用于水性木器涂料的新型有机硅表面活性剂| 2020-02-04

水性涂料系统不仅在DIY应用中减少挥发性有机成分方面发挥着关键作用，而且作为传统溶剂型涂料系统的替代品，它们在工业涂料过程中也变得越来越重要。在工业木材涂料应用的背景下，目前估计北美生产的涂料中约40%由水性涂料系统组成，并且这一比例正在显著上升。除了物理干燥的单组份系统外，水性双组份聚氨酯和辐射固化系统的使用也在增加。这种水性木材涂料体系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、多孔的和吸水性的基材，可以对配方器提出相当大的要求，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(例如喷涂、轧制、真空或窗帘应用)。此外，这些高剪切应用体系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，即所谓的有机硅表面活性剂，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部分特点是，在静态表面张力上有很强的降低，从而产生高效的基材润湿。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。本文介绍了一类新型有机硅表面活性剂，它提供了足够好的基材润湿性，具有显著改善的流平性能，并且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”，它由短的疏水硅骨架组成，并由垂状亲水基团修饰。在大多数情况下，改性涉及聚醚链(图1)，这导致了相容性的改善。配伍度可以通过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率)。同时，这也影响表面张力: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非常亲水(极性)，而相比之下，PO相当疏水(非极性)。

标准的有机硅表面活性剂含有仅含有EO单元的垂状聚醚链，用于实现良好的水溶解度。相比之下，新的有机硅表面活性剂改性，更亲双亲聚醚链。除了EO单位外，PO单位也被使用。它们在聚醚链上的可调节比例和排列带来了增强的性能范围，整个硅酮添加剂的极性可以通过EO/PO比来控制。较大比例的EO增加了极性，添加剂水溶性更强，在极性涂层体系中更相容。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降低了水的溶解度和起泡倾向。与标准的有机硅表面活性剂不同，这些新型有机硅表面活性剂的特点是，不仅在涂层/基材界面(=改善基材润湿性)，而且在涂层/空气界面(=对涂层流平有积极影响)具有定向性。由于其受控的、降低的系统兼容性，它们在涂料生产和应用中稳定泡沫的趋势也显著降低。

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，表1中列出的有机硅表面活性剂A1, A2, B1和B2相互比较。为此，将这四种表面添加剂以不同剂量添加到各种具有代表性的水性木材涂料体系中，并测试了它们对静态表面张力的影响，涂层流平的改善，以及涂层应用中稳定泡沫的趋势。

对静态和动态表面张力的影响

在应用技术研究的第一步，我们测试了这四种不同的有机硅表面活性剂在不同的水性木器涂层体系中对静态表面张力的影响。为此，我们以三种不同的剂量(根据形成总量的0.1%、0.3%和0.5%)将待比较的产品添加到各种涂层体系中，并使用Du Noüy环法建立了它们对静态表面张力的影响。

图2、图3和图4表明，与测试的水性木器涂层体系无关，标准有机硅表面活性剂A1和A2比两种新型有机硅表面活性剂B1和B2在静态表面张力方面的降低效果要强得多。乍一看，标准有机硅表面活性剂似乎有明显的技术优势。然而，如果我们考虑到山毛榉(59 mN/m)、橡木(49 mN/m)、松树(46 mN/m)、道格拉斯冷杉(39 mN/m)甚至柚木(30 mN/m)等经典木材基质的表面能通常大于30 mN/m，那么这两种测试的新型硅表面活性剂在静态表面张力方面提供了正确的降低程度，以实现足够的基材润湿，同时也避免了不良副作用，如流平问题或泡沫稳定问题。除了精确降低静态表面张力的程度外，这两种测试的新型硅酮表面活性剂还能有效降低动态表面张力，与传统硅酮表面活性剂相比，这一效果要明显得多。因此，有机硅表面活性剂B1和B2有助于显著增强表面平整和最小的泡沫稳定趋势，特别是要求高的高速应用过程，如辊涂或喷涂。

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料静态表面张力的影响。

图4不同有机硅表面活性剂对纯丙烯酸酯分散体水性物理干燥木器涂料静态表面张力的影响。

图3不同有机硅表面活性剂对基于聚氨酯分散体的水性辐射固化木器涂料静态表面张力的影响。

比较中的水平提升

与不希望出现的流平问题形成鲜明对比的是，新型有机硅表面活性剂实际上有助于改善涂层表面的流平。图5记录了不同的有机硅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料平整的影响。硅酮表面活性剂A1, A2, B1和B2被添加到测试系统中，(在每种情况下)剂量为0.3%，基于总配方。然后使用细孔moltoprene滚轮将它们应用到对比板上。在物理干燥后，他们在水平方面进行了视觉评估。在使用有机硅表面活性剂A1、A2和有机硅表面活性剂B1、B2时，涂层表面的反射光源对涂层的流平有相当大的影响。

图5不同的有机硅表面活性剂对水性物理干燥木器涂料流平的影响基于纯丙烯酸酯分散体。

涂覆过程中泡沫趋于稳定

在不同的有机硅表面活性剂稳定泡沫的趋势方面，一些水性木器涂层体系存在相当大的差异。图6非常清楚地说明了这种区别。在这种情况下，硅酮表面活性剂A1, A2, B1和B2(在每种情况下)添加了0.3%的基于聚氨酯分散体的水性辐射固化木材涂料。然后使用细孔moltoprene滚轮将它们应用到对比板上。在物理和随后的辐射固化干燥之后，他们在稳定泡沫的倾向方面进行了视觉评估。四种样品的照片比较非常清楚地表明，两种新型硅酮表面活性剂B1和B2的稳定泡沫的倾向大大低于两种标准硅酮表面活性剂A1和A2。

图6在基于聚氨酯分散体的水性辐射固化木器涂料中，稳定不同硅表面活性剂泡沫的趋势。

结论

新型有机硅表面活性剂B1和B2是为水性工业木器涂料量身定制的添加剂解决方案。它们在水性木器涂料中显著的表面活性和受控的降低相容性之间的良好平衡提供了最佳的性能范围，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，以及在涂料生产和应用过程中只有微小的稳定泡沫的趋势。新型有机硅表面活性剂广泛应用于物理干燥单组份体系、双组份聚氨酯体系和辐射固化体系，并且在大量的应用技术测试中，与标准有机硅表面活性剂相比，表现出了优越的效率。