有機無機復合涂層的概念

    在涂料工業中，將一些天然的經過加工的礦物材料稱為無機材料，而將人工合成的高分子化合物稱為有機材料。有機無機材料區別在于：無機材料耐大氣的抵抗力強，不易分解，耐熱度高，抗紫外線照射能力強。價格較低；而有機材料的組成比較復雜，耐紫外線照射、耐大氣的抵抗力相對較差，且價格較高、但柔韌性、成膜性較好。當有機無機材料復合后，能將有機無機材料的各自優點突出，而將不足之處加以彌補。揚長避短，并有互補性，降低了生產涂料的成本，又提高了涂料本身的質量。

    有機無機復合涂層的提出

    “有機／無機雜化材料”概念的提出則是90年代的事，并由此而在國內外蓬勃興起了有機／無機納米雜化材料的研究熱潮，涉及到光學材料、力學材料、導電材料和生物材料等。有機／無機納米雜化材料根據制備方法可分為溶膠一凝膠（sol-ge1）法和嵌入（intercalation）法；據有機－無機界面性質可分為弱鍵結合型（H鍵、范德華力、離子鍵力）和強鍵結合型（共價鍵、離子共價鍵）。而在這方面的研究中，含硅環氧有機／無機納米雜化材料又是最重要的一類。

    有機無機復合涂層的發展

    環氧樹脂制品具有多方面的優良性能，如良好的機械性能、電絕緣性能和較好的熱、化學穩定性，耐腐蝕，防水、防霉，樹脂固化溫度范圍寬，交聯密度易于控制，固化過程不產生小分子副產物，因而收縮率低，諸上所述的良好使用性能及較高的性價比使其廣泛用于汽車、造船、航空、機械、化工、電子電氣 業、重型機械制造工業以及大型水利工程和土木建筑工業等方面。環氧樹脂有許多優異性能，但仍有其不足之處，如固化后內應力大，質脆，耐疲勞性、耐熱性、耐沖擊性、耐開裂性和耐濕熱性較差，在很大程度上限制了其在某些高技術領域的應用。

    近年來，結構粘接材料、封裝材料、纖維增強材料、層壓板、集成電路等材料的高性能化要求環氧樹脂材料具有更好的性能，如韌性好，內應力低，耐熱性、耐水性、耐化學藥品性優良等。因此，為了改進上述性能，拓寬環氧樹脂的應用范圍，國內外眾多環氧樹脂研究者已進行了許多卓有成效的改性研究工作。

    硅樹脂具有熱穩定性好、低表面能、低溫柔韌性、耐候、憎水、耐氧化、介電強度高等優點。硅改性環氧樹脂是近年發展起來的既能降低環氧樹脂內應力，又能增加環氧樹脂韌性和耐高溫性等性能的有效途徑。

    以含硅結構為無機相與環氧有機相雜化形成的復合材料具有優異的性能，例如784涂料是美國先進聚合物涂料公司（Advanced Polymer Coating LLC，簡稱APC公司）開發的擁有專利技術的一種重耐腐蝕涂料，該涂料既具有高度的耐腐蝕特性和耐磨蝕特性，又具有突出的耐溫特性，是一種新型的無機-有機新型涂料。該涂料源于一種為適應軍工和航天工業需要而開發的無機-有機聚合物（Siloxirane美國專利技術），最早獲得美國軍方和NASA的認可，應用于工況極其惡劣的戰術導彈、飛機外露部件、宇航、電子等設施上（包括Gattling 炮筒、155 Howitzer 炮管、導彈的復合材料主體、愛國者導彈飛翼等）。

    80年代后期轉為民用，商標為Siloxirane，在美國電力、化工、運輸、食品，軍工等各行業得以應用，后經過多年的不斷改進，1998年在Siloxirane的聚合技術基礎上開發出性能更為卓越的784涂料，在全球市場推廣，廣泛應用于FGD設備、化學工業、遠洋運輸、槽車等耐強腐蝕襯里。784涂料是由改性環氧基聚合物組成的一種極高交聯密度的防腐蝕材料，是將具有高度耐蝕和耐溫的無機物結構二氧化硅（SiO2）與有機相連接形成的無機-有機結構化合物（環硅的縮水甘油醚），該結構中不含有羥基和酯基，而形成三維空間的交聯立體結構。其具備耐高溫（260℃），耐磨，高硬度，高韌性，低表面能（不吸附），可耐包括強酸、強堿、強溶劑在內的數千種化學品侵蝕等優異性能。又如國內研制的鉆機剎車片用粘合劑，將環氧樹脂E20用含硼有機硅樹脂改性后， 使粘合劑既具備環氧樹脂良好的機械性能， 又具備有機硅樹脂的耐高溫性能， 可在400℃條件下長期使用。滿足了鉆機剎車片耐高溫、高強度的需要。

    制備復合材料所用方法主要有共混和共聚兩類：

    共混改性是將不同種類的物質進行共混，以形成具有優異綜合性能的聚合物體系，且成本較低。共混體系中各組分的相容性是影響共混物形態結構及性能的重要因素。現代的相容性概念通常指聚合物在鏈段水平或分子水平上的相容。若在熱力學上完全不相容，共混時就會發生宏觀的相分離，界面張力大，粘接力低，沒有實用價值；若完全相容，則共混物形成均相體系，其最終性能一般為原始聚合物的加權平均。實踐中發現這種均相體系并不利于提高材料的力學性能。對于性能優異的聚合物共混物，應具有宏觀均勻而微觀相分離的形態結構，即形成具有較強界面作用的部分相容體系。由于硅氧烷與環氧樹脂溶度參數相差較大，若通過簡單共混，兩相界面張力過大，改性效果差。為了改善相容性，要對硅氧烷進行改性，或采用增加過渡相的方法。

    共聚是利用硅樹脂上的活性端基如羥基、氨基、烷氧基與環氧樹脂中的環氧基、羥基進行反應，生成接枝或嵌段共聚物，從而解決相容性的問題，并在固化結構中引入穩定和柔性的Si一O鏈，提高環氧樹脂的斷裂韌性。

    目前，市場產品多以共混方法為主，科學研究及高性能產品主要以共聚改性研究為主，并取得了較為豐碩的成果，而在市場原材料漲價，環保要求嚴格的前提下，如何將諸多科研得到市場化應用，是目前的主要難題。

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責任編輯：王元

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