高耐候無機有機混成樹脂塗料

 

領域別:化學化工日期:2021/2/1
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■ 技術說明
近十年來全球暖化、綠色環保議題一直是塗料產業所關注的重點,為了讓我們的生態能有更健康、更安全的環境,減少石化原料使用,避免溫室氣體產生與地球氣候異常,所以永續性的塗料一直是各家塗料廠研發的目標。針對永續性塗料的開發,目前朝三個發展方向,第一是減少溫室氣體排放與提供健康環境,如減少VOCs/ 毒性物質排放;第二是提高能源效益,利用塗料節省以達降低能源使用;第三則是提高資源效益,增加材料耐久效果、增加功能性,如壓克力樹脂塗料和水性聚氨酯樹脂塗料等耐久性塗料,以減少塗裝維護次數與塗料的使用。雖說這兩類塗料有著優良的耐水、耐久和耐候性,且在美國、歐洲等先進國家都已經大量使用,亞太地區近年來經濟發展迅速,也造成這兩類耐久塗料占據了主要市場,但壓克力樹脂與氨酯樹脂塗料的耐候效果仍無法滿足下游業者需求。
 
由於台灣地處亞熱帶,環境特色包含高溫、多雨、日照強,在這樣的環境下塗料表面更容易被破壞,造成塗膜龜裂、粉化與退色。尤其是建築、交通工具等,更期望能夠提高耐候效果,減少維護頻率。目前市場普遍認為氟碳塗料具有良好耐候效果,但單價高且硬度稍微不足,PVDF塗料重塗性不佳,因此發展出另一種耐候塗料—無機耐候塗料。無機的鍵能高可抵抗紫外線破壞,因此耐候效果較佳。但無機含量過高會造成成膜性與加工性變差,一般無機耐候塗料會添加50% 有機材料來增加成膜、柔軟與加工性。由於市售無機混成耐候材料的無機含量僅有50%,雖然硬度可在2H 以上,價格也相較低,但耐候效果仍低於PVDF 與FEVE 氟碳樹脂塗料,無法與氟碳樹脂耐候性競爭。而傳統的有機塗料例如壓克力、聚酯塗料鍵能低,因此耐候性通常在2~5年之間,經由矽改質樹脂塗料耐候性約可提升到7 年左右,但耐候性同樣無法與氟碳塗料相競爭。
 
工研院材化所開發高無機混成材料技術,利用無機高鍵能、高耐候特性,與高接著、易加工之有機樹脂結合,可開發出高耐候、高接著、多種應用範圍之有機無機混成材料。
 
■ 技術特徵
金屬建材被破壞的主要原因以腐蝕為主,在非金屬建材的部分以高分子裂解為主。而樹脂為塗料的主要成膜成分,也決定塗料耐候性優劣的主要因素,樹脂一般為有機高分子,以化學鍵結方式連結各元素。常見的有機高分子會以C-C(鍵能約83 Kcal/mol)與C-O(鍵能為85.5 Kcal/mol)等,其鍵能對應的波長分別為346 與334nm(表一)約為UV-A 區域,因此會被日光中的紫外線破壞而造成材料裂解。所以鍵能強的材料特性,才能抵抗高溫、高溼與外力的破壞,才足以提升整體塗料的耐候性。雖然氟碳材料C-F 鍵能為116 Kcal/mol,因此會有較少的光線破壞氟碳塗料,相較之下耐候性較為優異。但氟碳材料主鏈仍為C-C 結構,在長時間使用下氟碳材料仍會裂解,尤其是FEVE材料C-F含量更少,耐候性較PVDF差。
 
表一、Si-O 及C-F之化學鍵能與臨界波長不在UVA、UVB 波長區域,具較優的耐候性
表一、Si-O 及C-F之化學鍵能與臨界波長不在UVA、UVB 波長區域,具較優的耐候性
 
圖一、工研院材化所專利技術- 高耐候無機有機混成樹脂塗料
圖一、工研院材化所專利技術- 高耐候無機有機混成樹脂塗料
 
由於無機材料Si-O 鍵能可達到109 kcal/mol,吸收波長少於200nm,日光進入大氣層後幾乎無此光線,所以Si-O 為主鏈之混成高分子具有高耐候性效果。工研院材化所利用以矽氧烷、金屬氧烷單體為原料,開發出可成膜矽氧主鏈結構無機高分子材料之耐候材料(Durable Materials of Polysilsesquioxane(PSQ) Modified Organic Resins)。但無機高分子中SiOH 含量過高問題,造成塗料不安定或是固含量過低。本專利技術開發之有機樹脂改質無機高分子,其耐候性可超過傳統有機矽改質樹脂,同時改善純無機高分子固含量過低、不安定等問題。可應用於塗膜材料如金屬、水泥等建材表面,達到長時間保護、不須經常維護之功能,節省人力與材料資源的浪費。
 
■ 技術規格
表二、工研院材化所之高耐候無機有機混成樹脂塗料耐候性與物性比較
表二、工研院材化所之高耐候無機有機混成樹脂塗料耐候性與物性比較
 
■ 應用範圍/領域
   ► 建築塗料
   ► 金屬塗料
 
■ 技術成果
工研院材化所之高耐候無機有機混成樹脂塗料,與以無機混成樹脂改質市售壓克力樹脂相較,能將耐候性提高2 倍以上,售價上卻只有市售氟碳樹脂的1/3 價格。
 
圖二、高耐候無機有機混成樹脂塗料與市售塗料之耐候加速試驗
圖二、高耐候無機有機混成樹脂塗料與市售塗料之耐候加速試驗
 
■ 專利/技術資訊
專利組合名稱:高耐候無機有機混成樹脂塗料
專利標的:材料
專利組合案件數:2案6件
專利/技術成熟度:雛型
技術發展潛力:75%
國別分布:TW、US、CN
合作方式:專利讓與/ 授權、技術授權、 合作開發
 
■ 洽詢窗口
工研院 材料與化工研究所  康靜怡   
Tel:03-5916928、Email:kang@itri.org.tw

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