1 硅氧烷的性能

    1.1硅的基本特性

    硅是自然界中含量最丰富的元素之一，它约占地壳质量的25.7%，仅次于氧元素。在自然界中无游离状态的纯硅，而是以氧化物形式出现，如二氧化硅以及硅酸盐等。Si-O-Si键作为聚硅氧烷的主要结构出现在常见的无机物质中如砂、石、玻璃、陶瓷、及石英等。

    聚硅氧烷

    1.2硅氧烷的基本性能

    硅氧烷的Si-O-Si键长较长、键角较大，容易旋转，其对侧链转动的位阻小，分子体积大而内聚能密度低，减少了空间位阻，使得侧基的自由旋转较为容易，具有玻璃化温度低、表面张力及表面能低、溶解参数低及介电常数低特性。

    聚硅氧烷树脂是半无机、半有机结构的高分子化合物，从而兼有有机聚合物和无机聚合物的特性。这些性能包括耐高低温、耐气候老化、电气绝缘、耐臭氧、憎水、难燃、生理惰性、耐油、耐溶剂、耐辐射。

    1.3硅基树脂应用

    最为经典的实际应用就是无机富锌涂料，其基料的组成为硅酸酯类，该涂层作为防腐涂料可提供长达50年耐用寿命。而作为表面涂层的环氧－有机硅体系因其极佳的耐候和防腐蚀性也有超过20年的实际应用。

    其他应用领域：底漆、耐热涂层、工业维护涂料、卫生（抗菌）涂料、船舶涂料、杀虫涂料、防污涂料、抗磨损涂料、汽车清漆、以及建筑涂料。

    该类产品可以是配方中的主要成分，也可以作为添加剂以进一步提高材料的性能。

    1.4硅氧烷不易破坏的原因

    （1）与C-C键能344.4kJ/mol相比，Si－O键能相当于270nm紫外光（422.5kJ/mole），普通紫外光280-340nm。

    （2）硅氧烷键具有50％离子特性，在酸或碱的催化下容易水解，涂层的耐候性得益于硅氧烷水解的可逆性，漆膜不会遭到永久破坏。

    （3）主链中50%－75%的硅元素已氧化（平均一个硅原子与两个或者三个氧原子相连），很难发生有机聚合物中的C－C键氧化。抗氧性和化学氧化性明显增加。

    1.5硅氧烷的特有性能

    （1）施工固体分＞90％，满足排放要求。

    （2）在金属和水泥基材表面优良的韧性和附着。

    （3）不采用异氰酸酯交联，消除对人体的毒害。

    （4）纯硅氧烷不燃，即使有机改性其耐火等级以及有毒气体生成量都比普通涂料有明显改善。

    （5）抗辐射性极佳，良好的耐化学介质性保证良好的核污染净化性能。

    （6）耐紫外光、抗氧性、耐高温性和防腐性

    1.6硅树脂比较

    聚硅氧烷

    2 硅氧烷的合成

    2.1杂化体系分类

    无机类：少量的有机材料加入到大量的无机基质中，混合后简单的包埋于其中；

    有机类：含有无机颜填料的普通涂料，指无机材料以粘合的方式同有机组分牢固的结合在一起的涂料；

    IPN类：有机和无机聚合物网络结构各自单独形成，但又轻微粘结在一起，含有溶胶－凝胶固化体系。

    真正的杂化类：有机和无机体系以化学键连接形成分子杂化。

    图1 四类杂化体系示意图

    聚硅氧烷

    2.2硅酸酯原料及合成

    图2 硅酸酯原料结构

    聚硅氧烷

    其中R表示甲基或者乙基，R1表示有机基团，可能为甲基、乙基、苯基、巯基、烯丙基、胺基、环氧基等。

    当有机基团为甲基时，可赋予聚硅氧烷树脂热稳定性、脱模性、憎水性、耐电弧性；为苯基时，赋予聚硅氧烷树脂氧化稳定性，在一定范围内可破坏高聚物的结晶性。

    反应以醇作为溶剂，加入少量水来控制反应进程。首先通过水解使烷氧基组分变成醇而生成溶胶，然后干燥涂覆的溶胶生成有微孔结构的凝胶涂层，最终经过高温固化形成一种高致密的陶瓷涂料。

    图3 溶胶-凝胶反应示意图

    聚硅氧烷

    采用此类技术可以制备出高性能的柔性陶瓷涂料。下面的视频诠释了柔性陶瓷涂料兼具了柔性和陶瓷硬度的优点。

    3 应用

    重防腐领域：硬度和柔韧性的平衡，耐紫外线、耐介质

    光学领域：相近的涂层折光率，高达7H的铅笔硬度。

    木器领域：降低基材表面能，减少水渗透，改善耐磨；同时具有改善尺寸稳定性、阻燃性，防止昆虫（白蚁）的攻击。兼具屏蔽和透明性的优势。

    抗菌领域：既硬又薄，透明性良好，在多种基材上的优异附着，可接枝具有破坏细菌生物膜的作用的季胺类化合物，耐清洗。

    添加剂领域：改善耐磨性；降低水的渗透性（含氟硅氧烷水阻隔性提高90％以上）；增加表面硬度；调整光学透明性。

    4 发展和展望

    聚硅氧烷大规模商业化应用于工业涂料出现在九十年代，目前单独使用量不大。

    配方设计师通过聚硅氧烷与许多有机单体和聚合物一起使用，可以研发出既具有有机材料性能又具有无机材料功能性的特定共混物。“有机-无机杂化”涂料采用的就是含有聚硅氧烷树脂的有机掺和改性树脂。

    随着对杂化涂料研究的深入，聚硅氧烷树脂的应用将产生较大的发展，而最终的爆发有可能是技术、环保压力和性价比共同的结果。


 

责任编辑：王元

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