有机硅氧烷水解缩合反应及其在耐磨涂料上的应用

【摘要】：耐磨有机硅涂料可用于光学塑料的表面改性。这类涂层通常以硅氧烷水解成膜法制备,该方法制备涂料具有工艺简单、性能稳定,涂层耐擦伤强度高、附着力好,且固化温度低、成本低廉等优点。 涂层制备过程的本质是硅氧烷的水解—缩聚反应。本文通过气相色谱研究甲基三甲氧基硅烷与正硅酸乙酯的共同水解反应,发现其水解分为两个阶段:前一阶段为快速水解反应阶段和后一阶段为慢速反应阶段;在水解过程中,MTMOS的第一、二步水解速率比TEOS第一步快,TEOS的第二步水解速率比MTMOS第二步水解速率快。 同时,还通过GPC和Zetasizer研究80℃下涂料料液中的缩聚反应及粒子生长过程。引入分子数量减半所需时间分析数均分子量随反应时间的变化来得到分子数量减半所需时间以及与反应速率相关的信息。本反应体系中乙酸胍、碳酸胍、2-乙基-4-甲基-咪唑均能缩短缩聚反应的分子数量减半所需时间,表明其对于缩聚反应具有促进作用,且其顺序为:GCGA2E4MZ。而粒子的粒径及粒径分布宽度均在反应中快速增大,表明粒子间的聚并主导粒子生长的过程;再结合Iler对硅醇溶液中粒子生长的研究,认为影响粒子生长的因素包括:粒子浓度、粒径、反应温度以及硅醇间的缩聚反应。 通过FTIR跟踪涂层固化过程,建立固化过程中的缩聚动力学模型,发现该动力学模型能预测有机硅树脂固化缩聚过程的反应动力学。研究得到各缩聚反应体系的一系列动力学参数,如反应程度、反应速率常数、反应活化能等,发现固化剂随温度变化存在潜伏阶段,在60～80℃下固化剂体系的活化能和指前因子比无固化体系大,而在80～100℃下则相反。 在前面研究的基础上,本文对耐磨有机硅涂料及涂层的制备进行了研究,考查了水解工艺、固化工艺对涂料及涂层性能的影响,确定采用连续滴加的加料方式,伴随水解后处理、陈化及后处理,随后稀释料液加入合适的固化剂(如碳酸胍、2-乙基-4-甲基咪唑等),在恒温(25℃)、干燥、洁净的环境下涂覆、固化,最终制得透光性能好、硬度高的涂层。