催化劑對端硅烷聚醚膠性能的影響

謝桂容，劉 宏，余小光，江金龍

（湖南化工職業技術學院，湖南 株洲 412000）

催化劑對端硅烷聚醚膠性能的影響

謝桂容，劉 宏，余小光，江金龍

（湖南化工職業技術學院，湖南 株洲 412000）

以端硅烷聚醚聚合物、填料、脫水劑和催化劑等為原料，制備出了單組分濕固化密封膠，探討了催化體系對膠性能的影響。試驗結果表明，相比傳統的二月桂酸二丁基錫（DBTL），高活性有機錫催化劑（TEGOKAT 226）具有更好的催化效果。其與硅烷低聚物（Dynasylan 1146）組成的催化體系能有效地加快膠的表干和固化過程，制備的密封膠具有較好的力學性能和粘接強度。當TEGOKAT 226添加量為1.2份，Dynasylan 1146添加量為2份時，密封膠表干時間為28 min，固化后膠的拉伸強度為1.65 MPa，拉伸剪切強度為1.55 MPa，具有良好的貯存穩定性。

催化劑；端硅烷聚醚膠；性能

端硅烷聚醚又稱有機硅改性聚醚或MS樹脂，其最先由日本Kaneka公司開發并實現工業化生產，這是以聚氧化丙烯結構為主鏈，并以γ-二甲氧基硅烷封端的聚合物。MS膠具有優良的性能和綜合性能的平衡性[1]，與硅酮膠相比，有更好的耐久性和表面可涂飾性；與聚氨酯膠相比，有更好的耐黃變性、貯存穩定性和固化物不起泡等性能，在建筑預制裝配式外墻密封[2]和汽車擋風玻璃裝配[3]等方面有廣泛的應用。

MS膠的固化涉及硅烷氧基（Si-OCH3）的水解和縮合反應，其反應速度和反應的完成度將影響膠的施工和使用性能。因此，選擇合適的催化體系對加快其水解縮合速度、縮短固化時間、提高生產效率和密封膠的性能有著重要作用。金屬錫、鉛等的脂肪酸鹽、鈦酸酯類化合物對端硅烷聚醚膠的固化均有催化作用[4]，其中有機錫類的催化劑因選擇種類較多、與體系相容性較好等優點而被廣泛使用，常用的有機錫催化劑如二月桂酸二丁基錫（DBTL）、二醋酸二丁基錫，而γ-二甲氧基硅烷封端的聚合物因反應活性和交聯速度較低[5]，沒有得到理想的催化效果。

本研究以MS聚合物為基體，選用有機螯合錫為主催化劑，同時加入氨基硅烷低聚物Dynasylan 1146作為助催化劑，探討了該催化體系對端硅烷聚醚膠性能的影響。結果表明，Dynasylan 1146能協效提高催化效率，且有助于提高膠的粘接性能。相比傳統的單體硅烷，其具有揮發性較低、體系VOC和不穩定副產物較少等特點，且對皮膚不過敏，由其制得的密封膠不需要特殊的過敏健康標簽[6]。

1 實驗部分

1.1 主要原料

端硅烷基聚醚（MS，牌號為S203H），日本Kaneka公司；二月桂酸二丁基錫（DBTL），常州凱瑞化學科技有限公司；N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（A1120）、乙烯基三甲氧基硅烷（A-171），湖北新藍天新材料股份有限公司；氨基硅烷低聚物（Dynasylan 1146），贏創德固賽公司；高活性有機錫催化劑（TEGOKAT 226），高施米特化工有限公司；納米碳酸鈣，盛大科技股份有限公司；鄰苯二甲酸二異癸酯(DIDP) ，薩恩化學技術（上海）有限公司。

1.2 試驗儀器或設備

AR-G2型應力控制型旋轉流變儀，美國TA公司；UT-2080型拉力試驗機，優肯股份有限公司；DHG-9145A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科技有限公司；DZF-6050型真空干燥箱，上海一恒科技有限公司；90-1B型數顯恒溫磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司。

1.3 端硅烷聚醚膠的制備

將在120～140 ℃真空條件下除水6 h的脫水納米碳酸鈣110份（質量份，下同）、MS聚合物S203H 100份、增塑劑DIDP40份加入到反應釜中攪拌1 h，再加入脫水劑A-171 2份、一定量的粘附促進劑與催化劑，攪拌30min后密封保存備用。

粘接試樣制備：將膠涂于標準金屬片上[100 mm×25 mm×2 mm鋁合金，搭接長度為（12.5±0.5）mm]，常溫放入真空烘箱中抽真空1 h排除氣泡，取出后25 ℃固化7 d。

1.4 性能測試或表征

（1）表干時間：按照GB/T 13477.5-2002標準中的B法進行測定。

（2）流變特性：采用應力控制式旋轉流變儀進行測定（平板直徑為40 mm，測試頻率為1 Hz，應變為0.5%，溫度為25 ℃）。

（3）拉伸性能：按照GB/T 528—2009標準進行測定[將膠注入干凈的聚四氟乙烯模具中，用刮刀刮平，常溫下放入真空烘箱中抽真空1 h排除氣泡，取出后25 ℃固化7 d（測試拉伸強度隨固化時間的變化時，按要求在25 ℃固化不同的天數）]。

圖1 MS膠濕固化反應機理Fig.1 Moisture-curing mechanism of MS sealant

（4）拉伸剪切強度：按照GB/T 7124-2008標準進行測定。

（5）貯存穩定性：密封包裝的產品于50℃恒溫箱中存放21 d，觀察其穩定性。

2 結果與討論

2.1 錫催化劑對表干時間的影響

MS膠從液態到固態的化學反應過程如圖1所示，在催化劑的作用下，鏈端Si-OCH3基團首先與空氣中的水分發生水解反應生成Si-OH，得到的Si-OH再與Si-OCH3縮合，或2個Si-OH之間縮合形成Si-O-Si鍵，同時釋放出副產物H2O或CH3OH，最后形成以Si-O-Si鍵為網絡交聯點、交聯點之間為柔性聚醚鏈段的交聯結構。

試驗考查了錫催化劑TEGOKAT 226對MS膠表干時間的影響，測試結果如圖2所示，其中也列出常用催化劑DBTL的應用數據作為對比。由圖2可知：隨著2者用量的增加，表干時間縮短；相比于不加催化劑的表干時間，添加少量的TEGOKAT 226和DBTL即可使表干時間大幅縮短。這是由于催化劑中的Sn能與Si-OR產生配位，使Si-O鍵極化，從而使帶正電荷的Si原子更活潑，更容易受到水分子或Si-OH中氧原子的攻擊，加快水解縮合過程。

TEGOKAT 226表現出比DBTL更高的活性和催化速度。當添加量為0.3 份（相對于100質量份S203H，下同）時，表干時間為8 h；添加1.2 份時，表干時間為2 h；相比相同DBTL用量下的表干時間（22 h）縮短了20 h。這可能是TEGOKAT 226中的Sn質量分數達26%，高于DBTL的錫質量分數18.5%的緣故，因而具有更快的反應速度和更高的反應活226用量超過1.2份后，表干時間變化較小，且過量的催化劑殘存于膠中，高溫時特別是在濕氣作用下可能會引起膠的降解，因此，優選其用量為1.2～1.5份為宜。

2.2 錫催化劑對拉伸強度的影響性，且其特殊的螯合結構更有利于Sn與Si形成配位，使Si-O鍵更易極化，從而加快反應過程。

圖2 催化劑用量對膠表干時間的影響Fig.2 Effect of catalyst amount on tack free time of MS sealant（氨基硅烷 0份）

另外，從圖2中還可以看出，TEGOKAT 圖3為進一步對比催化劑TEGOKAT 226和DBTL對MS膠拉伸強度隨固化時間的變化趨勢。由圖3可知：隨著固化時間的延長，拉伸強度不斷增加。其原因在于,在固化過程中，先是膠表層與空氣中的水分接觸，能較快縮合達到表干，膠內部與水分接觸機會較少，交聯不完全，因此強度較低；隨著時間的延長，內部樹脂在水分的作用下進一步水解縮合，交聯程度不斷增加并形成三維立體網狀結構，因而力學強度提高。當采用1.2份TEGOKAT 226進行催化時，膠的拉伸強度4 d后基本達到穩定，為1.3 MPa；而用2.0份DBTL催化時，8 d的強度僅為1.1 MPa。這也表明，TEGOKAT 226比DBTL具有更好的催化效果，與表干時間的結果相一致。

圖3 拉伸強度隨固化時間的變化Fig.3 Changes of tensile strength with time for MS sealant （TEGOKAT 226 1.2份，DBTL 2份，氨基硅烷0份）

2.3 復合催化體系固化過程的流變特性

在固化反應中，MS膠從液態逐漸變化至橡膠彈性態，通過模量隨時間的變化可以研究其固化過程的特性。TEGOKAT 226 和Dynasylan 1146組成的復合催化體系的測試曲線如圖4所示，作為對比，圖中也給出了TEGOKAT 226單獨催化時的測試結果。

圖4 固化過程的模量-時間流變曲線Fig.4 Modulus-time rheological curves during curing process

由圖4可知：2者催化時的模量—時間流變曲線的變化趨勢相同，即開始貯能模量G′小于損耗模量G″，隨著時間的增加，2者達到相等，最后G′大于G″。G′是由于彈性形變而貯存能量的大小，反映材料彈性大小；G″是由于粘性形變而損耗的能量大小，反映材料粘性大小。

表1 氨基硅烷對膠性能的影響Tab.1 Effect of aminosilane on propertites of MS sealant

對復合體系來說，反應開始5 min時，G′為480 Pa，G″為1 380 Pa，G′小于G″，說明此時膠的黏度較大，鏈段能運動但應變落后于應力的變化，依然保持著液體的特征行為，主要為發生不可逆的粘性形變；隨著固化交聯反應的進行，G′、G″迅速增加，這是分子間縮合鏈增長、鏈段間形成交聯點、鏈段運動受到的阻礙以及彈性和粘性均增加的結果；反應進行至約21 min時，G′、G″達到相等，為3 900 Pa，此時即為凝膠點，密封膠交聯達到半固態；隨后G′大于G″，這是因為密封膠鏈段交聯程度增加，交聯網絡的形成使分子運動受到限制，尺寸變得穩定，主要為發生彈性形變，呈現固態的特征；在95 min左右，G″達到12 000 Pa后幾乎不變，而G′隨著時間不斷增加，膠雖呈固態，但固化還不完全，固化反應過程仍在進行。

對比相同時間TEGOKAT 226單獨催化的特性發現，反應開始5 min時，G″僅為145 Pa，遠小于復合體系的G″（1 380 Pa），說明此時復合體系催化時膠的粘性大于TEGOKAT 226單獨催化時的粘性；至30 min時，DBTL催化膠的G′小于G″，仍處于液態行為；直到反應115 min時，G′、G″相等，達到凝膠點。

復合體系催化時的凝膠點在21 min左右，TEGOKAT 226催化時的凝膠點在115 min左右，由此證明了復合體系比單獨的錫催化劑TEGOKAT 226的催化效果好。

2.4 復合催化體系對膠性能的影響

在以TEGOKAT 226為主催化劑基礎上，進一步選用雙氨基硅烷低聚物Dynasylan 1146作為助催化劑。通過表干時間、力學性能和粘接性能等，考查了復合催化體系對密封膠性能的影響，并與常用的雙氨基硅烷單體A1120復配的性能進行對比，結果如表1所示。

由表1可知：氨基硅烷的加入可加快密封膠的表干過程，相比無氨基硅烷的表干時間2 h，添加1份A1120或Dynasylan 1146即可使表干時間減少一半，這主要源于氨基硅烷中伯、仲氨基的助催化作用，加快了MS端基的水解縮合過程，尤其是伯氨基對表干時間的影響明顯[7，8]。

同時，從表1還可以發現，添加1份A1120時，膠的拉伸強度為1.42 MPa，斷裂伸長率為558%，相比無氨基硅烷時的拉伸強度提高了0.11 MPa，斷裂伸長率降低了182%，這主要歸結于氨基硅烷的端基Si-OCH3能參與MS膠的交聯固化反應，從而使交聯密度增加，拉伸強度提高，斷裂伸長率降低。而使用Dynasylan 1146時的拉伸強度和斷裂伸長率均比A1120高，這可能因為是Dynasylan 1146的低聚結構為膠的固化提供了更多柔性交聯點，從而使密封膠更加柔軟[6]。

表2 Dynasylan 1146用量對膠性能的影響Tab.2 Effect of Dynasylan 1146 amount on propertites of MS sealant

此外，氨基硅烷也能提高MS膠對被粘物體表面的粘接性能，這歸結于硅烷端基水解后的Si-OH與金屬表面的氧化物和水化物層發生反應，或偶聯劑上的N與金屬原子表面發生了螯合[9]。而Dynasylan 1146獨特的低聚結構，使其在材料表面的潤濕性更好，更有利于膠對基體表面的粘接[6]。

上述結果表明，Dynasylan 1146作為助催化劑與TEGOKAT 226復配時具有較好的催化效果，且得到的密封膠性能比與單體硅烷A1120復配更好。

2.5 Dynasylan1146用量對膠性能的影響

選用Dynasylan 1146為助催化劑，進一步考查其用量對密封膠表干時間、力學性能、貯存穩定性的影響，結果如表2所示。

由表2可知：Dynasylan 1146的助催化效

注：TEGOKAT 226用量為1.2份。應使得密封膠的表干時間隨其用量的增加而減少，用量為2份時，表干時間為28 min，超過2份后，減少不明顯，且表干過快不利于密封膠的深層固化，也降低了密封膠的貯存穩定性。

隨著Dynasylan 1146用量的增加，密封膠機械性能也會發生變化，其中拉伸強度增加，斷裂伸長率降低；這主要歸結于Dynasylan 1146端基可參與交聯反應，使得密封膠的交聯密度增加。

另外，一定量的Dynasylan 1146可提高密封膠的粘接性能。當添加到2份時，密封膠的拉伸剪切強度為1.55 MPa，比不添加時提高近一半；超過3份后，粘接性能降低，這可能是由于過多的硅烷分子在密封膠和基材之間形成了弱邊界層所致。

綜合上述結果，Dynasylan 1146的添加量為2份時，密封膠的各項性能較好。

3 結論

（1）TEGOKAT 226的催化效果明顯優于傳統的DBTL，且其添加量優選為1.2～1.5份。

（2）Dynasylan 1146作為助催化劑，與TEGOKAT 226復配時具有較好的催化效果，其獨特的低聚結構使得密封膠性能比與常用單體硅烷A1120復配更好。

（3）Dynasylan 1146添加量優選為2份，此時密封膠表干時間為28 min，固化后的拉伸強度為1.65 MPa，粘接強度為1.55 MPa，且貯存穩定性較好。

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Effect of catalysts on performances of silyl-terminated polyether sealant

XIE Gui-rong, LIU Hong, YU Xiao-guang, JIANG Jin-long
(Hunan Chemical Vocational Technology College, Zhuzhou ,Hunan 412000,China)

The one-component silyl-terminated polyether sealant was prepared with silyl-terminated polyether resin, filler, dehydrant and catalysts etc. Then the influence of catalyst systems on the performance of the generated sealant was studied. The results showed that compared to traditional catalyst DBTL, high-active organotin catalyst TEGOKAT 226 exhibited a better catalytic effect. The catalyst system consisted of TEGOKAT 226 and oligometric diaminofunctional silane Dynasylan 1146 effectively speeded up the drying and curing processes of the sealant, and the resulted sealant exhibited good mechanical and adhesion properties. When the TEGOKAT 226 was 1.2 phrs and Dynasylan 1146 was 2 phrs, the tack free time was 28 min, the tensile strength was 1.65 Mpa, the tensile shear strength was 1.55 Mpa, and the sealant had good storage stability.

catalyst; silyl-terminated polyether sealant; performance

TQ436+.6

A

1001-5922（2016）12-0039-05

2016-09-08

謝桂容（1986-），女，碩士，主要從事高分子材料制備及改性研究。E-mail：becky_rong@126.com。