釐清與“矽”有關的常見專有名詞 ---兼談無機塗料與有機塗料之爭(上篇)
清水模風格裝飾材料的流行,連帶使得相關的保護劑市場亦備受關注,面對林林總總的保護劑,橫跨無機與有機領域的“矽(Silicon)”,是大家最常見的保護劑體系;本文作者試著為大家釐清一些與“矽”有關的常見專有名詞,並談談無機塗料與有機塗料之爭。
一、 認識與矽有關的常見專有名詞
1. 矽(Silicon)
→舊稱Silicium,化學符號是Si,原子序是14,地球上含量第二高的元素.
與碳一樣,能形成4個穩定的化學鍵,尤其是在與氧結合時,能形成更
耐久、強勁、靈活的化學鍵.
2. 二氧化矽(Silicon dioxide)
→化學式是SiO2,通常以沙土或石英(結晶)形式存在,或以矽粉、沈澱
或氣相二氧化矽(非晶型)等細粉形態存在.
→二氧化矽是一種常用於多種聚合物填料系統的礦物增強成分,以多
種有效形式存在.
→矽灰(微矽粉)常用於混凝土,能提高強度與耐化學性,並降低孔隙率.
→結構自體防水重要概念
取材自天然礦物(如沸石)的矽質防水粉,亦是運用SiO2等的反應活性
,與水泥水化後的氫氧化鈣(Ca(OH)2)發生反應生成矽酸鈣,藉此堵塞
水泥毛細孔通道,阻止水分子進入,但保持透氣性.
3. 矽酸鹽(Silicate)
→矽、氧和金屬(主要有鹼金屬或鹼土金屬、Fe、Al、Mn等)組成的化
合物的總稱.
→矽酸鹽礦物(常見如石英、雲母、滑石、蒙脫石等)的基本結構是矽
—氧四面體,在這種四面體內,矽原子占據中心,4個氧原子占據四角.
*矽 —氧四面體結構(請見圖一)
這些正四面體以鏈狀、雙鏈狀、片狀、島狀、環狀、三維架狀等
方式連結起來.
→無機塗料(如德國凱恩(Keim)礦物塗料)、水泥基滲透結晶型防水塗
料(矽酸質塗佈型防水材料)與無機防水劑(如永凝液(DPS))的主要成
分.
→結構自體防水重要概念:
矽酸鹽能與水泥的水化產物發生反應,生成針狀晶體的化學物質,堵
塞或封閉水泥砂漿與混凝土的毛細孔通道,阻止水分子進入,但保持
透氣性.
化學反應中的M = 鈉 (Na), 鉀 (K) 或鋰(Li)。鹼金屬矽酸鹽和基材裡的氫氧化鈣反應如下：
M2O·n SiO2 + Ca(OH)2 → CaO·SiO2 + (n-1)SiO2 + 2MOH
4. 矽溶膠(Silica sol)
→奈米級的二氧化矽顆粒在水或溶劑中的分散液.由於矽溶膠中的
SiO2 含有大量的水和OH-(氫氧根),所以矽溶膠也可以表述為
m SiO2 . nH2O.
→無機塗料中的次要黏結劑,本身黏結能力較差,一般要與矽酸鹽、
有機合成樹脂(主黏結劑)進行複配.
→與矽酸鹽相較,抗鹽析性優,耐水性好,乾燥速度快.
5. 矽烷(Silane)
→由1個位於中央的矽原子和4個附著體構成的分子,這些附著體可
以是任何有機或無機基團的組合.
→附著有烷基的烷氧基矽烷是適用於混凝土與砌體的高效憎水處理
產品;同時附有無機與有機附著體的矽烷可作為具有多種實用變體
的偶聯劑.
6. 矽氧烷(Sioxylane)
→指含有Si-O鍵的化合物,由此構成主鏈結構的聚合物稱為聚矽氧烷.
→有機矽是指含有Si-O鍵,且至少有1個有機基是直接與矽原子相連
的化合物，習慣上也常把那些通過氧、硫、氮等使有機基與矽原
子相連接的化合物也當作有機矽化合物.
*最簡單的聚二甲基矽氧烷結構(請見圖二)
→目前應用最廣的聚矽氧烷,絕大多數是有機矽,包括矽油、矽橡膠和
矽樹脂(矽氧樹脂)等。
→合成矽氧烷的原料是矽烷SinH2n+2的衍生物。由R2SiCl2型有機氯
矽烷(R為烷基)水解可得線狀矽氧烷和環狀矽氧烷。用R2SiCl2與
RSiCl3型有機氯矽烷水解、縮聚得交聯矽氧烷。
→如上所述, 矽樹脂均由三官能矽單元組成，矽原子上充足的甲基將
高能量的聚矽氧烷主鏈屏障起來，C-H間相互作用力十分微弱，使
得矽樹脂在化學性能上成為介於純粹無機物和純粹有機物之間的中
間體系.
→因為矽樹脂可說完全保留了無機物的特性，所以使用它作為基料的
塗料，有學者把這類塗料歸類為無機塗料。
→市面上常看到的有機矽(矽樹脂)保護劑(防水劑/撥水劑),就是矽烷/
矽氧烷類的產品.例如,可將矽烷的反應性和滲透性與矽氧烷的流動性
和水珠效果(憎水)相結合。或是利用乳液技術實現水性(非溶劑)配方,
甚至轉化為粉末產品。或是以矽樹脂改性丙烯酸(壓克力)、環氧樹脂
等的混合技術或配方運用。
→矽樹脂保護劑常見水性與油性(溶劑型)、有膜與(滲透)無膜的區別,
滲透無膜指的是不會在基材表面上成膜,它的防水機理是在基材毛細孔
管壁形成憎水膜層,但保持透氣性。
7. 矽利康(Silicone)
→這是與大家最親近且經常聽到,與“矽”有關的常見名詞,絕大多數指的是
作為填縫劑或密封膠(黏著劑)的矽利康。請注意,Silicone指的就是矽樹脂
(矽氧樹脂)或稱矽酮,和化學元素的“矽(Silicon)”不同。
→早期Silicone的英文名稱是由酮(Ketone)衍生而來,二甲基矽酮(Dimethylsilicone)
具有與丙酮(Acetone)相似的分子式,從而被錯誤的推斷兩者具有相似的
結構。雖是錯誤,但矽酮已被沿用成為矽利康另一個代名詞。
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圖(一)
圖(二)
釐清與“矽”有關的常見專有名詞---兼談無機塗料與有機塗料之爭(下篇)
二、什麼是有機(Organic)? 什麼是無機(Inorganic)?
1. 有機的定義
→高中上化學課,大學修習有機化學,老師/教授都有對“有機”作過定義,
作者僅以下述內容幫助大家認識“有機”:
有機原來指跟生物體有關的或從生物體來的(化合物),現在指含碳
(C)原子的化合物(碳酸鹽和碳的氧化物等簡單的含碳化合物除外)。
2. 無機的定義
→原來指跟非生物體有關的或從非生物體來的物質,現在指不含碳
(C)原子的物質(包括碳酸鹽和碳的氧化物等簡單的含碳化合物)
三、 什麼是無機塗料? 什麼是有機塗料?
首先,這裡談到的塗料,是指由基料、顏料、填料、助劑和水(或溶劑)
組成的;清水模裝飾材料的保護劑絕大多數是不含顏、填料的,除了
本文上篇提到的與“矽”有關的保護劑外,還有很多應用其他合成有機
樹脂(如聚氨酯、氟碳等) 的保護劑。(以後有機會再撰文分析)
1. 無機塗料
→塗料按基料的種類,可分為有機塗料、無機塗料、無機—有機複合
塗料。
→無機塗料指的是用無機高分子材料為基料（成膜物質或黏結劑）
所生產的塗料，包括水溶性矽酸鹽系、矽溶膠系及其他無機聚合物系。
(有學者將使用有機矽為基料的塗料亦歸類為無機塗料,詳情請參見本文
上篇內容)
→從無機塗料最發達的歐洲來看,其演進歷程如下:
Ⅰ. 1878年第一代無機(純矽酸鹽)塗料(Pure Silicate Paints )
-德國科學家阿道夫.威廉.凱姆(A.W.Keim)申請第一個無矽酸鹽塗料的
專利,並開始了矽酸鹽塗料的生產。直到今天,以他的名字命名的德國
凱恩(KEIM)公司,仍是世界上最知名的無機矽酸鹽(礦物)塗料生產廠商
之一。
Ⅱ. 1962年第二代無機(矽酸鹽乳液)塗料(Silicate Emulsion Paints )
-它是以矽酸鉀為主要黏結劑，輔以少量高耐鹼的有機合成乳液(有機物
含量控制在5%以下)，並加入適量無機顏、填料和助劑配製而成的單組
份矽酸鹽乳液塗料（Silicate Emulsion Paints），又稱有機矽酸鹽塗料
（Organo-silicate paints）。
Ⅲ. 2002年第三代無機(矽溶膠矽酸鹽)塗料(Sol-silicate Paints )
-基於全新黏結劑概念的“矽溶膠矽酸鹽塗料”為無機塗料開闢了全新的應
用領域,其有機物含量仍然控制在5%以下。
Ⅳ. 2013年德國凱恩公司發布可用於木材表面的第四代無機塗料
2018年馬來西亞一家公司發布可用於熱帶海洋多雨氣候的外
牆矽酸鹽雜化無機塗料
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新型無機-有機複合塗料不斷問市,依作者淺見,這將成為市場主流產品。
→現今國際上對無機塗料的界定,一般都師法德國標準DIN 18363 要求，即
有機成份的固含量不超過總乾膜質量的5%（W/W%），其測試方法是以200℃
下2小時烘乾後的塗料質量作為總乾膜的質量，此乾膜再在450℃下經過2小時
的灼燒，灼燒失重作為有機成份的質量。200℃下2小時烘乾是為了確保塗料中
的結晶水完全揮發出來，450℃下2小時灼燒是為了讓有機成膜物質和有機助劑
等能完全燒灼掉，同時又能保證碳酸鈣等無機填料不會分解。
→台灣沒有無機塗料的CNS國家標準,中國大陸的行業標準JG/T 26-2002《外牆
無機建築塗料》及修訂徵求意見稿中的JG/T 26-20XX《建築內外牆用液態無機
塗料》,則有內牆用無機塗料其有機物含量不超過5%及8%(分類型)的要求,外牆
用亦分類型有不超過8%和10%的要求。
2. 有機塗料
→有機塗料是指以(有機)高分子化合物為主要成膜物質所組成的塗料,將其塗於
物體表面，能形成一層附著堅牢的塗膜。
→基本上可分為水溶性(水性)塗料、溶劑型(油性)塗料和乳膠塗料(乳膠漆)。
(合成樹脂種類繁多,在此不一一贅述)
四、兼談無機塗料與有機塗料之爭
無機塗料與有機塗料究竟那一個好?
從作者的觀點來看,這是有心業者炒作出來的一個話題,因為無機塗料與有機
塗料各有優、缺點,持平而論,無法用一刀切的方式說究竟那一個好。
相較於有機塗料,無機塗料的優點,主要有環保(低VOC(揮發性有機化合物)、
甲醛等)、耐候(抗老化及UV(紫外線))、防火(耐熱)等,但這不是絕對,
例如,有機塗料通過基料及生產技術的改進,現在很多也是低VOC,甚至零甲醛
的產品;再者,以耐候性而言,氟碳樹脂塗料的優異性,亦非無機塗料所能相比,
但如果你說這樣,無機塗料業者可能會告訴你,C-F鍵的鍵能確實很高,耐候性
很好,但它還是有較弱的C-H鍵可能被破壞,所以無機塗料還是較穩妥。
從市場應用面的角度來看,特別是在著重性價比的亞洲市場,為什麼無機塗料的
占比約僅10%？不可否認,無機塗料在貯放條件上、施工性(柔軟度)、色澤鮮艷
度上都有其限制,從而大大制約了它的市場占有率。
以台灣為例,全球大廠得利塗料（AkzoNobel）、立邦(Nippon)和本土的虹牌
(Rainbow)幾乎都未觸及無機塗料市場,作者認為關鍵因素不在於原料取得和生
產技術,主要還是市場太小的考量,他們的業務重心仍然放在環保型的乳膠漆,
因為它易施工、快乾,上班族、家庭主婦都能輕易上手。
理想的塗料,還是先以滿足使用者的需求(包括淨味、低VOC、施工性等)為首要
，其次則是性價比，兼具這兩種優勢的塗料，才會在激烈的市場競爭中脫穎而出。
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