正確認識用於建材保護的矽樹脂

市面上有不少撥(憎)水劑或是後製清水模的保護漆,其成分寫著『矽樹脂』、『矽烷/矽氧烷』等字眼;一些用於水泥砂漿的防水粉(劑),廠商也會標示或強調其成分含有『有機矽』或『矽烷基』等; 今天就以『正確認識用於建材保護的矽樹脂』為題,幫助大家瞭解神奇的『矽樹脂』。

但你知道嗎?『矽樹脂』的耐候性取決於其分子主鏈上矽氧鍵(-Si-O-Si-)的數量,而其撥水(憎水)的作用則來自其帶有的烷基(alkyl groups),本文將有深入的解析。

1. 矽樹脂的定義

矽樹脂是有機矽聚合物中重要的一類,有機矽聚合物還包括矽油、矽橡膠和矽烷偶聯劑等。矽樹脂一般是指聚矽氧烷。

有機矽聚合物是指含有Si-C鍵、且至少有一個有機基是直接與矽原子相連的聚合物,習慣上也常把那些通過氧、硫、氮等使有機基與矽原子相連接的聚合物當作有機矽聚合物。其中,以矽氧鍵（-Si-O-Si-）為骨架組成的聚矽氧烷,是有機矽聚合物中為數最多,研究最深、應用最廣的一類,約占總用量的90%以上。 (無機矽聚合物不在本文探討範圍) 註1)、2)

2. 突出性能(用於建材保護的矽樹脂)

1) 耐候性(耐熱和UV穩定)

矽樹脂主鏈為-Si-O-Si-,無雙鍵存在,因此不易被紫外光(UV)和臭氧所分解。根據全球有機矽領導廠商美國陶氏(Dow)化學公司官網的資料,Si-O鍵的鍵能為435 kjmol¯¹,比有機物C-C鍵的鍵能350 kjmol¯¹ 高,所以矽樹脂具有比其他高分子材料更好的熱穩定性以及耐輻射和耐候能力。

2) 表面張力與表面能低

主鏈-Si-O-Si-十分柔順，其分子間的作用力比碳氫化合物要弱的多，因此，比同分子量的碳氫化合物黏度低，表面張力弱，表面能小，成膜能力強。這種低表面張力和低表面能是它獲得多方面應用的主要原因：疏水、消泡、泡沫穩定、防黏、潤滑、上光等各項優異性能。

3) 允許氣體與水蒸氣滲入（呼吸性能-透氣）

4) 延展性和潤濕能力強

5) 與有機物兼相容

3. 產品形態

矽烷/矽氧烷用於建材保護,產品可分為液體(水性、溶劑型)、乳液狀、 膏體狀和乾粉狀等多種形態。使用方式可分為後處理(在基材表面上噴/刷/滾塗或浸漬 /密封等)和摻合(例如摻入砂漿/混凝土)兩大類,且基材不限於水泥基,天然石材、石膏基和 木材等亦都有適用的產品。目前市面上最常見的是各類撥(憎)水劑、防水漆(有膜或滲透無膜)、清水混凝土保護漆和防水粉(劑)等。

要特別強調的是,矽樹脂用於塗料,現今有很高的比例是用來改性其他樹脂(如丙烯酸(壓克力)樹脂、聚氨酯(PU)樹脂、環氧樹脂(Epoxy)、醇酸樹脂和聚酯樹脂等),也有用其他樹脂(如氟碳樹脂)來改性矽樹脂,藉以增加其防油抗汙效果等;簡言之,就是取用於改性的樹脂優點來補強自身的不足,某些情況亦有降低成本的考量。

4. 矽樹脂的合成原理

矽樹脂的合成途徑很多,合成單體主要有氯矽烷單體、烷氧基矽烷單體、醯氧基矽烷單體、矽醇、含有機官能基的矽單體等,經水解(Hydrolysis)、濃縮、縮聚(Condensation)及聚合等步驟來合成。製備塗料用矽樹脂時,一般採用鹼金屬的氫氧化物或金屬羧酸鹽作催化劑。註3)、4)

筆者再以陶氏(Dow)化學公司官網上的兩張截圖,為讀者作進一步說明: