作者：Ping Jiang, Louisa Maio, Vikram Kumar, Martin Wusik, Yogesh Tiwary, Mike Seeber 迈图高新材料公司

长期以来有机硅一直用于协助改善有机树脂化合物的耐候性。但通常情况下，由于相容性问题，较难将有机硅引入到水性有机树脂化合物中。迈图高新材料公司现推出一种新型的水性疏水有机硅，能够与水性有机树脂如丙烯酸乳液相容。新型水性有机硅化合物不含VOC（挥发性有机化合物），在室温下可固化形成弹性漆膜。水性有机硅与丙烯酸乳液直接混合形成一种可相容的稳定的胶乳树脂组合物，该组合物在室温下也可固化形成一层均匀的薄膜。新型水性有机硅化合物能有效改善涂料或胶粘剂配方的疏水性、柔韧性/延展性等性能。本文将对新型水性有机硅以及其在涂料配方中的应用评估进行详细的讨论。在溶剂型外墙涂料的应用中，会使用有机硅改性的醇酸或丙烯酸树脂来提升涂层的持久性。但是，人们对VOC排放问题的关注，促成了水性有机硅的迅速发展。由于有机硅材料与水性有机树脂的不相容性和不混容性，二者很难共存。正如此，作为添加剂的有机硅材料通常是硅油和硅树脂，而不是交联凝胶或弹性化合物。但是即便是硅油和硅树脂，在与水性有机树脂的相容性上仍有所欠缺，高添加量时尤为明显。

因此，为了能在水性体系中大量引入硅组分，需首先使用功能性有机硅中间体对有机树脂进行化学改性，第二步进行乳化。也就意味着，硅油和树脂的应用，需要经历合成及乳化的多重工艺，而这在实际操作过程中并非易事，导致最终的改性有机树脂乳液成本较高。迈图高新材料公司现推出的新型可交联有机硅乳液COATOSIL* DRI，能够与水性有机树脂如丙烯酸胶乳相容。这种新型水性有机硅不含VOC，在室温下可固化形成弹性漆膜，由此获得的漆膜性能与由交联凝胶或弹性材料制备涂层的预期性能接近。将COATOSIL* DRI 水性有机硅与丙烯酸乳液等水性有机树脂简单共混即可形成稳定的乳液树脂化合物。 

COATOSIL* DRI 水性有机硅是一种低粘度可交联有机硅结构的乳液，具有如下特征，如表1。

COATOSIL* DRI 水性有机硅在室温下可形成一层疏水性弹性硅膜，该固化膜具备以下物理性质，如表2。

COATOSIL* DRI 水性有机硅固化膜的物理性能测量方法如下：

1、拉伸性能：30g COATOSIL* DRI水性有机硅树脂在4x8英寸的特氟龙模具内室温下干燥7天，制备成的膜片材进行拉伸测试。

2、弹性回复率：弹性回复率的测量是将一个狗骨状膜片（标记长度）从1英寸拉伸到2英寸，在23℃/50%相对湿度下保持24个小时。释放张力，30分钟后测量标记长度（与原来的1英寸对比）。如果测量的恢复长度是1英寸，说明弹性回复率为100%。

COATOSIL* DRI 水性有机硅的固化膜还表现出较强的耐高温性。如图1，TGA数据显示在400℃高温下固化膜层成分仍能保持稳定特性。

COATOSIL* DRI 水性有机硅固化形成弹性漆膜，可作为主体使用在一些涂料体系中。但是在本文中，我们主要关注它作为丙烯酸乳液涂料体系的辅助成膜物这一用途。这里会列出一些应用实例，介绍COATOSIL* DRI 水性有机硅在丙烯酸乳液体系中应用的优势。

示例1：COATOSIL* DRI 水性有机硅作为无色浆丙烯酸乳液体系的助成膜物

该测试的目的是研究COATOSIL* DRI 水性有机硅与丙烯酸乳液的相容性。作为比对样的是一支市售的外墙涂料用丙烯酸乳液，将其与COATOSIL* DRI  水性有机硅以不同比例混合，并进行性能比对。漆膜性能的对比详情见表3所示。

首先，即使是混合比30%的情况下，COATOSIL* DRI  水性有机硅与这支丙烯酸乳液样品的相容性也非常好。相比之下，传统的有机硅乳液按10%浓度进行混合时，即有不均匀现象产生，从共混树脂膜表面的缩孔就能看出来。其次，在丙烯酸乳液中混入COATOSIL* DRI  又能增强固化漆膜表面的疏水性。同时，随着COATOSIL* DRI  水性有机硅浓度的增加，有机硅的其它典型特性，如更低的摩擦系数，也逐渐体现出来。

表3中对薄膜样品的微组分分析能够帮助理解所观察到的表面有机硅的性能。采用X射线能量色散谱（EDS）半定量法观察树脂薄膜表面的组分。EDS数据显示在丙烯酸-COATOSIL* DRI  水性有机硅共成的树脂膜表面或接近表面处（仪器测量深度25-200nm）有一些有机硅富集。表3中介绍的前两个样品，即对照丙烯酸膜（A）和丙烯酸/10%有机硅共成膜（B），经EDS分析后，谱图如图2所示。

如预期一样，对照丙烯酸膜在表面并未观测到硅元素的存在，而在10%共混树脂混合膜上观察到重量比为6.4%的硅成分。COATOSIL* DRI  水性有机硅混合浓度为10%时，按照COATOSIL* DRI  I水性有机硅的均匀批量分布进行理论计算，表面应有重量比为4%的硅成分。因此，6.4%的硅成分观察结果表明在丙烯酸/COATOSIL* DRI 水性有机硅共混树脂膜表面或接近表面处有一些有机硅富集。

示例2：COATOSIL* DRI 水性有机硅作为无色浆苯丙乳液体系的助成膜物

COATOSIL* DRI 可用作添加剂帮助改善苯丙乳液涂料体系的耐UV性能。使用市售的弹性苯丙乳液样品作为对比样与含10% COATOSIL* DRI 水性有机硅的混合样进行对比。

两种树脂膜在铝基材上室温固化，然后在QUV-B紫外线下照射2000小时。芯轴弯曲试验显示了QUV照射后老化树脂膜的柔韧性差异。从下图可以看出，对照苯丙乳液漆膜弯折后有开裂现象（图3），而含有10%的COATOSIL* DRI 水性有机硅的混合样所成漆膜上无裂纹出现（图4）。

由此可见，COATOSIL* DRI 水性有机硅作为助成膜物时，可协助维持弹性苯丙乳液在UV曝光下的柔韧性，而不至于被降解掉导致物性丧失（弹性不足）。

示例3：COATOSIL* DRI水性有机硅作为纯丙乳液有色体系的助成膜物

在外墙涂料中作为助成膜物，COATOSIL* DRI 水性有机硅可帮助改善耐水性和耐紫外线等涂料性能。在高光配方（29% PVC）和哑光配方（66% PVC）两种外墙涂料体系中，分别添加COATOSIL* DRI 水性有机硅作为助成膜物来进行评估。

制备光泽面配方涂料样品（如表4）用于评估。

两种涂料样品膜测试前先在室温下固化7天。测试并对比加速紫外线照射耐候性（QUV）和吸水率。性能测试流程见下文所示。

加速老化试验

加速老化试验在Atlas紫外光老化试验箱内进行。测试条件依照ASTM D4587-11规定方法，8h的紫外照射，4h的冷凝循环，紫外线强度0.89W/m2，UVA荧光灯管。用BYK三角度光泽度仪测量光泽度。在不同时间（t）利用Color Eye色度仪测量L，a，b值计算色度变化（∆E）：

吸水率

采用业内通用惯例进行室内试验。将低PVC涂料涂覆在特氟龙片上然后揭下得到完整漆膜，但是高PVC涂层的成膜需要在铝锅内完成，这是因为高PVC涂层的漆膜较易碎。将薄膜浸泡在水里或者在锅内加水，24小时后取出，排水并用纸巾轻轻擦去多余的水分，然后称重。吸收水分的重量百分比的计算公式为

（W最终-W最终）/W膜厚 X 100

紫外线照射前后对这两个亮光漆样本的光泽度进行测量。如图5所示，包含14% COATOSIL* DRI水性有机硅的样本，其保光性比对照丙烯酸样本有所改善（QUV-A照射1000小时后，18%的光泽损失vs 53%的的光泽损失）。

在QUV-A照射1000小时后，测量两个亮光漆样本的变色情况。如表5所示，包含14% COATOSIL* DRI的丙烯酸混合样品，其色度变化（∆E=1.8），与丙烯酸对比样本（∆E=2.5）相比较，改善了29%。

表5中列出了漆膜的吸水率测试结果。在相同的测试条件下，含14% COATOSIL* DRI水性有机硅的丙烯酸混合样品比丙烯酸对照样本的吸水率减少49%。

制备哑光配方涂料样品（表6）用于评估。两种涂料样品膜测试前先在室温下固化7天。测试并对比加速紫外线照射耐候性和吸水率。 

在QUV-A照射1000小时后测量两个哑光面漆样本的变色情况。如表7所示，包含14% COATOSIL* DRI的丙烯酸混合样品，其∆E（∆E=2.5 vs ∆E=4.5），与丙烯酸对比样本相比较，改善了45%。

表7对哑光面漆膜的吸水率进行了对比。在相同的测试条件下，含14% COATOSIL* DRI水性有机硅的丙烯酸混合样品比丙烯酸对比样本的吸水率减少了51%。

对 COATOSIL* DRI水性有机硅作为助成膜物对哑光面涂料配方的抗粉化效果进行研究。采用业内通用惯例进行室内试验（来自ASTM  D7072）。将含 COATOSIL* DRI1水性有机硅和不含COATOSIL* DRI 水性有机硅的单涂涂料分别涂布在薄砖（纤维水泥）瓦片的两面和各个侧面，其中一个侧面不涂。瓦片在室温下干燥24小时，然后垂直放在2 wt% NaOH溶液内，无涂层的一侧面朝下。NaOH溶液通过基材的毛细作用逐渐浸湿涂料表面。持续多日观察瓦片直至发现样本上出现白色的盐垢（约3-7天），这时拿出瓦片，至少风干24个小时，目视观察样品的抗粉化效果。

COATOSIL* DRI水性有机硅作为助成膜物维持涂层的耐沾污性。薄膜在室温下风干1天后，在室外暴露4天。用油漆刷沾上用水调制的木炭和氧化铁浆刷在风干膜上，然后在室温下干燥1小时，放在烤箱内开50℃放置2小时。然后在流动水下冲洗各个样品，用软布轻轻擦拭（每个样品都用一块新布）。如下图所示，COATOSIL* DRI水性有机硅组分可以帮助维持对比涂料的耐沾污性。

示例4：COATOSIL* DRI水性有机硅作为助成膜物使用在环氧涂料中

根据示例4，使用市售的2K一涂环氧涂料作为空白样本，通过同时引入CoatOSil* DRI水性有机硅以及CoatOSil* MP200 环氧硅烷低聚物，验证二者的共同作用对于综合改善环氧涂料的机械及化学性能的有效性。

根据固体树脂总量分别添加了6% CoatOSil* DRI水性有机硅和2% CoatOSil* MP200环氧硅烷低聚物，以市售水性环氧制备了双组分白色一涂环氧色漆。涂料用机械搅拌器高速搅拌30分钟，然后在一个密封容器内室温下熟化24小时。熟化好的涂料以喷涂的方式涂布在冷轧钢板和薄不锈钢板上，室温干燥一周后，进行性能测试。板件在施工涂料之前先用丙酮浸泡并擦拭，以除去素材表面的油脂。待涂膜干燥后，分别使用感应式膜厚仪测试膜厚，以及ASTM D3359-09的划格试验发测试附着力。使用BYK Gardner落锤冲击仪，以高度（cm）评估涂层的柔韧性差异。按照ASTM B117标准检验涂层的耐腐蚀性，以划叉线宽度的变化及周边区域是否起泡或水泡的大小等评估耐性等级。我们将空白样及复配使用CoatOSil* DRI水性有机硅及CoatOSil* MP200 环氧硅烷低聚物的板件同时置于盐雾箱中，一定时间后同时去除观察变化（本文中的测试进行了380h）。

示例5：COATOSIL* DRI水性有机硅作为助剂使用在水性苯乙烯-丙烯酸车库漆中

根据示例5，使用市售的1K苯乙烯-丙烯酸车库用漆作为对比样本，说明COATOSIL* DRI水性有机硅能够帮助改善和维持其对混凝土基材的附着力。

根据固体树脂总量在最后将添加剂加入该市售涂料中制成涂料配方。涂料用机械搅拌器高速搅拌30分钟。然后在一个密封容器内在室温下熟化24小时。混凝土基材从Masonry Test Block 公司采购。在添加涂料配方之前先用市面上的酸性混凝土腐蚀剂和清洁剂清洁混凝土基材。每块混凝土基材都泡在清洁溶液内30秒，取出后放在玻璃板上8-10分钟，期间不要触碰。在流动水下冲刷湿的混凝土基材1-2分钟，冲去多余的酸和松散沉淀物。混凝土基材在室温下干燥24小时或者直至观察到重量不再发生变化为止。用市售的油漆刷将涂料配方刷在混凝土基材上或者直接采用辊涂法施工涂料。每个涂层基材上干膜的重量进行统一测量。涂布过涂料的基材在室温下固化7天后对附着力进行分析。用ASTM D3359-09的划格试验测量附着力。附着力也可通过计算4次胶带拉扯测试后，混凝土上剩余的方格数来进行定量确定。通过木制压舌板向下压胶带来确保胶带充分哦地粘附在混凝土上。垂直拉胶带。

结论

迈图高新材料公司新近开发出一种新型的水性可交联有机硅乳液COATOSIL* DRI。作为一种低粘度并具备成膜性的水性树脂，它可以用作主成膜物、添加剂或者助成膜物用于涂料工业的多个领域。它可以与多数水性体系相容，可方便得以混合或后添加的方式应用于多种水性体系：苯丙乳液、聚氨酯分散体、水性环氧脂等。COATOSIL* DRI水性有机硅可提供良好的成膜性能，尤其是能帮助维持漆膜持久性。作为助成膜物或添加剂用于丙烯酸乳液外墙涂料中时，不仅可以帮助改善耐水性、耐紫外线性和耐高温性，且不会对附着力和再涂性造成不利影响。另外，它（尤其与CoatOSil* MP-200环氧硅烷低聚物搭配使用时）能够帮助水性涂层在混凝土基材上具备更加稳固的附着力。同时当将其引入到柔韧性较为欠缺的体系中（如水性环氧）时，能够帮助改善涂层的耐冲击性能，同时也可以与CoatOSil* MP-200环氧硅烷复配使用的方式，综合提升涂层耐化耐盐雾等化学性能。