相同的性能。这是特别正确的，因为一些测试的添加剂，包括双硅氧烷的多功能类型，是疏水的，不能均匀地溶于纯水。最终重要的是实际应用程序中的性能。

表面张力测量

将这两种硅氧烷基多功能添加剂结构的表面张力降低与其他商业化的基材润湿添加剂进行比较，清楚地展示了它们的有效性。如图3所示，基于硅氧烷的多功能添加剂D和E在一系列水基涂料中提供了非常强的静态表面张力降低(用杜鲁伊环法测量0.2%表面活性剂的添加水平)。然而，由于每种树脂和涂层系统的性能不同，从各种测试配方中获取数据是很重要的。在所有五种涂层体系中，硅氧烷基多功能添加剂降低静态表面张力的效果明显优于其他竞争添加剂体系。

如前所述，低添加水平的有效性对成本效益比和无缺陷镀膜的实现都非常重要。在不同的添加水平，极端的有效性变得更加明显。在添加水平低于0.1%时，测试的硅氧烷多功能添加剂已经产生了非常强的表面张力降低，如图4所示。多功能迪高^®Twin 4000(结构D)产生的静态表面张力略低于多功能TEGO Twin 4100(结构E)。此外，这些基于硅氧烷的多功能结构在各种应用测试和喷涂方法中改善润湿性能。

润湿性质

对于喷雾应用，涂层应该理想地在低膜厚时形成封闭膜。这确保了无缺陷的薄膜，并最大限度地提高了涂层的应用窗口。配方者可以通过使用基材润湿添加剂来实现这一结果，该添加剂确保喷嘴处的精细雾化和涂层滴在击中基材表面时的良好润湿。

有趣的结果得到了喷涂机器人应用金属面漆在一个非常低的薄膜厚度(约。15 μ m干)(图5)．正如显微照片所示，TEGO Twin 4000(结构D)在非常低的薄膜厚度下创建了一个完全封闭的薄膜。值得注意的是，这种封闭的薄膜是在使用硅氧烷基多功能添加剂的情况下实现的。与其他候选产品相比，该体系只使用了这种新型添加剂结构的0.1%。虽然没有显示，但基于硅氧烷的多功能添加剂TEGO Twin 4100(结构E)也具有良好的润湿性和封闭膜。

图6显示了与传统硅氧烷相比，双结构对水性柔印油墨的优异润湿性能。

消泡性能

演示涂层发泡性能的快速测试是Tego标准搅拌测试。在这个测试中，用一个3厘米的溶解刀片以3000转/分搅拌50克涂层1分钟。混合后，立即将45克涂料倒入刻度筒中并读取体积。较低的体积读数导致被夹带的泡沫更少。使用基于丙烯酸聚氨酯乳液的水性木材涂层进行搅拌测试，产生了令人印象深刻的结果。不添加任何添加剂的对照组的读数为76 mL/45 g，而含有0.1% TEGO Twin 4000(结构D)的样品的读数为46 mL/45 g (图7)．考虑到配方的密度，它几乎没有泡沫。

如图8所示，基于硅氧烷的多功能添加剂TEGO Twin 4000(结构D)在低使用水平下提供了有效的泡沫预防。与之前的配方一样，这一配方也在不同的涂料系统中进行了测试。图表显示了TEGO Twin 4000与添加剂TEGO Twin 4100(结构E)、一种低聚经典硅氧烷表面活性剂、一种乙酰二醇衍生物和一种有机Gemini表面活性剂对各种水基涂料发泡行为的影响。

TEGO Twin 4000(结构D)在所有五种水性涂料体系中都表现良好。与图3中先前的测试类似，添加剂使用水平为0.2%。如图8所示，某些添加剂类型实际上比完全不含添加剂的对照组产生了更多的泡沫。这再次说明了对多功能添加剂的需求，它不仅可以降低静态表面张力，而且还具有消泡到泡沫中性的机制。虽然基于硅氧烷的多功能添加剂TEGO Twin 4100(结构E)的消泡能力略弱，但在所有测试的涂料体系中，它要么是泡沫中性的，要么是泡沫稳定的。

图9比较了Twin 4000(结构D)与低聚硅氧烷在聚氨酯木器涂层喷涂中的消泡效果。

关于发泡的另一个有趣的特性是，在含有TEGO Twin 4000或TEGO Twin 4100配方的水性涂料和油墨中，可以观察到更快的泡沫分解(图10)。

图11与乙炔二醇相比，使用TEGO Twin 4100(结构E)时完全润湿。

总结

TEGO Twin 4000(结构D)显著减少了宏观泡沫和微泡沫的积聚，并加快了水性涂料和油墨中的泡沫破裂和脱泡。硅氧烷基多功能添加剂已成功推向市场。表面缺陷很少得到，那些只发生在非常低的固体含量的少数配方。TEGO Twin 4000(结构D)比TEGO Twin 4100(结构E)具有更大的消泡效率，因为它更疏水。然而，TEGO Twin 4100(结构E)在创造消泡或泡沫中性环境的同时，具有优越的衬底润湿性。

为了评估这些添加剂，赢创强烈建议添加这些产品，而不添加任何其他基板润湿添加剂和消泡剂。可能需要，也可能不需要进一步添加消泡剂。当使用这些基于硅氧烷的多功能添加剂之一时，由于这种添加剂类的“二合一”特性，可以预期在涂料或油墨配方中总体减少添加剂量。

在能量固化和极性溶剂型涂料中的初步试验表明，硅氧烷基多功能添加剂在这些配方中也起到了两亲性表面活性剂的作用。尽管表面张力的降低明显低于水基配方，但它有助于改善基材的润湿性和流动特性。

这种新型表面活性剂的其他优点是其良好的生态品质。该产品不添加有机溶剂，因此对涂层系统的VOC贡献极小。

结论

测试的硅氧烷基多功能添加剂在一个分子中结合了非常高的表面活性、良好的基材润湿性和有效的消泡性。对于通常需要衬底润湿添加剂和消泡剂的水基配方，它最有前途。该测试分离出了两种独特的分子，它们具有多功能、“二合一”的特性。TEGO Twin 4000(结构D)提供良好的基材润湿性和高消泡效率。TEGO Twin 4100提供优越的衬底润湿性，同时创建消泡或泡沫中性的环境。

有了这种独特的专利技术，可以获得任何传统技术无法实现的财产概况。极有可能，这种创新的硅氧烷多功能技术将使我们能够开发出进一步具有独特性能的强大添加剂。

参考文献

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